Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Wyszukiwarki naszych partnerów

Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
Europejski lider sprzedaży techniki i elektroniki.
Proszę, dodaj wyjątek elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak zrealizować pomiary Dopplerowskie z wykorzystaniem dyskretnego ADC

ghost666 02 Maj 2017 09:12 1194 0
  • Ultrasonografia jest nieinwazyjną metodą obrazowania medycznego, która wykorzystuje fale dźwiękowe w ludzkim ciele i mierząc ich odbicie się od wewnętrznych struktur organizmu pozwala na rekonstrukcję obrazu. Systemy tego rodzaju mierzą odbicia fal ultradźwiękowych od granic pomiędzy dwoma różnymi ośrodkami, takimi jak mięśnie i kości itp. Istnieją różne tryby pracy ultrasonografów - B, F (zwany także impulsowym) czy ciągły z efektem Dopplera (CW Doppler).

    Każdy ma swoje plusy i minusy i nie będziemy na łamach poniższego tekstu analizować różnic między nimi. W tekście tego artykułu skupimy się na pomiarach CW Doppler, a w szczególności na tym, jak precyzyjny tor analogowo-cyfrowy pomóc może w dokładniejszym obrazowaniu przepływu płynów ustrojowych w organizmie.

    Rysunek 1 pokazuje w schematyczny sposób, jak realizuje się z wykorzystaniem ultradźwięków pomiar prędkości przepływu krwi w żyle pacjenta (tego rodzaju metody stosowane są także w przemyśle do pomiaru szybkości przepływu cieczy w rurach - przyp.red.).

    Jak zrealizować pomiary Dopplerowskie z wykorzystaniem dyskretnego ADC
    Rys.1. Schemat obrazujący metodę Dopplerowską do pomiaru prędkości przepływu krwi.


    W opisywanej metodzie połowa przetworników z macierzy (macierzy składającej się z przetworników - nadajników i odbiorników - ultradźwiękowych) w stały sposób nadaje sinusoidę o częstotliwościach ponadakustycznych (oznaczone Tx), która transmitowana jest do płynącej w żyle krwi. Fale dźwiękowe odbijają się od komórek płynących w krwi i odbierane są przez odbiorniki (oznaczone Rx). Odbity sygnał ma inną częstotliwość niż wysyłany, z uwagi na fakt, że krew płynie z pewną prędkością. Efekt ten znany jest szerzej jako efekt Dopplera.

    Odebrany (Rx) sygnał jest następnie podawany poprzez mikser i niskoszumny sumator na demodulator, co pozwala na pomiar sygnałów I oraz Q (rzeczywistej i urojonej części sygnału), co w konsekwencji daje możliwość symultanicznego pomiaru różnicy fazy pomiędzy tym sygnałem, a sygnałem transmitowanym przez układ (Tx). Z różnicy faz, tak jak z różnicy częstotliwości, wyznaczyć można prędkość przepływu krwi w obrazowanej żyle.

    Na rysunku 2 zaprezentowano diagram blokowy stopnia Rx w systemie CW Doppler.

    Jak zrealizować pomiary Dopplerowskie z wykorzystaniem dyskretnego ADC




    Rys.2. Schemat blokowy toru odbiorczego w ultrasonografie typu CW Doppler, z pokazanymi elementami toru kondycjonowania sygnału (na rysunku tylko jeden - w rzeczywistości są dwa, osobne dla I oraz Q).


    Analogowy tor wejściowy musi być niezwykle czuły, gdyż trudno jest mierzyć tak niezwykle małe sygnały. Przebiegi w torze nadawczym mają częstotliwość od 1 do 15 MHz i amplitudę od ?2,5 V do nawet ?100 V; dla kontrastu sygnały odebrane z przetworników mają amplitudę w zakresie od ?10 ?V do ?500 mV, a zakres częstotliwości zależny jest od prędkości przepływu krwi, kąta pomiędzy przetwornikami a żyłą, jej wielkością i umiejscowieniem w ciele.

    Precyzyjny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) umożliwiać musi odpowiednio dokładny pomiar sygnałów analogowych na wejściu układu. Dla systemów CW Doppler preferuje się wykorzystanie przetworników ADC o sukcesywnej aproksymacji (SAR) ponieważ zapewniają one strumień 'surowych' danych - nie poddanych żadnemu cyfrowemu filtrowaniu. Dodatkowo SAR ADC charakteryzują się niskimi opóźnieniami i doskonałymi parametrami zmiennoprądowymi.

    W zależności od głębokości obrazowanej żyły, konieczne jest dobranie odpowiedniej rozdzielczości przetwornika. Rodzina układów ADS8900B od Texas Instruments to przetworniki dedykowane m.in. do tego rodzaju zastosowań, które oferują szeroką gamę parametrów. Umożliwia to dobranie ich do dowolnej aplikacji korzystającej z pomiarów Dopplerowskich.

    Układy z rodziny ADS8900B oferują doskonałe parametry w zakresie przepustowości, dynamiki czy amplitudy sygnału wejściowego. Dodatkowo, korzystając z tych przetworników, łatwo jest zestawić tory o jednoczesnym próbkowaniu przebiegów I oraz Q, co jest istotne w metodzie CW Doppler. W tabeli 1 zebrano podstawowe parametry elementów z tej rodziny.

    Tab.1. Kluczowe parametry układów z rodziny ADS8900B.
    ADS890xBADS891xBADS892xB
    Rozdzielczość20 bit18 bit16 bit
    PrędkośćDo 1 MSPSDo 1 MSPSDo 1 MSPS
    Zakres napięć wejściowych?5 V?5 V?5 V
    Całkowita nieliniowość (typowo)?1,1 LSB?0,5 LSB?0,3 LSB
    Stosunek sygnału do szumu (typowo)104,5 dB102,5 dB96,8 dB
    Całkowite zniekształcenia harmonicznie (typowo)-125 dB-125 dB-125 dB
    Offset (typowo w zakresie od -40°C do 125°C)?10,5 LSB?3 LSB?3 LSB
    ObudowaQFN 4 mm x 4 mmQFN 4 mm x 4 mmQFN 4 mm x 4 mm


    Oprócz doskonałych parametrów opisanych powyżej, seria układów ADS8900B oferuje także inne zalety. Jedną z nich, jest wbudowany bufor napięcia odniesienia. Stabilne źródło napięcia referencyjnego jest krytycznym elementem toru pomiarowego wykorzystującego przetwornik ADC - napięcie to zapewnia punkt odniesienia dla konwertera i wszelkie odchyłki od założonego napięcia przełożą się na błędy pomiarowe. Na rysunku 3 zaprezentowano różne konfiguracje podłączenia napięcia odniesienia do przetwornika z buforem zewnętrznym lub wbudowanym w ADC.

    Jak zrealizować pomiary Dopplerowskie z wykorzystaniem dyskretnego ADC
    Rys.3. Porównanie konfiguracji bufora napięcia odniesienia - zewnętrzny vs. wewnętrzny.


    Podczas konwersji sygnału na domenę cyfrową, przetwornik SAR pobiera prąd ze źródła napięcia odniesienia - ładuje ono wewnętrzną pojemność z której napięcie porównywane jest z napięciem na wejściu układu. Jeśli źródło napięcia odniesienia nie będzie miało dostatecznie dużej wydajności prądowej, to obserwowany może być spadek napięcia podczas ładowania pojemności ADC. Zadbać należy koniecznie, aby napięcie referencyjne na wejściu do ADC miało odpowiednio małą impedancję - czy to wykorzystując zewnętrzny czy wewnętrzny bufor w postaci np. wtórnika napięciowego. Zapewni to precyzyjny pomiar napięcia przez ADC.

    Integracja bufora napięcia odniesienia w przetworniku ma ogromną zaletę, że pozwala na skonstruowanie prostszego i mniejszego układu. System, dzięki zwiększeniu stopnia integracji, zajmuje mniej miejsca na płytce drukowanej, co jest krytyczne w aplikacjach przenośnych czy wielokanałowych. W tych ostatnich systemach jest to także o tyle wygodne, że umożliwia wykorzystanie tylko pojedynczego stabilizatora napięcia odniesienia dla wielu ADC w systemie. Zmniejsza to nie tylko wielkość PCB, ale także koszt całego systemu. Dodatkową zaletą wbudowanego buforu, jest fakt, że układ ten jest idealnie dopasowany do współpracy z danym, konkretnym modelem ADC, zapewniając najlepszą możliwą pracę przetwornika.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2017/03/24/how-to-enable-high-accuracy-cw-doppler-through-discrete-precision-data-converters


    Fajne!
TME logo Szukaj w ofercie
Zamknij 
Wyszukaj w ofercie 200 tys. produktów TME
TME Logo