前端組件選擇在超聲系統(tǒng)是重要的考慮因素

簡介

在設(shè)計超聲波前端電路時需要考慮一些主要的權(quán)衡因素。前端電路組件中的性能參數(shù)會影響診斷性能 - 相反，系統(tǒng)配置和目標(biāo)會影響組件的選擇。

設(shè)計人員必須了解特別重要的規(guī)范及其影響關(guān)于系統(tǒng)性能，以及它們?nèi)绾问艿?a target="_blank">集成電路（IC）設(shè)計權(quán)衡的影響 - 在集成和半導(dǎo)體工藝技術(shù)方面 - 這將限制用戶的設(shè)計選擇。了解這些考慮因素將有助于設(shè)計人員實(shí)現(xiàn)最有利的系統(tǒng)分區(qū)。我們從高級系統(tǒng)概述開始，然后更詳細(xì)地描述超聲系統(tǒng)的工作原理。

系統(tǒng)介紹

醫(yī)用超聲波機(jī)器是最復(fù)雜的信號處理機(jī)器之一今天用。與任何復(fù)雜的機(jī)器一樣，由于性能要求，物理和成本的原因，在實(shí)現(xiàn)中存在許多權(quán)衡。為了充分了解所需的前端IC功能和性能水平，有必要進(jìn)行一些系統(tǒng)級的理解，特別是對于：低噪聲放大器（LNA）;時間增益補(bǔ)償放大器（TGC）;和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

在超聲波前端以及許多其他復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，這些模擬信號處理組件是決定整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。前端組件特性定義了系統(tǒng)性能的限制;一旦引入噪聲和失真，幾乎不可能將它們移除。當(dāng)然，這是任何接收信號處理鏈中的一般問題，無論是超聲波還是無線。

有趣的是，超聲波基本上是雷達(dá)或聲納系統(tǒng)，但它的運(yùn)行速度很快與數(shù)量不同的數(shù)量級。典型的超聲系統(tǒng)在概念上與商用和軍用飛機(jī)上以及軍用船上的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)幾乎相同。雷達(dá)工作在GHz范圍內(nèi)，聲納范圍為kHz，超聲波工作在MHz范圍內(nèi)。超聲設(shè)計者采用并擴(kuò)展了使用相控陣的轉(zhuǎn)向光束原理，這是由雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計者提出的。今天，這些系統(tǒng)涉及一些最復(fù)雜的信號處理設(shè)備。

圖1顯示了超聲系統(tǒng)的簡化圖。在所有這樣的系統(tǒng)中，在相對長（約2米）的電纜的末端存在多元件換能器。該電纜包含48至256根微同軸電纜，是該系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。在大多數(shù)系統(tǒng)中，幾個不同的傳感器探頭（也稱為手柄 - 手柄是包含傳感器元件并通過電纜連接到系統(tǒng)的裝置）可以連接到系統(tǒng)，允許操作員選擇合適的傳感器用于最佳成像。手柄通過高壓（HV）繼電器選擇，這為電纜增加了大的寄生電容。

HV復(fù)用器/解復(fù)用器用于某些陣列，以降低發(fā)送和接收硬件的復(fù)雜性，但代價是靈活性。最靈活的系統(tǒng)是相控陣數(shù)字波束形成器系統(tǒng) - 由于需要對所有通道進(jìn)行全電子控制，它們也往往是成本最高的系統(tǒng)。然而，今天最先進(jìn)的前端IC，如AD8332可變增益放大器（VGA）和AD9238 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）正在不斷降低每通道成本因此，即使在中低成本系統(tǒng)中，也正在引入所有元件的全電子控制。

在發(fā)送（Tx）側(cè)，Tx波束形成器確定設(shè)置所需的延遲模式和脈沖序列。傳輸焦點(diǎn)。然后，通過驅(qū)動換能器的高壓發(fā)射放大器放大波束形成器的輸出。這些放大器可以由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）控制，以對發(fā)射脈沖進(jìn)行整形，以便更好地將能量傳遞到換能器元件。通常，使用多個發(fā)射聚焦區(qū)域（區(qū)域） - 即，通過將發(fā)射能量聚焦在身體中逐漸更深的點(diǎn)處來加深要成像的場。多個區(qū)域的主要原因是，對于身體較深的點(diǎn)，發(fā)射能量需要更大，因?yàn)樾盘栐谶M(jìn)入體內(nèi)時會衰減（并且當(dāng)它返回時）。

On在接收（Rx）側(cè)，有一個T / R開關(guān)，通常是一個二極管橋，它阻止高壓Tx脈沖。接下來是低噪聲放大器（LNA）和一個或多個可變增益放大器（VGA），它們實(shí)現(xiàn)時間增益補(bǔ)償（TGC），有時還有變跡（空間“窗口”以減少波束中的旁瓣）功能。時間增益控制 - 為身體較深處的信號提供增加的增益（因此隨后到達(dá)） - 受操作員控制并用于保持圖像均勻性。

放大后，執(zhí)行波束成形，以模擬（ABF）或數(shù)字（DBF）形式實(shí)現(xiàn)。除了連續(xù)波（CW）多普勒處理之外，它在現(xiàn)代系統(tǒng)中主要是數(shù)字的，其動態(tài)范圍仍然太大而不能通過與圖像相同的通道進(jìn)行處理。最后，處理Rx光束以顯示灰度圖像，2-D圖像上的彩色流疊加和/或多普勒輸出。

超聲系統(tǒng)挑戰(zhàn)

要充分了解超聲波的挑戰(zhàn)及其對前端組件的影響，重要的是要記住這種成像模式正在努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。首先，它應(yīng)該準(zhǔn)確地表示人體的內(nèi)部器官，其次，通過多普勒信號處理，它確定體內(nèi)的運(yùn)動（例如，血流）。根據(jù)這些信息，醫(yī)生可以對心臟瓣膜或血管的正確功能做出結(jié)論。

采集模式

有三種主要的超聲波采集模式：B模式（灰色） - 成像; 2D）; F模式（彩色血流或多普勒成像;血流）;和D模式（頻譜多普勒）。 B模式創(chuàng)造了傳統(tǒng)的灰度圖像; F模式是B模式顯示器上的彩色覆蓋圖，顯示血流量; D模式是多普勒顯示，可能顯示血流速度及其頻率。 （還有一個M模式，它顯示一個B模式時間線。）

醫(yī)療超聲的工作頻率在1 MHz至40 MHz范圍內(nèi)，外部成像機(jī)通常使用1 MHz至15 MHz的頻率，而靜脈心血管機(jī)使用的頻率高達(dá)40 MHz。原則上更高的頻率是更理想的，因?yàn)樗鼈兲峁└叩姆直媛?- 但是組織衰減限制了對于給定的穿透距離可以有多高的頻率。然而，由于信號經(jīng)歷約1dB / cm / MHz的衰減，因此不能任意增加超聲頻率以獲得更精細(xì)的分辨率。即，對于10-MHz超聲信號和5cm的穿透深度，往返信號已經(jīng)衰減5 3 2 3 10 = 100 dB！要在任何位置處理大約60 dB的瞬時動態(tài)范圍，所需的動態(tài)范圍將為160 dB（電壓動態(tài)范圍為1億到1）！這種幅度的動態(tài)范圍不能直接實(shí)現(xiàn);因此，必須支付高度復(fù)雜系統(tǒng)的成本并在前端進(jìn)行權(quán)衡 - 無論是穿透深度（由于允許的最大發(fā)射功率而受到安全規(guī)定的限制）還是圖像分辨率（使用較低的超聲頻率）。 / p>

接收信號的大動態(tài)范圍是最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。前端電路必須同時具有非常低的噪聲和大信號處理能力 - 對于在通信需求方面經(jīng)驗(yàn)豐富的任何人來說都是熟悉的。電纜不匹配和損耗直接增加了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。例如，如果特定頻率的電纜損耗為2 dB，則NF降低2 dB。這意味著電纜之后的第一個放大器必須具有比無損電纜所需的噪聲系數(shù)低2 dB的噪聲系數(shù)。解決此問題的一種可能方法是將放大器置于換能器手柄中。但是，存在嚴(yán)重的尺寸和功率限制;此外，對高壓發(fā)射脈沖的保護(hù)需要使這種解決方案難以實(shí)現(xiàn)。

另一個挑戰(zhàn)是換能器元件和主體之間的聲阻抗不匹配。聲阻抗不匹配需要匹配層（類似于電阻抗匹配RF電路）以有效地傳輸能量。這通常包括在手柄中的換能器元件前面的幾個匹配層，接著是透鏡，然后是耦合凝膠。凝膠與身體建立了良好的聲學(xué)接觸 - 因?yàn)榭諝馐且环N非常好的聲學(xué)反射器。

接收電路的另一個重要問題是快速過載恢復(fù)。盡管T / R開關(guān)應(yīng)該保護(hù)接收器免受大脈沖的影響，但這些脈沖中的一小部分泄漏到開關(guān)上足以使前端電路過載。較差的過載恢復(fù)會使接收器“失明”直至其恢復(fù)，直接影響皮膚表面的接近程度。

如何生成超聲圖像-B模式

圖2顯示了如何生成不同的掃描圖像。在所有四次掃描中，具有由矩形限定的掃描線的圖片是圖像的實(shí)際表示，如將在顯示監(jiān)視器上看到的。這里示出了單個換能器的機(jī)械運(yùn)動（在箭頭所示的方向上）以便于理解圖像生成;但是沒有機(jī)械運(yùn)動的線性陣列可以產(chǎn)生相同類型的圖像。在線性掃描的例子中，換能器元件在水平方向上移動;對于每條掃描線（圖像中顯示的線），發(fā)送Tx脈沖并記錄來自不同深度的反射信號并進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換以顯示在視頻顯示器上。在圖像采集期間如何移動單個換能器確定圖像的形狀。這直接轉(zhuǎn)換為線性陣列換能器的形狀，即，對于線性掃描，陣列將是直的，而對于弧掃描，陣列將是凹的。

步驟從機(jī)械單換能器系統(tǒng)到電子系統(tǒng)所需要的也可以通過檢查圖2中的線性掃描來輕松解釋。如果單個換能器元件被分成許多小塊，那么如果一次激勵一個元件并且記錄來自身體的反射，一個也獲得如圖所示的矩形圖像，現(xiàn)在只需要移動換能器元件。由此可以看出，弧掃描可以由具有凹形的線性陣列構(gòu)成;扇形掃描將由具有凸形的線性陣列組成。

盡管上面的例子解釋了B模式超聲圖像生成的基礎(chǔ)知識，但在現(xiàn)代系統(tǒng)中，一次使用多個元素來生成掃描線，因?yàn)樗试S改變系統(tǒng)的孔徑。改變光圈就像改變光學(xué)中焦點(diǎn)的位置一樣 - 它有助于創(chuàng)建更清晰的圖像。圖3顯示了如何對線性陣列和相控陣進(jìn)行此操作;主要區(qū)別在于，在相控陣中，所有元素同時使用，而在線性陣列中，僅使用總陣列元素的子集。使用較少數(shù)量的元件具有節(jié)省電子硬件的優(yōu)點(diǎn);但它增加了對給定視野進(jìn)行成像的時間。相控陣是不同的;因?yàn)樗酿W餅形狀，非常小的換能器可以在遠(yuǎn)場中成像大面積。這就是為什么相控陣換能器是心臟成像等應(yīng)用中的首選換能器，其中必須處理肋骨之間的小空間，通過這些空間需要對更大的心臟進(jìn)行成像。

陣列中的激勵沿掃描線引導(dǎo)，由一組旨在同時到達(dá)焦點(diǎn)的脈沖的延遲分布確定。脈沖（圖3）由陣列上方垂直時間線上的“波浪形”（陰影顏色）表示 - 隨著時間從陣列表面垂直增加。圖3中的線性階梯式陣列將向一組元件（孔徑）提供成形激勵，然后通過添加前導(dǎo)元件并使尾部元件掉落來使孔徑步進(jìn)。在每個步驟中，通過脈沖的同時到達(dá)形成一條掃描線（光束）。在相控陣中，所有傳感器同時處于活動狀態(tài)。在所示的示例中，黑暗線是掃描線，用于對由代表性脈沖圖形產(chǎn)生的反射數(shù)據(jù)進(jìn)行成像。

模擬與數(shù)字波束成形

模擬波束成形（ABF）和數(shù)字在波束成形（DBF）超聲系統(tǒng)中，為每個信道存儲從特定焦點(diǎn)沿波束反射的接收脈沖，然后在時間上對齊，并且相干求和 - 這提供空間處理增益，因?yàn)樾诺赖脑肼暿遣幌嚓P(guān)的。圖像可以形成一系列模擬電平，用模擬延遲線延遲，求和，并在求和（ABF）后轉(zhuǎn)換成數(shù)字 - 或者通過采樣盡可能接近換能器元件的模擬電平進(jìn)行數(shù)字處理，將它們存儲在存儲器（FIFO），然后以數(shù)字方式對它們求和（DBF）。

圖4和5顯示了ABF和DBF系統(tǒng)的基本相應(yīng)框圖。兩種類型的系統(tǒng)都需要完美的通道到通道匹配。請注意，兩種實(shí)現(xiàn)都需要可變增益放大器（VGA），并且將繼續(xù)處于數(shù)字情況，直到具有足夠大動態(tài)范圍的ADC以合理的成本和足夠低的功率提供。請注意，ABF成像系統(tǒng)只需要一個非常高分辨率和高速的ADC，但DBF系統(tǒng)需要許多高速，高分辨率的ADC。有時在ABF系統(tǒng)中使用對數(shù)放大器來壓縮ADC之前的動態(tài)范圍。

動態(tài)范圍

在前端電路中， LNA的本底噪聲決定了接收信號的微弱程度。但同時 - 特別是在CW多普勒信號處理期間 - LNA還必須能夠處理非常大的信號。因此，最大化LNA的動態(tài)范圍至關(guān)重要（通常，由于噪聲限制，不可能在LNA之前實(shí)現(xiàn)任何濾波）。注意，這些相同的條件適用于任何接收器通信應(yīng)用，最靠近天線的電路也不具有大量濾波的優(yōu)點(diǎn);因此，它需要應(yīng)對最大的動態(tài)范圍。

CW多普勒在超聲系統(tǒng)中具有所有信號的最大動態(tài)范圍 - 在CW期間，正弦波連續(xù)傳輸一半的換能器陣列，而另一半正在接收。 Tx信號很有可能泄漏到Rx側(cè);并且還有來自靠近表面的靜止身體部位的強(qiáng)烈反射。這往往會干擾檢查身體深處靜脈中的血流，伴隨著非常微弱的多普勒信號。

在目前的技術(shù)水平下，CW多普勒信號不能通過數(shù)字波束形成（DBF）系統(tǒng)中的主成像（B模式）和PW多普勒（F模式）路徑來處理;因此，圖1中的CW多普勒處理表示模擬波束形成器（ABF）.ABF具有更大的動態(tài)范圍。當(dāng)然，DBF超聲中的“圣杯”是通過DBF鏈處理的所有模式（實(shí)際成本），并且有很多關(guān)于如何到達(dá)那里的研究。

功率

由于超聲波系統(tǒng)需要多個通道，所有前端組件的功耗 - 從T / R開關(guān)，通過LNA，VGA和ADC，到波束形成器的數(shù)字電路 - 非常關(guān)鍵規(guī)范。如上所述，總是需要增加前端動態(tài)范圍，以便最終將所有超聲模式集成到一個波束形成器中 - 這種趨勢將導(dǎo)致增加系統(tǒng)中的功率。然而，相應(yīng)地需要使超聲系統(tǒng)永遠(yuǎn)更小 - 具有降低功率的趨勢。數(shù)字電路中的功率通常隨電源電壓而降低;但對于模擬和混合信號電路來說，這不一定是正確的。此外，考慮到降低的模擬“凈空”傾向于降低動態(tài)范圍這一事實(shí)，電源電壓可以達(dá)到的極低程度將會受到限制，并且仍能達(dá)到所需的動態(tài)范圍。

結(jié)論

我們試圖通過首先解釋這種系統(tǒng)的基本操作，然后指出需要哪些特定的性能參數(shù)來確保最佳系統(tǒng)操作來向這里展示超聲前端IC所需的權(quán)衡。本文的更完整版本 1 可用于提供其他詳細(xì)信息。

1 Brunner，Eberhard，“超聲系統(tǒng)注意事項(xiàng)及其對前端組件的影響”，ADI公司，2002年。