這些技術突破催生了更便攜

、更高效的超聲係統，具有更佳的成像性能和更多的功能。更高的動態範圍、更低的功耗以及更緊湊的係統級IC提供了高質量的圖像，可更好地進行診斷。未來的超聲係統可能是手持式的，並成為醫師的第二個“聽診器”。

 

 

圖1顯示了一個超聲係統信號鏈的簡化框圖。所有超聲係統都在相對較長電纜的末端使用換能器
，電纜長度一般為兩米。此電纜至少包含8個——最多可達256個——微wei型xing同tong軸zhou電dian纜lan，是shi係xi統tong中zhong最zui昂ang貴gui的de部bu件jian之zhi一yi。在zai幾ji乎hu所suo有you係xi統tong中zhong，換huan能neng器qi基ji元yuan都dou直zhi接jie驅qu動dong電dian纜lan。電dian纜lan電dian容rong成cheng為wei換huan能neng器qi基ji元yuan的de負fu載zai，引yin起qi很hen大da的de信xin號hao衰shuai減jian。它ta需xu要yao一yi個ge高gao度du靈ling敏min的de接jie收shou器qi來lai保bao持chi動dong態tai範fan圍wei和he實shi現xian最zui佳jia係xi統tong性xing能neng。

 

圖1. 典型超聲信號鏈

 

在發射端(Tx路徑)，波bo束shu成cheng形xing器qi決jue定ding針zhen對dui所suo需xu焦jiao點dian而er設she定ding的de脈mai衝chong序xu列lie延yan遲chi模mo式shi。然ran後hou
，波bo束shu成cheng形xing器qi的de輸shu出chu由you高gao壓ya發fa射she放fang大da器qi放fang大da，以yi驅qu動dong換huan能neng器qi。這zhe些xie放fang大da器qi由you數shu模mo轉zhuan換huan器qi(DAC)或者高壓FET開關陣列控製
，將發射脈衝整形
，以便更好地向換能器基元傳輸能量。在接收端
，發射/接收(T/R)開關(通常是一個二極管電橋)阻擋高壓Tx脈衝。某些陣列會使用高壓(HV)多路複用器/解複用器來降低發射和接收硬件複雜度，但這樣會犧牲靈活性。

 

時間增益控製(TGC)接收路徑由低噪聲放大器(LNA)
、可變增益放大器(VGA)和模數轉換器(ADC)構成。VGA通常提供線性dB增益控製
，與超聲信號反射衰減匹配。在操作人員的控製下，TGC路徑用於在掃描過程中保持圖像的均勻性。低噪聲LNA對於盡可能降低隨後的VGA噪聲分配極為關鍵。在需要輸入阻抗匹配應用中，有源阻抗控製使噪聲性能最佳。

 

通過VGA將寬動態範圍的輸入信號壓縮
，以滿足ADC的輸入範圍要求。LNA的折合到輸入端的噪聲限製了可分辨的最小輸入信號
，而折合到輸出端的噪聲主要取決於VGA，它限製了特定增益控製電壓下可以處理的最大瞬時動態範圍。該限製是根據量化本底噪聲設定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。早期的超聲係統基於10位ADC
，但多數現代係統使用12或14位ADC。

 

抗混疊濾波器(AAF)限製了信號帶寬，同時也抑製了ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。

 

醫yi用yong超chao聲sheng的de波bo束shu成cheng形xing是shi指zhi信xin號hao的de相xiang位wei對dui準zhun和he求qiu和he
，這zhe些xie信xin號hao由you共gong同tong的de信xin號hao源yuan生sheng成cheng
，但dan是shi由you多duo基ji元yuan超chao聲sheng換huan能neng器qi在zai不bu同tong的de時shi間jian點dian接jie收shou。在zai連lian續xu波bo多duo普pu勒le(CWD)路徑中，對接收器通道進行移相和求和，以提取相幹信息。波束形成有兩個功能： 一個是為換能器定向，以提高其增益，另一個是定義人體內的焦點
，由該焦點得到回波的位置。

 

波束成形可以采用兩種不同的方法實現：模擬波束成形(ABF)和數字波束成形(DBF)。ABF和DBF係統之間的主要區別在於完成波束成形的方式

；這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF使用模擬延遲線和求和，僅需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF係統是目前最受歡迎的方法，它使用“很多”高速、高分辨率ADC。DBF係統中的信號應盡可能靠近換能器基元進行信號采樣
，然後將信號延遲並對其進行數字求和。DBF架構的簡化框圖如圖2所示。

 

圖2. 數字波束成形(DBF)係統簡化框圖

 

 

超chao聲sheng係xi統tong具ju有you如ru此ci多duo的de通tong道dao和he元yuan器qi件jian
，雖sui然ran技ji術shu已yi經jing有you了le極ji大da的de進jin步bu
，仍reng屬shu於yu目mu前qian最zui複fu雜za的de係xi統tong。就jiu像xiang其qi他ta複fu雜za係xi統tong那na樣yang
，有you很hen多duo方fang法fa可ke以yi進jin行xing係xi統tong分fen割ge。本ben節jie將jiang回hui顧gu一yi些xie超chao聲sheng分fen割ge策ce略lve。

 

早期的超聲係統采用模擬波束成形技術，需要使用大量的模擬元器件。TGC和Rx/Tx路徑上的數字處理通過定製ASIC來實現。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前
，這種方法很常見。ASIC具有大量柵極，其數字技術未針對模擬功能(比如放大器和ADC)優化。使用ASIC的係統很大程度上必須依賴於供應商產品的可靠性。

 

ASIC

、FPGA和DBF技術與分立式IC ADC和VGA結合使用是實現便攜性的第一步，但使用多通道(四通道和八通道)

TGC、ADC以及DAC讓rang尺chi寸cun與yu功gong耗hao得de到dao大da幅fu下xia降jiang。這zhe些xie多duo通tong道dao元yuan器qi件jian可ke讓rang設she計ji人ren員yuan從cong數shu字zi電dian路lu中zhong將jiang敏min感gan模mo擬ni電dian路lu分fen割ge到dao獨du立li電dian路lu板ban上shang。這zhe樣yang可ke以yi縮suo減jian係xi統tong尺chi寸cun，並bing且qie有you利li於yu在zai多duo個ge平ping台tai上shang重zhong複fu利li用yong電dian子zi電dian路lu。

 

然而，以高引腳數互連四通道和八通道VGA與ADC會讓PCB走線路由變得困難
，某些情況下會迫使設計人員使用通道數較少的器件

，比如從八通道ADC轉而使用四通道ADC。將大量多通道元器件放置在小麵積內還會導致散熱問題。進行最佳分割可能會變得很有挑戰性。

 

完整TGC路徑采用多通道、多器件的進一步集成使設計變得更加容易，因為PCB尺寸和功耗要求得以進一步降低。隨著更高級集成方案的廣泛使用，成本、尺寸和功耗進一步減小，便攜式係統的電池壽命更長。

 

這類架構可以采用超聲子係統構建(比如AD9271)，它包含LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器
、12位ADC和八個TGC

通道的串行LVDS輸出。

 

最zui終zhong的de超chao聲sheng解jie決jue方fang案an可ke在zai探tan頭tou裏li集ji成cheng更geng多duo的de電dian子zi功gong能neng，並bing盡jin可ke能neng靠kao近jin換huan能neng器qi基ji元yuan。記ji住zhu


，探tan頭tou基ji元yuan的de電dian纜lan會hui限xian製zhi動dong態tai範fan圍wei，且qie成cheng本ben高gao昂ang。如ru果guo前qian端duan電dian子zi元yuan件jian更geng靠kao近jin探tan頭tou，那na麼me電dian纜lan損sun耗hao的de影ying響xiang就jiu會hui更geng小xiao，降jiang低diLNA要求並進而降低功耗。一種方法是將LNA移至探頭電子器件中。另一種方法是分割探頭和PCB電子器件的VGA控製。最終，係統尺寸更小，足夠裝進超小型封裝中。這樣做的不足之處是設計人員又回到了原點
，需要定製探頭。換言之，探頭/電子器件定製將使現代設計人員麵臨以前使用數字ASIC的設計人員所麵臨的同樣問題。

 

 

超(chao)聲(sheng)涵(han)蓋(gai)了(le)範(fan)圍(wei)廣(guang)闊(kuo)的(de)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)，因(yin)此(ci)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)所(suo)需(xu)要(yao)做(zuo)的(de)權(quan)衡(heng)取(qu)舍(she)也(ye)更(geng)多(duo)。每(mei)一(yi)種(zhong)診(zhen)斷(duan)成(cheng)像(xiang)模(mo)式(shi)都(dou)有(you)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)，通(tong)常(chang)是(shi)性(xing)能(neng)與(yu)功(gong)耗(hao)的(de)權(quan)衡(heng)。現(xian)在(zai)
，這(zhe)些(xie)難(nan)題(ti)由(you)可(ke)讓(rang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)IC內部調節性能與功耗比的元器件所解決，從而縮短了產品上市時間。同樣
，我們希望超聲子係統可以在IC內部提供一係列選項，以便調節輸入範圍
、偏置電流、采cai樣yang速su率lv和he增zeng益yi。根gen據ju所suo要yao求qiu的de成cheng像xiang模mo式shi或huo探tan針zhen類lei型xing
，係xi統tong設she計ji人ren員yuan幾ji乎hu可ke以yi實shi時shi對dui設she計ji的de適shi用yong性xing進jin行xing係xi統tong調tiao節jie，並bing以yi最zui低di的de功gong耗hao提ti供gong最zui高gao的de性xing能neng。

 

設計人員還可針對這些器件使用配置設計工具，從而可對各種單獨的探頭和圖像模式性能進行評估
，如圖3所示。係統設計人員可以快速做出這些權衡取舍，並直接在IC級別調節係統設計。如此，便無需更改硬件並執行複雜的圖像處理測試來驗證這些權衡取舍。

 

圖3. 超聲子係統配置工具圖形用戶界麵

 

此外，配置工具還可將最優配置參數轉換為數字設置，並生成一個文件
，將該器件的最終配置複製到係統中。

 

 

在zai醫yi療liao和he工gong業ye應ying用yong中zhong，超chao聲sheng係xi統tong正zheng在zai不bu斷duan向xiang便bian攜xie性xing和he低di功gong耗hao發fa展zhan。所suo有you這zhe類lei係xi統tong都dou具ju有you相xiang似si的de要yao求qiu，並bing在zai近jin年nian來lai實shi現xian了le集ji成cheng和he功gong耗hao調tiao節jie創chuang新xin。

 

集成式多通道器件的進步體現在進一步降低了功耗、chicunhechengben。wuyi
，zuixindechuangxinchanpinyupeizhigongjukerangxitongshejirenyuangengqingsong。zhebianweigenjujutichengxiangmoshikaifakepeizhihekejinxingxingnengyugonghaotiaojiededuoyanghuachaoshengchanpintigongletujing。

 

大多數超聲設備製造商的知識產權(IP)都集中在探頭和波束成形技術上。多通道集成的常用器件包括四通道和八通道ADC，它們可以最大程度減少高成本模擬元器件的使用，並降低費時費力的TGC通道校準要求。超聲係統的其他部分還可進一步集成。對更多的信號鏈部分進行集成將進一步降低功耗、尺寸和成本，同時提升處理能力。

 

 

1. Reeder，Rob和Corey Petersen
，“AD9271——便攜式超聲設備的革命性解決方案”，模擬對話41-07。

 

2. Brunner，Eberhard，“影響超聲係統前端器件選擇的考量因素”
，模擬對話36，第一部分(2002)。

 

3. Kisslo，Joseph A.和David B. Adams，多普勒超聲心動圖原理和多普勒檢查#1，London： Ciba-geigy，1987。

 

4. Kuijpers
，F. A.，“未來醫療成像應用中技術的作用”
，Medicamundi
，1995年第40卷第3期，Philips Medical Systems。

 

5. Meire，Hylton B.和Pat Farrant， 基礎超聲，Wiley，1995年，第 1-66頁.

 

6. Reeder，Rob
，“輕鬆完成超聲係統設計”
，EETimes-India，2009年2月。

 

7. Reeder，Rob，“利用新器件實現靈活的超聲係統設計”
，Planet Analog
，2009年1月。

 

8. Odom，Bill，“超聲模擬電子技術入門”

，模擬對話33-5。

 

9. Errico
，Paul和Allen Hill，“超聲係統高速信號處理元件的選擇”
，模擬對話。

 

本文轉載自亞德諾半導體。