通(tong)過(guo)發(fa)射(she)超(chao)聲(sheng)能(neng)量(liang)進(jin)入(ru)人(ren)體(ti)

，接(jie)收(shou)並(bing)處(chu)理(li)返(fan)回(hui)的(de)反(fan)射(she)信(xin)號(hao)，相(xiang)控(kong)陣(zhen)超(chao)聲(sheng)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)生(sheng)成(cheng)體(ti)內(nei)器(qi)官(guan)和(he)結(jie)構(gou)的(de)圖(tu)像(xiang)，映(ying)射(she)血(xue)液(ye)流(liu)動(dong)和(he)組(zu)織(zhi)運(yun)動(dong)
，同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)高(gao)準(zhun)確(que)度(du)的(de)血(xue)流(liu)速(su)度(du)信(xin)息(xi)。傳(chuan)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)，構(gou)建(jian)這(zhe)樣(yang)的(de)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)相(xiang)控(kong)陣(zhen)發(fa)射(she)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)
，使(shi)得(de)車(che)載(zai)設(she)備(bei)體(ti)積(ji)龐(pang)大(da)且(qie)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)。近(jin)年(nian)來(lai)，隨(sui)著(zhe)集(ji)成(cheng)工(gong)藝(yi)的(de)進(jin)步(bu)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)獲(huo)得(de)小(xiao)尺(chi)寸(cun)、dichengbenerqiegaodubianxiedechengxiangxitongfangan

，bingkedadaojiejindaxingchengxiangshebeidexingnengzhibiao。erxindeshejitiaozhanyirancunzai，jizaijinyibutigaofanganjichengdudetongshitigaoxitongxingnenghezhenduannengli。

 

 

成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)的(de)關(guan)鍵(jian)器(qi)件(jian)是(shi)超(chao)聲(sheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)。典(dian)型(xing)的(de)超(chao)聲(sheng)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)各(ge)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)支(zhi)持(chi)特(te)定(ding)的(de)診(zhen)斷(duan)要(yao)求(qiu)。每(mei)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)一(yi)組(zu)壓(ya)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)單(dan)元(yuan)陣(zhen)列(lie)構(gou)成(cheng)，它(ta)們(men)集(ji)中(zhong)能(neng)量(liang)並(bing)發(fa)射(she)到(dao)人(ren)體(ti)內(nei)部(bu)
，然(ran)後(hou)接(jie)收(shou)相(xiang)應(ying)的(de)反(fan)射(she)信(xin)號(hao)。每(mei)個(ge)單(dan)元(yuan)通(tong)過(guo)纖(xian)細(xi)的(de)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)連(lian)接(jie)到(dao)超(chao)聲(sheng)係(xi)統(tong)。通(tong)常(chang)，傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)32至512個單元構成，工作頻率為1MHz至15MHz。多數超聲係統提供兩個至四個傳感器轉換接口，臨床醫生可根據不同的檢測類型方便地更換傳感器。

 

 

典型的相控陣超聲係統配備了32至256個ge發fa射she器qi和he接jie收shou器qi。多duo數shu情qing況kuang下xia，係xi統tong配pei備bei的de發fa射she器qi和he接jie收shou器qi的de數shu量liang少shao於yu傳chuan感gan器qi單dan元yuan的de數shu量liang。這zhe些xie情qing況kuang下xia，需xu要yao在zai傳chuan感gan器qi或huo係xi統tong中zhong安an裝zhuang高gao壓ya開kai關guan，用yong於yu信xin號hao複fu用yong，開kai關guan連lian接jie在zai特te定ding的de傳chuan感gan器qi單dan元yuan和he發fa送song器qi/接收器(Tx/Rx)對之間。由此
，係統能夠在所提供的傳感器陣列中動態改變有效的傳感器孔徑。

 

成像係統對高壓開關的要求主要包括幾個方麵：必須能夠承受電壓擺幅高達200VP-P且峰值電流高達2A的發射脈衝；開關必須能夠迅速切換
，以快速調整有效孔徑、滿足圖像幀率的要求；最後
，這些開關還必須具有極小的電荷注入，從而避免雜散傳輸以及相關的虛假圖像。

 

超聲成像係統功能框圖。

 

 

數shu字zi發fa射she波bo束shu成cheng形xing器qi用yong於yu產chan生sheng所suo要yao求qiu的de數shu字zi發fa射she信xin號hao，以yi正zheng確que的de時shi間jian和he相xiang位wei生sheng成cheng聚ju焦jiao發fa射she信xin號hao。高gao性xing能neng超chao聲sheng係xi統tong可ke通tong過guo任ren意yi波bo形xing發fa生sheng器qi產chan生sheng複fu雜za的de發fa射she波bo形xing
，從cong而er優you化hua圖tu像xiang質zhi量liang。這zhe些xie情qing況kuang下xia

，發fa射she波bo束shu成cheng形xing器qi以yi大da約yue40MHz速率生成8位至10位數字字符，並以此產生所要求的發射波形。數/模轉換器(DAC)將數字波形轉換成模擬信號，通過線性高壓放大器進行放大，用於驅動傳感器單元。由於這種發射技術占用較大體積，而且價格昂貴、xuyaoxiaohaojiaogaonengliang，suoyi，zhezhongjiagouzhixianyuangguidefeibianxieshebei。duoshuchaoshengxitongbingbushiyongzhezhongfasheboshuchengxingjishu
，ershicaiyongduojigaoyamaichongfashengqichanshengxuyaofashedexinhao。zaizhezhongtidaifanganzhong，liyonggaojichengdu、高gao壓ya脈mai衝chong發fa生sheng器qi快kuai速su切qie換huan傳chuan感gan器qi單dan元yuan至zhi適shi當dang的de可ke編bian程cheng高gao壓ya電dian源yuan
，產chan生sheng發fa射she波bo形xing。為wei了le產chan生sheng一yi個ge簡jian單dan的de兩liang極ji發fa射she波bo形xing
，脈mai衝chong發fa生sheng器qi需xu要yao交jiao替ti地di將jiang傳chuan感gan器qi單dan元yuan切qie換huan到dao由you數shu字zi波bo束shu成cheng形xing器qi控kong製zhi的de正zheng、負發射電壓。更複雜的設計可以讓傳感器單元切換至多路電源和地
，從而產生更複雜、性能更好的多重波形。

 

近jin幾ji年nian
，隨sui著zhe二er次ci諧xie波bo成cheng像xiang的de廣guang泛fan應ying用yong
，高gao壓ya脈mai衝chong發fa生sheng器qi對dui於yu斜xie率lv和he對dui稱cheng性xing的de要yao求qiu越yue來lai越yue高gao。二er次ci諧xie波bo成cheng像xiang利li用yong了le人ren體ti的de非fei線xian性xing聲sheng學xue特te性xing。這zhe些xie非fei線xian性xing特te性xing傾qing向xiang於yu將jiang頻pin率lvfo的聲能轉變成2fo頻率。多種原因使得接收二次諧波信號能夠獲得更高的圖像質量，因此
，二次諧波成像得到了廣泛應用。

 

 

二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)成(cheng)像(xiang)有(you)兩(liang)種(zhong)基(ji)本(ben)的(de)實(shi)現(xian)方(fang)法(fa)。一(yi)種(zhong)稱(cheng)為(wei)標(biao)準(zhun)諧(xie)波(bo)成(cheng)像(xiang)
，盡(jin)可(ke)能(neng)抑(yi)製(zhi)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)的(de)二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)，從(cong)而(er)使(shi)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)主(zhu)要(yao)源(yuan)於(yu)人(ren)體(ti)的(de)非(fei)線(xian)性(xing)。這(zhe)種(zhong)模(mo)式(shi)要(yao)求(qiu)二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)的(de)發(fa)射(she)能(neng)量(liang)至(zhi)少(shao)低(di)於(yu)基(ji)波(bo)能(neng)量(liang)50dB。所以
，發射脈衝的占空比要求是準確的50%且誤差小於±0.2%。lingyizhongfangfachengweimaichongfanxiang，liyongfanxianghoudefashemaichongchanshengtongyituxianglujingdexiangweixiangfandelianglujieshouxinhao。zaijieshouqizhongduizhelianglufanxiangjieshouxinhaoqiuhe，huifuyouyurentifeixianxingchanshengdexieboxinhao。zhezhongmaichongfanxiangdefangfabixuzaidiejiashijinkenengdixiaofashemaichongdefanxiangchengfen。suoyi
，gaoyamaichongfashengqideshangshengshijianhexiajiangshijianbixuyangeyizhi。

 

 

超聲成像通道的接收機用於檢測二維(2D)信號以及彩超流體成像所需的脈衝多普勒(PWD)信號和頻譜PWD。接收機包括Tx/Rx開關

、低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和模/數轉換器(ADC)。

 

 

Tx/Rx開kai關guan可ke以yi保bao護hu低di噪zao聲sheng放fang大da器qi免mian受shou高gao壓ya發fa射she脈mai衝chong的de影ying響xiang，同tong時shi在zai接jie收shou間jian歇xie期qi間jian隔ge離li低di噪zao聲sheng放fang大da器qi輸shu入ru和he發fa射she機ji。該gai開kai關guan一yi般ban采cai用yong一yi組zu正zheng確que偏pian置zhi的de二er極ji管guan陣zhen列lie實shi現xian，當dang有you高gao壓ya發fa射she脈mai衝chong出chu現xian時shi，它ta們men會hui自zi動dong閉bi合he或huo斷duan開kai。Tx/Rx開kai關guan必bi須xu具ju備bei很hen快kuai的de恢hui複fu時shi間jian

，以yi保bao證zheng接jie收shou機ji在zai發fa射she一yi個ge脈mai衝chong後hou能neng夠gou立li刻ke開kai啟qi。這zhe些xie快kuai速su恢hui複fu時shi間jian對dui於yu淺qian埋mai成cheng像xiang和he提ti供gong低di導dao通tong電dian阻zu確que保bao接jie收shou靈ling敏min度du至zhi關guan重zhong要yao。

 

 

接收機中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對於設計合理的接收機

，LNA將決定整個接收機的噪聲性能。傳感器單元通過較長的同軸電纜連接到相應的低阻抗LNAdeshuruduan。ruguomeiyoushidangdedianlanzhongduanpipei

，dianlandianronghechuanganqidanyuandeyuanzukangjiangdadazhiyuecongkuandaichuanganqijieshouxinhaodedaikuan。chuanganqidianlanpipeizhidizu，youzhuyujiangdizheyilvbodeyingxiang，youxiaotigaotuxiangzhiliang。buxingdeshi，zhezhongduanjieyejiangdileLNA的輸入信號
，因而降低接收靈敏度。由此可見
，為LNA提供有源輸入端接非常重要
，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。

 

 

 

VGA有時也稱為時間增益控製(TGC)放大器，能夠在整個接收周期內為接收機提供足夠的動態範圍。超聲信號在體內大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發射一個超聲脈衝後
，可立即在LNA輸入接收到高達0.5VP-P的回波信號
，該信號會快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號所要求的動態範圍約為100dB至110dB，超出了實際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號轉換成與ADC量程相當的信號幅度。典型應用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時間調整(即“時間增益控製”)，實現所要求的動態範圍。

 

超聲接收機的瞬態動態範圍也很關鍵，它會影響2D圖像的質量和係統檢測多普勒偏移(血液或組織的運動)的(de)能(neng)力(li)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)成(cheng)像(xiang)係(xi)統(tong)中(zhong)，感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)信(xin)號(hao)明(ming)顯(xian)低(di)於(yu)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)的(de)基(ji)波(bo)。對(dui)於(yu)小(xiao)的(de)多(duo)普(pu)勒(le)信(xin)號(hao)同(tong)樣(yang)如(ru)此(ci)，多(duo)普(pu)勒(le)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)可(ke)能(neng)在(zai)1kHz以內，幅度遠遠低於組織或血管壁的反射信號。因此，需要特別關注可變增益放大器的帶寬和近載波SNR，這些參數通常是製約接收機性能的關鍵。

 

 

抗混疊濾波器AAF置於接收通道，用於濾除高頻噪聲和超出正常最大成像頻率範圍的信號
，防止這些信號通過ADC轉換混疊至基帶。設計中大多采用可調節的AAF，為(wei)了(le)抑(yi)製(zhi)混(hun)疊(die)並(bing)保(bao)證(zheng)信(xin)號(hao)的(de)時(shi)域(yu)響(xiang)應(ying)，濾(lv)波(bo)器(qi)需(xu)要(yao)對(dui)第(di)一(yi)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)頻(pin)率(lv)以(yi)外(wai)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)衰(shuai)減(jian)。因(yin)此(ci)
，常(chang)常(chang)使(shi)用(yong)巴(ba)特(te)沃(wo)斯(si)濾(lv)波(bo)器(qi)或(huo)更(geng)高(gao)階(jie)的(de)貝(bei)塞(sai)爾(er)濾(lv)波(bo)器(qi)。

 

典型應用中采用12位ADC，采樣率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的瞬態動態響應範圍，同時具有適當的成本和功耗。在設計得當的接收器中，ADC會限製接收通道的瞬態SNR。如上所述
，性能差的VGA會限製整個接收通道的SNR指標。

 

 

ADC的輸出信號通過高速LVDS串口傳輸給數字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了PCB的設計複雜度和接口引腳數。波束成形器內置上變頻低通濾波器或帶通數字濾波器，這些濾波器把有效采樣速率提高4倍bei，提ti高gao了le係xi統tong波bo束shu成cheng形xing的de精jing度du。上shang變bian頻pin信xin號hao存cun儲chu在zai內nei存cun中zhong，經jing過guo適shi當dang的de延yan時shi，通tong過guo延yan遲chi係xi數shu加jia法fa器qi進jin行xing疊die加jia，得de到dao合he適shi的de焦jiao點dian。信xin號hao還hai進jin行xing適shi當dang的de加jia權quan或huo“變跡”，在疊加之前進行變跡，可以調節接收孔徑，降低旁瓣對接收波束的影響
，提高圖像質量。

 

 

接收到的波束成形數字超聲信號由DSP和基於PC的設備進行處理

，得到視頻和音頻輸出信號。這一過程通常可以劃分為B超或2D圖像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理，多普勒處理又分為脈衝多普勒(PWD)處理和連續波多普勒(CWD)處理。

 

 

B超處理中，RF波束成形數字信號經過濾波和檢波處理。檢測信號具有極寬的動態範圍，B超處理器必須將這些信號進行數字壓縮
，使其達到顯示器規定的動態範圍。

 

彩超流體信號處理

 

在彩超流體信號處理中，RF數字波束成形信號與正交本振信號(LO，頻率為發射頻率)進行混頻，得到I
、Q基帶信號。每個接收通道采集的超聲信號都有對應的幅度和相位。彩超流體信號處理中
，8至16路lu超chao聲sheng信xin號hao集ji中zhong在zai一yi個ge成cheng像xiang通tong道dao
，測ce量liang多duo普pu勒le頻pin移yi。血xue液ye流liu動dong或huo沿yan成cheng像xiang通tong道dao的de組zu織zhi移yi動dong產chan生sheng的de反fan射she信xin號hao具ju有you一yi定ding的de多duo普pu勒le頻pin移yi，從cong而er改gai變bian了leI/Q基帶采樣信號的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的8至16路超聲信號的平均相移和時間關係。處理器還用彩色表示平均流速。通過這種方法
，實現了血液或人體組織移動的二維造影成像。

 

 

頻譜處理中
，波束成形數字信號經過數字濾波，並通過正交本振信號(LO，頻率為發射頻率)混頻至基帶信號，然後以發射脈衝重複頻率(PRF)進行采樣。利用複雜的快速傅裏葉變換(FFT)獲得多普勒頻譜，以重現接收信號的速度信息。FFT輸(shu)出(chu)的(de)每(mei)個(ge)二(er)進(jin)製(zhi)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)經(jing)過(guo)計(ji)算(suan)和(he)壓(ya)縮(suo)，使(shi)其(qi)達(da)到(dao)顯(xian)示(shi)圖(tu)像(xiang)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)。最(zui)終(zhong)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)作(zuo)為(wei)時(shi)間(jian)函(han)數(shu)，顯(xian)示(shi)在(zai)超(chao)聲(sheng)設(she)備(bei)的(de)顯(xian)示(shi)屏(ping)上(shang)。

 

在連續波多普勒(CWD)成像係統中，信號處理的過程基本相同。除了處理這些顯示信號外，頻譜處理器還產生左、右聲道的立體聲音頻信號，表示正向和負向運動。DAC對這些信號進行轉換，驅動外部揚聲器和耳機。

 

 

顯示處理器進行必要的計算，繪製極坐標圖。B超中的聲音、圖像數據或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號。這一過程通常稱為R-θ變換
，顯示處理器還提供空間圖像增強功能。

 

 

多數的心髒檢查和一些通用的超聲成像係統中，常常使用連續波多普勒CWD以確保精確測量心髒內高速流動的血液。CWD模式下

，超聲傳感器單元以傳感器孔徑為中心分割成對等的兩部分。一半單元用於發射
，產生CWD聚焦波束；另一半單元用於接收，產生聚焦的接收波束。發射單元的驅動波形為多普勒頻率的方波，頻率範圍通常為1MHz至7.5MHz。fasheboxingdedoudongbixuzugouxiao，yifangzhixiangweizaoshengduiduopulepinyijiancedeyingxiang。tongguozhengquetiaozhengfasheboxingdexiangwei，shixianfasheboshujujiao。leisidi，tongguozhengquetiaozhengjieshouboxingdexiangweibingjinxingdiejia
，shixianCWDjieshouxinhaojujiao。zaicimoshixia
，fashehejieshoutongshijinxing
，youyongdeduopulexinhaopinlvhebuyidongderentizuzhizaifashejibopinlvxiachanshengdeqiangfanshexinhaodepinlvxiangchazhiyoujikHz。處理如此大的信號所需要的動態範圍已經超出了圖像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的範圍。因此，CWD必須使用其它高動態範圍接收解決方案。

 

CWD接收機通常使用兩種方法處理CWD信號。第一種方法是高性能超聲係統在LNA輸出端提取接收到的CWD信號。本振頻率等於發送頻率的混頻器對信號進行波束成形
，再混頻至基帶進行處理。I/Q本振信號可以逐通道調整相位，對接收到的CWD信號相位進行偏移。混頻器輸出相疊加，經帶通濾波器

，最後進入ADC進行采樣。采樣得到的基帶波束信號處於音頻範圍(100Hz至50kHz)
，采用工作在音頻頻率範圍的ADC對I和Q CWD信號進行數字化。這些ADC需要出色的動態範圍，以便處理運動組織產生的較大的低頻多普勒信號和血液產生的微弱信號。

 

另一種方法是使用延遲線接收CWD信號，該方法常用於低成本設備。在此方法中
，信號還是從LNA輸出提取

，然後轉化成電流信號。通過一個交叉開關對相同相位的通道進行疊加，產生8至16路獨立輸出，具體由接收波束成形器決定。延遲線產生延遲，並將這些信號求和構成一路波束成形RF信號
，然後利用一個本振頻率等於發送頻率的I/Q混頻器將信號混頻至基帶
，然後將基帶音頻信號濾波後，轉換至數字形式。

 

本文來源於Maxim。