概述

1.背景及研究意義據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)道，心血管疾病是造成人類死亡的第一殺手。其中，有大于一半的心血管疾病都與心肌的血供障礙有關(guān)疾病，近兩年中國心血管病報(bào)告指出，在中國、心血管疾病的患病率和致殘致死率仍在快速上升，心血管疾病已經(jīng)給無數(shù)的家庭帶來沉重的經(jīng)濟(jì)和精神負(fù)擔(dān)，心血管疾病及早預(yù)防及治療的方法的研究是國內(nèi)外研究者急需攻克的一個(gè)難題。

圖1-1正常心血管循環(huán)結(jié)構(gòu)和功能 如圖1-1所示，冠狀動(dòng)脈循環(huán)主要由心外膜血管和心肌微循環(huán)組成。其中心外膜血管的直徑比較粗(>400μm)，而心肌微循環(huán)則是較細(xì)的(<400)μm、同時(shí)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)90%冠狀動(dòng)脈血流阻力，維持心肌細(xì)胞正常結(jié)構(gòu)和功能。 曾經(jīng)人們只是人為心臟病的很多癥狀只是由較粗的心外膜血管阻塞造成的，但是當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)即使在沒有明顯的心外膜病變下仍然存在心絞痛等癥狀時(shí)，人們才意識(shí)到心肌微循環(huán)也是一個(gè)被忽略的罪魁禍?zhǔn)祝鐖D十二所示。因此，心肌微循環(huán)結(jié)構(gòu)和功能評(píng)價(jià)對(duì)諸多重大心血管疾病的機(jī)制研究、臨床診療和預(yù)后評(píng)估有重大意義。

圖1-2非正常心血管循環(huán)結(jié)構(gòu)和功能2.超諧波成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀目前，臨床上常用的成像方法:冠脈X造影成像、核素顯像、心血管磁共振均屬于毫米級(jí)別的成像方法，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微米級(jí)的微血管進(jìn)行成像。近年。基于超聲成像的雙頻超諧波成像技術(shù)被用于對(duì)微血管直接顯影，其主要原理是通過低頻超聲波入射到有血管示蹤劑的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)、會(huì)對(duì)接收血管示蹤劑非線性效應(yīng)產(chǎn)生的高次諧波，并利用攜帶血管信息的高次諧波信號(hào)進(jìn)行高對(duì)比度、高清晰度的微血管成像。目前，并沒有關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)與心肌微循環(huán)結(jié)合的報(bào)道、研究的意義重大。 超諧波主要涵蓋了3次及以上的諧波成分，范圍很廣，所以接收高次諧波的換能器必須滿足頻帶寬、靈敏度高的特點(diǎn)。如圖1-3所示，李俊秀等人設(shè)計(jì)了一種用于血管內(nèi)超聲(IVUS)成像的35 MHz/105 MHz共聚焦雙頻換能器陣元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三次諧波的成像空間分辨率比基波的成像效果好。

圖1-3血管內(nèi)超聲35 MHz/105 MHz雙頻換能器結(jié)構(gòu)與實(shí)物 北卡羅來大學(xué)的江小寧團(tuán)隊(duì)在這個(gè)領(lǐng)域有很多相關(guān)的研究。如圖1-4所示，他們提出一種用于對(duì)比增強(qiáng)超諧波成像的血管內(nèi)雙頻(6.5兆赫/30兆赫)換能器，對(duì)200μm的纖維管成像的分辨率可以達(dá)到600μm[6]。

圖1-4血管內(nèi)雙頻(6.5兆赫/30兆赫)超聲換能器及其成像結(jié)果 如圖1-5所示，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種用于血管內(nèi)實(shí)時(shí)超諧波成像的雙頻(2.25MHz/30 MHz）IVUS圓柱陣列，信噪比可達(dá)16.6dB，軸向分辨率為162個(gè)μm、相較于單陣元的雙頻換能器有很大的提高。

圖1-5血管內(nèi)雙頻(2.25MHz/30 MHz)超聲換能器及其成像結(jié)果 此外，費(fèi)林等人提出了由兩個(gè)外側(cè)低頻陣列和一個(gè)中央高頻陣列水平排列的雙頻(6.5MHz/30 MHz)超聲換能器陣列，用于組織超諧波成像。蓋斯納等使用一種獨(dú)特的雙頻共焦換能器(2.5兆赫/30兆赫)通過機(jī)械掃描進(jìn)行三維對(duì)比成像。金姆等利用2 MHz/14 MHz雙頻換能器進(jìn)行高次諧波成像，信噪比16分貝，-6dB軸向分辨率為615μm[10]。Li等人設(shè)計(jì)了3 MHz/18 MHz共線陣列進(jìn)行超諧波成像。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

由于超聲的分辨率與頻率呈正相關(guān)，理論上講，如要提高分辨率，微血管顯像需要利用更高頻率的聲波(30兆赫)以上)。然而，高頻超聲與微泡共振頻率相差越大，產(chǎn)生的非線性信號(hào)越弱。目前用于臨床的脂質(zhì)微泡造影劑共振頻率為2-10兆赫。因此，30 MHz以上的高頻超聲激發(fā)微泡所產(chǎn)生的非線性信號(hào)非常微弱，目前的超聲探測技術(shù)難以對(duì)其成像.另外，超聲波的衰減程度與頻率的2/3次方成正比，頻率越高，衰減越大.頻率的提高不僅降低了成像的探測深度，也導(dǎo)致聲波衰減增加，進(jìn)一步加重了高頻超聲非線性成像的難度。因此，傳統(tǒng)高頻發(fā)射、高頻接收的方式無法實(shí)現(xiàn)微血管的高頻超聲成像。

圖2-1超諧波成像原理 針對(duì)當(dāng)前低次諧波超聲成像及高頻超聲成像面對(duì)的困境，有學(xué)者提出了雙頻超聲成像的理念：發(fā)射與微泡共振頻率相近的低頻聲波，而接收高頻聲波。發(fā)射的低頻聲波與微泡共振頻率相近，可以產(chǎn)生最強(qiáng)的共振信號(hào)；同時(shí)由于發(fā)射頻率低，也保證了足夠的探測深度。接收微泡非線性反射的超諧波(3倍頻以上)。微泡的超諧波信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于組織、可有效抑制組織諧波信號(hào)，成像分辨率顯著提高。同時(shí)，雙頻超聲成像時(shí)由于高頻只在接收的過程中產(chǎn)生，相較于傳統(tǒng)的高頻發(fā)射、高頻接收的方式，高頻傳播距離減少1倍，因此高頻聲波的衰減也明顯減少，雙頻超聲的出現(xiàn)為微血管超聲顯微成像提供了可能。

系統(tǒng)架構(gòu)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-1高分辨率超諧波成像系統(tǒng)框圖所示，高分辨成像超諧波系統(tǒng)主要分為以下模塊：雙頻換能器、超聲發(fā)射電路、超聲接收電路、FPGA主控模塊以及pc處理成像模塊。

圖3-1高分辨率超諧波成像系統(tǒng)框圖 超諧波成像是根據(jù)發(fā)射和接收超聲的時(shí)間差來獲得組織結(jié)構(gòu)信息，超聲的發(fā)射需要高壓脈沖激勵(lì)，通過超聲換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)。超聲波信號(hào)在組織中傳播時(shí)，遇到組織界面會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，遇到微泡造影劑會(huì)產(chǎn)生基波及高次諧波，接收處理高次諧波可得到高對(duì)比度圖像。 系統(tǒng)完整的發(fā)射超聲波需要給超聲換能器合適的脈沖激勵(lì)信號(hào)，設(shè)計(jì)合適的超聲發(fā)射電路時(shí)、需要考慮兩點(diǎn)：一是超聲換能器的驅(qū)動(dòng)需要激勵(lì)信號(hào)滿足高壓高功率的要求；二是激勵(lì)信號(hào)要靈活可控，通過FPGA可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求配置信號(hào)的中心頻率、周期及時(shí)間間隔均可調(diào)。另外，由于超聲換能器需要大電壓和大電流驅(qū)動(dòng)，所以設(shè)計(jì)的電路中元器件還必須具有較高的耐壓性和穩(wěn)定性，確保激勵(lì)信號(hào)不失真。 超聲接收電路采集帶有組織信息的回波信號(hào)，并從中提取出高次諧波進(jìn)行成像，采集回波時(shí)需要高靈敏度的換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)一步將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。該部分設(shè)計(jì)需要進(jìn)行回波信號(hào)的低噪聲放大和高速采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。 2.關(guān)鍵硬件模塊研究2.1超聲發(fā)射電路設(shè)計(jì)本課題組比對(duì)了多個(gè)公司(如)日立、Supertex(等)的發(fā)射電路芯片，最終選擇了S調(diào)理器公司的MD 1213和TC 6320兩款高性能芯片來設(shè)計(jì)發(fā)射電路。 超聲脈沖發(fā)射電路如圖三十二所示，MD1213芯片是一個(gè)高速雙路M0SFET柵極驅(qū)動(dòng)器，該芯片兼容1.2~5V的CMOS輸入電平，可直接與FPGA輸出I/O口相連，其輸出驅(qū)動(dòng)端具有輸出和吸收2.0A的輸出驅(qū)動(dòng)能力；當(dāng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載為1000PF的容性負(fù)載時(shí)，上升和下降時(shí)間僅為6納什。

圖3-2超聲發(fā)射電路 與MD 1213配套使用是增強(qiáng)型場效應(yīng)對(duì)管TC6320，該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)P溝道增強(qiáng)型MOSFET管和一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOSFET管，兩管共同構(gòu)成推挽型結(jié)構(gòu)。通過交替導(dǎo)通可產(chǎn)生正負(fù)高壓脈沖信號(hào)，每個(gè)MOSFET內(nèi)部又集成了柵源鉗位齊納二極管和柵源電阻來保護(hù)輸入端電路。驅(qū)動(dòng)器MD 1213和對(duì)管TC 6320之間通過電容耦合，保證只有交流成分通過.TC6320的擊穿電壓達(dá)到200V、完全可以滿足驅(qū)動(dòng)超聲換能器的高壓要求，除此之外、其輸出電流可達(dá)2.0A，極大的縮短電壓上升和下降所需時(shí)間。 超聲發(fā)射電路實(shí)際工作時(shí)，由FPGA產(chǎn)生的控制及輸入信號(hào)分別與MD 1213輸入端OE以及伊納、INB相連，其中OE為芯片使能端，高電平時(shí)使能芯片，伊納、INB分別控制奧塔、歐布的輸出，其邏輯真值表如表3-1所示。 表3-1邏輯真指表

如圖3-3為發(fā)射電路板實(shí)物圖。

圖3-3發(fā)射電路板實(shí)物圖 本課題發(fā)射超聲波的中心頻率為5兆赫且重復(fù)頻率5千赫，每個(gè)子串持續(xù)2-循環(huán)，通過FPGA設(shè)計(jì)并仿真伊納、INB和OE端信號(hào)如圖3-4所示。

圖3-4 Modelsim仿真圖 用示波器在發(fā)射板輸出端實(shí)采集信號(hào)如圖所示。

圖3-5超聲發(fā)射電壓信號(hào)2.2超聲接收電路設(shè)計(jì)由于發(fā)射超聲和接收超聲使用的是同一個(gè)超聲換能器、超聲發(fā)射電路和接收電路物理上有直接相連.如果電路之間不加以隔離，發(fā)射電路的高壓可能會(huì)直接加在接收電路，影響接收電路正常工作，嚴(yán)重時(shí)可損壞接收電路芯片。為了降低發(fā)射電路對(duì)接收電路的影響，如圖所示，在發(fā)射電路和接收電路之間放置隔離電路。隔離電路芯片MD 0100是一款雙向限流保護(hù)芯片，它具有兩個(gè)等效端口，兩個(gè)端口之間可以互換.當(dāng)兩端電壓小于2.0V時(shí)，MD 0100等效于一個(gè)15Ω的電阻，當(dāng)兩端電壓降超過2.0V時(shí)，它等效于斷開的開關(guān)。MD 0100的承受電壓可達(dá)100V，高壓情況下僅有μA級(jí)別電流流過，并且當(dāng)電壓從高壓恢復(fù)到低壓過程中時(shí)，其反應(yīng)延遲也非常短，在10納什左右。通過隔離電路，使得發(fā)射電路幾十伏的高壓無法影響接收電路，但是毫伏級(jí)別的回波電信號(hào)能正常被接收電路接收。

圖3-6超聲發(fā)射接收隔離電路 由于超聲回波信號(hào)中存在攜帶組織信息的不同頻率的諧波成分，而頻率越高的諧波成分，信號(hào)衰減會(huì)越強(qiáng)，這樣會(huì)造成高次諧波信號(hào)十分微弱、幅值大小在毫伏量級(jí)，若直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集，可能根本捕捉不到有用的諧波信號(hào).所以在量化模擬信號(hào)前需要先將其放大到合適大小，在這里本課題使用的是阿迪公司的廣告8331可變?cè)鲆娣糯笃?/u>。