超聲技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和應(yīng)用

超聲波（Ultrasound）是指頻率高于兩萬赫茲的聲波，在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域均有具體應(yīng)用。隨著醫(yī)療技術(shù)的進步和設(shè)備的不斷更新，超聲已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可或缺的應(yīng)用技術(shù)。醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備主要利用超聲波對于人體不同部位反饋產(chǎn)生的信號或能量屬性，對于人體的異常狀態(tài)或疾病進行診斷或治療。

目前，醫(yī)學(xué)超聲應(yīng)用最多的領(lǐng)域就是利用超聲技術(shù)進行診斷，主要通過超聲聲束掃描人體部位成像，即通過對反射信號的接收、處理，以獲得體內(nèi)器官的圖像。隨著醫(yī)療超聲設(shè)備探頭的實時移動獲得患者體內(nèi)器官的具體圖像，可提供淺表、腹部、心臟、婦產(chǎn)、泌尿、肌骨等全方位掃查，是軟組織檢查的常見診斷方法。

超聲的技術(shù)趨勢

數(shù)字化和小型化是目前醫(yī)學(xué)超聲的主要發(fā)展趨勢之一。傳統(tǒng)的推車式、大探頭超聲設(shè)備體積巨大且價格昂貴，而現(xiàn)在市場中的小型化超聲設(shè)備經(jīng)過更新發(fā)展，在保證圖像清晰和高分辨率的同時，不僅功能更完善、探頭也更多樣化。這些新型的小型設(shè)備能更好的滿足醫(yī)院臨床科室、基層醫(yī)療市場、院外災(zāi)害急救等多種場景的需求，降低醫(yī)療工作者的工作難度。

國內(nèi)外有不少廠商都在推進上述趨勢，其中有一些技術(shù)更是行業(yè)內(nèi)普遍有感知的，比如可以放到設(shè)備探頭中的子波束形成器（Sub Beamformer），對溫度敏感且要求極低功耗的超低功耗（Ultralow Power），以及目前業(yè)內(nèi)普遍感興趣的無線連接（Wireless Connection）。

除此之外，醫(yī)學(xué)超聲的另一個發(fā)展方向就是高性能，這也是目前全球醫(yī)學(xué)超聲共同的努力方向。從大范圍來說，近些年國內(nèi)的廠商在這個方向上正在逐步和國際廠商接軌，但在心臟科等主要關(guān)鍵領(lǐng)域依然和國際頂級的應(yīng)用有差距，比如更高的圖像質(zhì)量、更全面的功能以及更好流程等。

從技術(shù)角度來說，更高的圖像質(zhì)量就意味著更低的噪聲、更高的信噪比（SNR），而更高的信噪比又對通道數(shù)提出了更高的要求，從以前的32、64通道到現(xiàn)在的128甚至256通道。近十年來整個接收端的模擬性能并沒有太大提升，雖然通過線性發(fā)射和增加通道數(shù)可以帶來一定的效果，但與此同時多波數(shù)也意味著波束形成器的數(shù)據(jù)量越來越大，所以Software Beamformer也是追求高性能的一個趨勢。

ADI 的醫(yī)療超聲解決方案

在醫(yī)療超聲整個行業(yè)中，ADI能提供低噪聲、低功耗模擬前端、精密放大器、轉(zhuǎn)換器以及電源等解決方案，在業(yè)內(nèi)擁有較高的知名度。從下面超聲整體解決方案的架構(gòu)圖中可以看到，除去探頭（Transducer）和FPGA的波束形成器（Beamformer）等這類非芯片廠商產(chǎn)品，ADI的產(chǎn)品幾乎涵蓋了包括發(fā)射鏈路、接收鏈路等在內(nèi)的整個超聲系統(tǒng)。下面將依次從發(fā)射鏈路、接收鏈路、時鐘以及電源管理幾個方面來介紹一下ADI的相關(guān)代表產(chǎn)品和解決方案。發(fā)射部分目前市面上有兩種方法：第一種是Pulser + Beamformer的方式，第二種就是上面提到的線性發(fā)射。兩者架構(gòu)不同，前者主要是用于產(chǎn)生一個高壓的脈沖來驅(qū)動探頭，后者的架構(gòu)是在DAC + Beamforme的基礎(chǔ)上還加了一個高壓放大器。

與ADI合作了三十多年的技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健多年來基于ADI產(chǎn)品和解決方案組合，打造了多個貼近客戶應(yīng)用需求的解決方案并獲得了市場的認(rèn)可。針對發(fā)射鏈路的兩種方式，世健結(jié)合當(dāng)前市場重點推薦MAX14815和AD9106。

MAX14815是一款高度集成的八通道5級高壓超聲波發(fā)射器（脈沖發(fā)生器）。脈沖發(fā)生器生成高頻高壓的雙極脈沖用于通過兩對獨立的高壓電源驅(qū)動超聲系統(tǒng)中的壓電式傳感器。每個通道可以傳輸高達200Vpp，具有高達2A電流能力，并集成2A有源鉗位（歸零）?？?a target="_blank">編程電流能力低至0.4A。

該發(fā)射器可用于控制脈沖發(fā)生器的嵌入式數(shù)字資源（SRAM和狀態(tài)機）支持發(fā)射波束形成，從而大幅減少互連數(shù)量和FPGA I/O數(shù)量。嵌入式數(shù)字資源通過高速串行接口進行編程，并支持復(fù)雜的發(fā)射技術(shù)，例如用于突發(fā)整形的PWM技術(shù)和用于波束整形的變跡技術(shù)。

MAX14815還集成了八路獨立的低噪聲、低阻抗有源T/R開關(guān)。T/R開關(guān)可以在外部配置為支持接收多路復(fù)用，其中使用的接收通道數(shù)量少于發(fā)送通道數(shù)量。該器件也可以由外部數(shù)字源（FPGA）通過傳統(tǒng)的專用CMOS邏輯輸入來控制。除超聲醫(yī)學(xué)成像外，該產(chǎn)品還用于高壓傳感器MEMS驅(qū)動器、超聲波工業(yè)應(yīng)用（NDT）等，可簡化便攜式超聲系統(tǒng)設(shè)計并節(jié)省功耗。AD9106 TxDAC和波形發(fā)生器是高性能四通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），是一個12位輸出、最高180 MHz的主機時鐘正弦波發(fā)生器，帶24位調(diào)諧字，支持10.8 Hz/LSB的頻率分辨率，集成片上模式存儲器，用于復(fù)雜波形生成，具有直接數(shù)字頻率合成器（DDS）。

該波形發(fā)生器具有針對全部四個DAC的單路頻率輸出，內(nèi)置模式控制狀態(tài)機允許用戶對全部四個DAC的模式周期以及每個DAC通道信號輸出的周期內(nèi)起始延遲進行編程。SRAM數(shù)據(jù)可包含直接生成的存儲波形、施加于DDS輸出或DDS頻率調(diào)諧字的幅度調(diào)制模式。

AD9106提供出色的交流和直流性能，并支持高達180 MSPS的DAC采樣率。其SPI接口用于配置數(shù)字波形發(fā)生器，并將模式載入SRAM，在數(shù)字信號傳送至四個DAC的過程中對信號進行增益調(diào)節(jié)和失調(diào)調(diào)節(jié)。該器件具有靈活的工作電源范圍（1.8 V至3.3 V）和低功耗，非常適合便攜式和低功耗應(yīng)用。對于ADI接收鏈路的產(chǎn)品，世健結(jié)合當(dāng)前市場重點推薦專用于支持醫(yī)療超聲應(yīng)用的AD9671，針對低成本、低功耗、小尺寸及易用性而設(shè)計。它內(nèi)置8通道的可變增益放大器(VGA)、低噪聲前置放大器(LNA)、具有可編程相位旋轉(zhuǎn)功能的CW諧波抑制I/Q解調(diào)器、抗混疊濾波器（AAF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及用于處理數(shù)據(jù)和降低帶寬的數(shù)字解調(diào)器和抽取器。

該集成數(shù)字解調(diào)器的每個通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信號路徑以及有源輸入前置放大器終端，通道專門針對高動態(tài)范圍與低功耗而優(yōu)化設(shè)計，適合要求小尺寸封裝的應(yīng)用。此外LNA具有單端轉(zhuǎn)差分增益，可以通過SPI進行選擇。CW多普勒模式下，各LNA輸出端驅(qū)動一個I/Q解調(diào)器，各解調(diào)器具有獨立可編程的相位旋轉(zhuǎn)和16種相位設(shè)置。

AD9671各通道可單獨進入省電模式，從而延長便攜式應(yīng)用的電池使用時間，利用待機模式可以快速上電以便開機重啟。以CW多普勒模式工作時，VGA、AAF和ADC均進入省電模式。ADC內(nèi)置多種功能特性，例如可編程時鐘、數(shù)據(jù)對準(zhǔn)、生成可編程數(shù)字測試碼等，可使器件的靈活性達到較佳、系統(tǒng)成本降至較低。AD9528是世健結(jié)合當(dāng)前市場重點推薦的ADI時鐘產(chǎn)品。它是一款雙級PLL、集成JESD204B/JESD204C的SYSREF發(fā)生器，可用于多器件同步。第一級鎖相環(huán)（PLL）?（PLL1）通過減少系統(tǒng)時鐘的抖動，從而實現(xiàn)輸入基準(zhǔn)電壓調(diào)理。第二級PLL（PLL2）提供高頻時鐘，可實現(xiàn)來自時鐘輸出驅(qū)動器的較低積分抖動以及較低寬帶噪聲。

外部VCXO提供PLL2所需的低噪聲基準(zhǔn)電壓，以滿足苛刻的相位噪聲和抖動要求，實現(xiàn)可以接受的性能。片內(nèi)VCO的調(diào)諧頻率范圍為3.450 GHz至4.025 GHz。集成的SYSREF發(fā)生器輸出單次、N次或連續(xù)信號，并與PLL1和PLL2輸出同步，以便對齊多個器件的時間。

AD9528產(chǎn)生最高頻率分別為1.25 GHz和1 GHz的六路和八路輸出，每一路輸出均可配置為直接從PLL1、PLL2或內(nèi)部SYSREF發(fā)生器輸出，14路輸出通道的每一路都包含一個帶數(shù)字相位粗調(diào)功能的分頻器，以及一個模擬微調(diào)相位延遲模塊，允許全部14路輸出具有時序?qū)R的高度靈活性。還可用作靈活的雙通道輸入緩沖器，以便實現(xiàn)14路器件時鐘和SYSREF信號的分配。最后，關(guān)于電源管理，世健推薦一款四通道40VIN、3A降壓型Silent Switcher μModule穩(wěn)壓器LTM8060。Silent Switcher架構(gòu)可將EMI降至最低，同時在高達3MHz的頻率下實現(xiàn)高效率運行。封裝中內(nèi)置控制器、功率開關(guān)、電感和其他相關(guān)元件。

LTM8060支持寬輸入電壓范圍，0.8V至8V的輸出電壓范圍，以及200kHz至3MHz的開關(guān)頻率范圍，各范圍分別通過單個電阻進行設(shè)置。只需使用輸入和輸出濾波器體電容就可以完成設(shè)計；還可配置輸出陣列，可以通過陣列并聯(lián)輸出實現(xiàn)高達12A的電流能力。綜上所述，世健認(rèn)為，ADI公司的創(chuàng)新技術(shù)和系統(tǒng)專業(yè)知識正在幫助塑造醫(yī)療健康行業(yè)的未來，其產(chǎn)品和解決方案在醫(yī)療超聲領(lǐng)域把握小型化、數(shù)字化以及高性能發(fā)展趨勢的同時，也為市場未來的技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)，能幫助市場更好地迎接各類挑戰(zhàn)。