医用内窥镜超声探头驱动系统的设计

　　医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术的不断发展和融合的产物, 是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[ 1] 。内窥镜超声成像系统以电子内窥镜系统为基础, 将超声探头经由电子内窥镜活检通道伸入体腔、接近目标器官, 由微型电动机驱动超声探头实现扇面扫描, 获得消化器官管壁各个断层的组织学特征。与体外超声比较, 探头与器官间距离短,避免了脂肪、体腔内气体对成像的影响。获得的图像信息要比体表上获得的扫描信息准确详细。

　　本文设计并实现了超声成像系统中的探头的发射、接收及隔离电路。采用超声马达前置方式驱动换能器旋转实现超声扫描, 延长仪器的使用寿命。

　　1 系统工作原理

　　超声内窥镜系统成像方式是以超声换能器为传感元件, 由微型电动机驱动换能器旋转以实现扇形扫描。利用换能材料的逆压电效应, 将高频电脉冲激励以声波的形式发射出去, 声波在器官组织中传播的同时其强度被组织的声阻抗特性调制; 然后利用换能材料正压电效应将反射回的声波转化为电信号, 接收回波信号获取图像就是将组织声学特性解调出来的过程。本超声成像系统采用的是B 型显示方式, 用回波脉冲的幅度调制显示亮度。驱动系统将解调出的幅度信号以数字形式输出, 送到PC机的图像处理部分。系统最终显示器官壁的断层组织图像。

　　系统的结构框图见图1。超声内窥镜探头的驱动控制系统是由发射电路、接收电路、收发隔离电路构成。发射电路的功能是在超声换能器上施加瞬时高压脉冲, 激发超声换能器发射超声波; 接收电路是对超声换能器接收回波后产生的微弱电信号进行解调输出; 由于采用收发共用的换能器, 超声发射电路和高灵敏度接收电路与换能器并联; 隔离电路的作用是抑制高压激励脉冲, 避免接收电路被高压激励脉冲所击毁。

　　2 系统硬件设计

　　2. 1 超声探头设计

　　本系统的超声探头采用微型超声马达前置设计, 主要解决了以往超声内窥镜系统采用体外马达驱动所带来的探头寿命短的问题。图2 显示了马达前置的结构形式。

　　内窥镜超声探头通过电子内窥镜的活检通道进入体内。如图3, 活检通道为内径2. 8 mm 的聚四氟乙烯软管, 在入口附近有一段90°的硬管弯曲部分, 为保证探头部分顺利通过, 设计超声换能器和超声马达及其连接部分的直径为2 mm, 不可弯曲长度为12 mm。受换能器体积以及国内换能器制作工艺的限制, 采用收发共用的换能器。