超聲系統(tǒng)的設(shè)計考慮對前端元件選用的影響

所接收到的信號的巨大的動態(tài)范圍帶來了最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。前端電路必須同時具有很低的噪聲和承受大信號的能力——任何在通信的要求方面有經(jīng)驗的人對此種需求都很熟悉。例如，如果電纜在特定頻率的損耗為2dB，則噪聲系數(shù)將衰減2dB。這就意味著電纜后的第一個放大器的噪聲系數(shù)必須比采用無損耗電纜時低2dB。可以避開這一問題的一個可能的辦法是把放大器放置在換能器手柄上。不過，這也會遇到嚴(yán)重的尺寸和功耗方面的限制；另外，需要對高壓瞬態(tài)脈沖進行防護的需求也使得這種解決方案難以實施。

另一個挑戰(zhàn)則是換能器元件和人體之間巨大的聲學(xué)阻抗失配。能量發(fā)射的高效率，離不開聲學(xué)阻抗的匹配層（類似于電阻抗匹配射頻電路）。這往往需要在手柄的換能器元件前敷設(shè)一兩層匹配層，這些材料后面接有一個透鏡，再后面是耦合乳膏。乳膏本身可以實現(xiàn)與人體的聲學(xué)接觸——因為空氣是一種很好的聲反射體。

接收電路所要解決的另一個重要的問題是從過載中快速恢復(fù)的能力。即使T/R開關(guān)的用途就是保護接收器不會承受很大的脈沖，這些脈沖通過開關(guān)的少量泄漏也足以讓前端電路過載。過載恢復(fù)能力欠佳將導(dǎo)致接收機“盲視”，直到恢復(fù)為止，這將直接影響到在距離皮膚多近的部位可以形成圖像。

超聲圖像是如何形成的——B模式

圖2示出了不同的掃描圖像是如何形成的。在所有4種掃描模式下，具有矩形邊界的掃描線所成的圖像是圖像的真實呈現(xiàn)，因為這是將在顯示監(jiān)視器上出現(xiàn)的圖像。這里僅示出了單個換能器的機械移動（箭頭所指的方向）以方便對成像原理的理解，但是一個直線陣列在沒有機械移動的情況下也可以產(chǎn)生相同種類的圖像。在線掃描的例子中，換能元件沿著水平方向移動；對應(yīng)于每條掃描線（圖像中所示的線），都會發(fā)送一個Tx脈沖，而來自于不同深度的各種反射信號被記錄下來，通過掃描方式轉(zhuǎn)換成視頻顯示。單個換能器在圖像采集過程中的移動方式，將決定圖像的形狀。這直接變換成線陣列換能器的形狀，也就是說，對于直線掃描而言，該陣列將是直線狀的，而對于弧形掃描而言，陣列將是凹面的。

圖2 單換能器圖像生成

從機械單換能器系統(tǒng)到電子系統(tǒng)所需要邁出的一步也可以通過考察圖2所示的直線掃描方式來輕松地予以解釋。如果單換能器單元被劃分為多個小塊，則如果一次激勵一個單元并紀(jì)錄來自于人體的反射信號的話，則還可以獲得如圖所示的矩形圖像，只是現(xiàn)在操作員不再需要移動換能器元件。從這一例子可以看出，弧形掃描可以由一個組成凹面形狀的線陣列來實現(xiàn)；扇形掃描將由呈凸面排列的線性陣列來實現(xiàn)。

雖然上述的實例解釋了B模式超聲圖像生成的基本原理，但一個現(xiàn)代系統(tǒng)一次不止使用一個單元來產(chǎn)生掃描線，因為它可以讓系統(tǒng)的孔徑發(fā)生改變。改變孔徑類似于改變光學(xué)系統(tǒng)中的焦點位置，這有助于產(chǎn)生更清晰的圖像。圖3示出了線性陣列和相控陣是如何做到這一點的；主要的差別在于在相控陣中，所有的單元都被同時用到，而在一個線陣列中，所有的陣列單元中只有一部分被用到。只用到較少的單元，其優(yōu)點是節(jié)省了電子方面的硬件，但它增加了對給定的視場進行成像所需的時間。相控陣則不同，因為它采用了扇形分布，只需很少的換能器就可以對遠(yuǎn)場進行大面積成像。這也就是相控陣換能器在心臟成像等應(yīng)用領(lǐng)域的首選，在這些應(yīng)用中，操作員必須能利用肋骨間的狹小空間來對尺寸大得多的心臟進行成像。

圖3 線性vs 相控陣成像

陣列中的激勵是沿著掃描線發(fā)出的，其方式由一組預(yù)計將同時到達(dá)某個焦點的延遲分布來決定的。這些脈沖（圖3）可以由陣列（填充陰影的圖形）上方垂直的時間線上的“彎曲”來表示——從陣列的表面往上對應(yīng)著時間的增加。圖3所示的直線的步進陣列，將能向一組單元（孔徑）提供具有特定形狀的激勵，然后通過添加一個前面的元件并剔除一個后方的單元來讓孔徑發(fā)生步進移動。發(fā)生每一步時，一條掃描線（波束）是由同時到達(dá)的脈沖所形成的。在相控陣中，所有的換能器都同時激活。在上面所示出的例子中，暗線是對所示的脈沖方式所產(chǎn)生的反射數(shù)據(jù)進行成像的掃描線。

模擬vs 數(shù)字波束成形技術(shù)

在模擬波束成形（ABF）和數(shù)字波束成形（DBF）超聲系統(tǒng)，所接收到的、從沿著一條波束的特定焦點反射的脈沖信號將被按通道儲存起來，然后在時間上對準(zhǔn)，并進行一致性求和，這可以提供空間的處理增益，因為各通道的噪聲是非相關(guān)的。圖像可以由如下的兩種方式之一來形成：經(jīng)過模擬延遲線形成模擬電平序列，然后求和，并在求和后最終變換成數(shù)字形式（ABF）；或者，在盡可能接近換能元件的位置對模擬電壓電平進行采樣，將這些采樣值存入內(nèi)存（FIFO），然后將它們通過數(shù)字化的處理求和（DBF）。

圖4和圖5示出了ABF和DBF系統(tǒng)的基本方框圖。兩種類型的系統(tǒng)都需要完美的通道間匹配。請注意，兩種實現(xiàn)方案都需要可變增益放大器（VGA），而且對于數(shù)字波束成形也始終都需要VGA，直到可以獲得動態(tài)范圍足夠高并且成本合理、功耗足夠低的ADC為止。請注意，ABF成像系統(tǒng)只需要一個高分辨率和高速的ADC即可，但一個DBF系統(tǒng)需要多個高速、高分辨率的ADC。有時在ABF系統(tǒng)中還需要一個對數(shù)放大器，以便在ADC接收信號之前壓縮動態(tài)范圍。