一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，针对超声换能器控制信号布线时的串扰，本发明专利技术在印制电路板上根据信号的流向，合理地布线连接接插件以及多路复用芯片，避免了同时有电信号经过的信号线间线距过窄的情况。针对芯片内部的串扰问题，建立布线拓扑策略，将逻辑上相邻的换能器阵元通道进行物理隔离并分别连接到不同的多路复用芯片，从而实现防止串扰的目的。本方法使用有标准连接协议的独立集成电路对信号实现分时复用，为少通道数驱动多阵元序列的超声系统提供解决方法。本方法与超声扫描序列紧密联系，针对特殊的图像成像要求设计布线策略，提高成像质量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法


[0001]本专利技术涉及医疗信息
、电路布局设计
，具体涉及一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法。

技术介绍

[0002]超声CT技术作为下一代新型医学影像模态技术，目前正面向乳腺癌早期筛查和诊断等临床应用上推广和试验，是面向人民生命健康而发展的医疗器械关键技术。超声CT通过控制超声换能器阵列产生各个方向的集束超声波，进而对生体组织实现断层扫描功能。
[0003]伴随着超声换能器阵列的大规模化和阵元的小型化发展，超声重建图像质量提升的同时，也对超声硬件设备在高效传输和处理多通道信号方面提出更高的要求。超声硬件设备的采集模块由于信号采集精度、芯片性能、设备成本以及设备体积等条件的限制，其收发信号的通道数可能无法实现1：1适配甚至远少于超声换能器阵列数。传统的医用超声设备使用多路复用电路模块，通过换能器阵列的分时复用技术解决通道数不匹配的问题。
[0004]分时复用方法通过通道合并的方式使不同的信号在不同的时间片内传输。首先，在超声信号采集侧对换能器阵元分组，通过工作时间切分令单位周期内不同组别换能器顺序采集分时复用数据，以此循环往复，最后将每个周期内采集的超声信号按单位周期进行切分，在数据处理端将分时复用后的数据恢复到按阵元采集的超声信号数据，实现将有限的超声收发通道性能最大化。分时复用电路物理上连接超声研究系统和换能器阵列，并定义信号采集逻辑时序和数据传输协议格式。
[0005]另一方面，超声换能器端和高度集成分时复用电路模块处易引发串扰现象。超声波信号经换能器端后以电信号的方式进行收发和传输，换能器阵列上的每一个阵元都有独立通道进行控制，在小型化高度集成的控制电路中距离较近的线路间形成串扰，可能导致超声信号的信噪比下降。为抑制串扰，Stanley Chen等在集成电路的输出端使用MOSFET(Metal
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Oxide
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Semiconductor Field
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Effect Transistor, 金属氧化半导体场效晶体管)配合模拟开关内部的抗串扰抑制功能成功抑制一部分串扰。杜好阳等使用多个换能器分时复用地采集超声信号，成功地在单位周期内抑制了不同换能器之间的串扰。Shih
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Chu Huang等在光纤传感领域提出了采用具有足够相干长度的激光源来减小传感器串扰的方法。
[0006]现有的分时复用超声收发方法存在以下几个问题：1. 没有考虑布线带来的串扰：在电路设计中，信号线距过近会引发一定程度的串扰。2. 没有考虑芯片内部的串扰：分时复用的方法一般由多路复用芯片完成，信号在通过高集成度的多路复用芯片内部时会引起串扰。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，该方法包括以下步骤：（1）通过多路复用芯片选型，实现超声信号发生器通道数与医用超声换能器阵列阵元数的数量匹配；（2）对医用超声换能器阵列进行抗串扰设计，包括：（2.1）多路复用芯片布局策略设计，多路复用芯片在围绕主控芯片布局的同时，尽可能地靠近与超声信号发生器连接的接插件以及与医用超声换能器阵列连接的接插件；（2.2）信号线序规划设计，建立线序拓扑表，在分时复用控制板上将逻辑上相邻的换能器阵元通道进行物理隔离并分别连接到不同的多路复用芯片；主控芯片通过设定的时序控制多路复用芯片内部开关的通断，多路复用芯片内部开关分别在1/C个时钟周期里选通一路通道，进而在完整的时钟周期里合成C路接收的信号，其中C为多路复用芯片数量；（2.3）分时复用控制板的层叠设计，在空间上将多个多路复用芯片布置在不同区域中，不同多路复用芯片所扇出的信号线，主体上被分配于分时复用控制板的不同信号层；（2.4）走线优化设计，包括走线规避跨层设计及走线微调；（3）分时复用控制板外围设计，包括：设计控制多路复用芯片工作的主控芯片、电源模块以及通讯模块；（4）对分时复用控制板进行自查并制板；（5）将分时复用控制板接入超声信号发生器与医用超声换能器阵列之间，实现串扰抑制。
[0009]进一步地，步骤（1）中，确定超声信号发生器通道数N与医用超声换能器阵列阵元数M的比例关系，依据比例确定多路复用芯片的型号以及数量C。
[0010]进一步地，步骤（2.1）中，将分时复用控制板横向划分为三个区域，自左至右分别为1、2、3号区域，主控芯片置于1号区域，横向放置与超声信号发生器连接的接插件于2号区域上部，并自下而上纵向分布排列若干多路复用芯片，纵向放置与医用超声换能器阵列连接的接插件于3号区域中。
[0011]进一步地，步骤（2.2）中，所述线序拓扑表包括输入侧、多路复用芯片编号以及输出侧三部分，分时复用控制板上输入输出信号的连接方式标注在表中，所述输入侧是分时复用控制板到超声信号发生器接插件的通道拓扑连接表示，所述输出侧是分时复用控制板到医用超声换能器阵列接插件的通道拓扑连接表示。
[0012]进一步地，步骤（2.2）中，所述分时复用控制板上的多路复用芯片编号和输入输出通道的关系满足：已知输入通道编号I，对应的多路复用芯片编号以及输出通道编号为已知输出通道编号O，对应的多路复用芯片编号以及输入通道编号为
其中，为超声信号发生器通道数，%为求余运算符，\为整除运算符。
[0013]进一步地，步骤（2.3）中，分时复用控制板使用六层印刷电路板设计，从上至下依次为：顶层、信号层、电源层、地层、信号层、底层，其中顶层和底层为芯片层，并可选择地作为信号层，顶层和/或底层布设接插件。
[0014]进一步地，步骤（2.4）中，在设计分时复用控制板过程中减少信号线跨层传输，若必须跨层则需满足每次跨层设计只跨一层，全程总共不超过跨越三个信号层；另外，在设计分时复用控制板过程中避免或减少在同一层传输过程中走线呈直角或者锐角的情况。
[0015]进一步地，步骤（4）包括：确认分时复用控制板上是否存在短接或者断路的情况，确认电源平面划分是否合理，确认分时复用控制板上各参数是否符合制板厂家工艺要求，确认芯片以及接插件封装是否正确，确认全部满足条件后交付厂家制板。
[0016]进一步地，当医用超声换能器阵列通道数扩展一倍时，多路复用芯片数量增加一倍，在布局中将分时复用控制板横向划分为五个区域，自左至右分别为1、2、3、4、5号区域，与超声信号发生器连接的接插件横向置于2
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4号区域，主控芯片置于3号区域，在2号区域中自下而上纵向分布排列一半多路复用芯片，在4号区域中自下而上纵向分布排列另一半多路复用芯片，分别在1号区域和5号区域放置与医用超声换能器阵列连接的接插件；每个与超声信号发生器连接的接插件焊盘所引出的两路信号分别接入2号区域的一个多路复用芯片，以及4号区域的一个多路复用芯片。
[0017]进一步地，当与医用超声换能器阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过多路复用芯片选型，实现超声信号发生器通道数与医用超声换能器阵列阵元数的数量匹配；（2）对医用超声换能器阵列进行抗串扰设计，包括：（2.1）多路复用芯片布局策略设计，多路复用芯片在围绕主控芯片布局的同时，尽可能地靠近与超声信号发生器连接的接插件以及与医用超声换能器阵列连接的接插件；（2.2）信号线序规划设计，建立线序拓扑表，在分时复用控制板上将逻辑上相邻的换能器阵元通道进行物理隔离并分别连接到不同的多路复用芯片；主控芯片通过设定的时序控制多路复用芯片内部开关的通断，多路复用芯片内部开关分别在1/C个时钟周期里选通一路通道，进而在完整的时钟周期里合成C路接收的信号，其中C为多路复用芯片数量；（2.3）分时复用控制板的层叠设计，在空间上将多个多路复用芯片布置在不同区域中，不同多路复用芯片所扇出的信号线，主体上被分配于分时复用控制板的不同信号层；（2.4）走线优化设计，包括走线规避跨层设计及走线微调；（3）分时复用控制板外围设计，包括：设计控制多路复用芯片工作的主控芯片、电源模块以及通讯模块；（4）对分时复用控制板进行自查并制板；（5）将分时复用控制板接入超声信号发生器与医用超声换能器阵列之间，实现串扰抑制。2.根据权利要求1所述的一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，其特征在于，步骤（1）中，确定超声信号发生器通道数N与医用超声换能器阵列阵元数M的比例关系，依据比例确定多路复用芯片的型号以及数量C。3.根据权利要求1所述的一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，其特征在于，步骤（2.1）中，将分时复用控制板横向划分为三个区域，自左至右分别为1、2、3号区域，主控芯片置于1号区域，横向放置与超声信号发生器连接的接插件于2号区域上部，并自下而上纵向分布排列若干多路复用芯片，纵向放置与医用超声换能器阵列连接的接插件于3号区域中。4.根据权利要求1所述的一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，其特征在于，步骤（2.2）中，所述线序拓扑表包括输入侧、多路复用芯片编号以及输出侧三部分，分时复用控制板上输入输出信号的连接方式标注在表中，所述输入侧是分时复用控制板到超声信号发生器接插件的通道拓扑连接表示，所述输出侧是分时复用控制板到医用超声换能器阵列接插件的通道拓扑连接表示。5.根据权利要求4所述的一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，其特征在于，步骤（2.2）中，所述分时复用控制板上的多路复用芯片编号和输入输出通道的关系满足：已知输入通道编号...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宏翔，陈宁可，王银杰，吴光未，唐弢，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：