結(jié)構(gòu)緊湊的超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒(CWD)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)
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結(jié)構(gòu)緊湊的超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒(CWD)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)
摘要：采用高度集成的低功耗、雙極型放大器和連續(xù)波多普勒(CWD)混頻器/波束成型電路能夠使下一代結(jié)構(gòu)緊湊的超聲設(shè)備達(dá)到“高端”CWD的指標(biāo)。
超聲系統(tǒng)中要求最苛刻的臨床診斷工具是連續(xù)波多普勒(CWD)接收器。對(duì)小尺寸、低成本的要求不得不犧牲CWD系統(tǒng)的靈敏度性能，通過分析當(dāng)前使用的CWD接收器方案，設(shè)計(jì)人員開發(fā)出了新一代解決方案，該方案采用了已經(jīng)投產(chǎn)的高集成度、低功耗雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機(jī)無需折衷診斷特性。
CWD基本概念
典型的相控陣CWD架構(gòu)中，64至128個(gè)超聲傳感器在孔徑中心附近均分成兩部分，一半的傳感器單元用于發(fā)送器，聚焦超聲CWD發(fā)射波束，另一半用于接收器，聚焦接收波束。作用在發(fā)射單元的信號(hào)是方波信號(hào)，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當(dāng)相位的信號(hào)作用到發(fā)射單元來聚焦發(fā)射波束。同樣，CWD接收信號(hào)通過對(duì)每個(gè)接收單元的信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整、求和進(jìn)行聚焦。“波束成型”CWD接收信號(hào)由固態(tài)組織反射的強(qiáng)信號(hào)(通常稱其為雜波)以及流動(dòng)的血液反射回來的較弱的多普勒信號(hào)組成。每個(gè)相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達(dá)200mVP-P，而接收機(jī)參考輸入的噪底會(huì)低至1nV/
。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的SNR達(dá)到大約157dBc/Hz。對(duì)于一個(gè)64通道的CWD接收機(jī)，其SNR的要求非常極端。每個(gè)接收通道的噪聲不相關(guān)，結(jié)果對(duì)于64個(gè)通道的噪底，波束成型后的信號(hào)噪底可能比單個(gè)通道的噪底高出18dB。然而每個(gè)通道的CWD是相關(guān)的，波束成型后的CWD信號(hào)會(huì)比單個(gè)通道的CWD信號(hào)高出36dB。考慮到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求會(huì)比單個(gè)通道高出18dB，達(dá)到175dBc/Hz! 更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號(hào)的頻率會(huì)在1kHz以內(nèi)或低于雜波信號(hào)。由此可見超聲檢測設(shè)備面臨巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
基于延時(shí)線的CWD波束成型
目前，超聲系統(tǒng)大多采用模擬延時(shí)線接收器實(shí)現(xiàn)CWD信號(hào)檢測(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖、放大，LNA提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，隨后通過交叉開關(guān)和模擬延時(shí)線對(duì)RF頻率信號(hào)進(jìn)行波束成型。
評(píng)論