通過集成與功耗調(diào)整解決超聲系統(tǒng)面臨的工程技

　　這些突破催生了更加便攜和高效的超聲系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)具有更高的圖像性能和更強(qiáng)的功能。更大的動(dòng)態(tài)范圍、更低的功耗和更緊湊的系統(tǒng)級(jí)芯片提供的高質(zhì)量圖像有助于實(shí)施更好的診斷。未來的超聲系統(tǒng)很可能會(huì)做成手持式設(shè)備，成為醫(yī)生的第二個(gè)“聽診器”。

　　超聲系統(tǒng)的信號(hào)鏈

　　圖1：典型的超聲系統(tǒng)信號(hào)鏈

　　圖1是超聲系統(tǒng)中信號(hào)鏈的簡(jiǎn)化框圖。所有的超聲系統(tǒng)都有約兩米長(zhǎng)的線纜，并且在線纜末端有一個(gè)傳感器。線纜中包含最少8條、最多256條微型同軸電纜，是系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。在幾乎每個(gè)系統(tǒng)中，末端傳感器都是直接驅(qū)動(dòng)線纜。線纜電容是這種傳感器件的負(fù)載，會(huì)對(duì)信號(hào)造成顯著的衰減。因此需要使用高靈敏度的接收器才能達(dá)到要求的動(dòng)態(tài)范圍，并實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

　　在發(fā)射側(cè)(發(fā)送路徑)，由波束成形器決定脈沖序列的延時(shí)模式，然后由這些延時(shí)模式確定超聲的焦點(diǎn)。波束成形器的輸出先經(jīng)過驅(qū)動(dòng)傳感器的高電壓發(fā)送放大器進(jìn)行放大。這些放大器可以在數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或高壓FET開關(guān)陣列的控制下調(diào)整發(fā)送脈沖，以便向傳感器件更好地提供能量。在接收側(cè)，通常有一個(gè)二極管橋組成的發(fā)送/接收(T/R)開關(guān)，用于抑制高壓發(fā)送脈沖。在一些開關(guān)陣列中還會(huì)使用高壓(HV)復(fù)用器/解復(fù)用器來減少發(fā)送和接收硬件的復(fù)雜性，代價(jià)是靈活性有所降低。

　　時(shí)間-增益控制(TGC)接收通道由低噪聲放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。VGA通常具有線性dB增益控制功能，這種控制功能完全匹配反射的超聲信號(hào)的衰耗。在操作人員控制下，TGC通道可以用來保持圖像在掃描期間的一致性。低噪聲LNA是使后面的VGA產(chǎn)生的噪聲最小的關(guān)鍵。有源阻抗控制能使受益于輸入阻抗匹配的設(shè)備實(shí)現(xiàn)最佳的噪聲性能。

　　VGA需要壓縮寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)，以滿足ADC的輸入范圍要求。以輸入為參考的LNA噪聲限制了最小可分辨的輸入信號(hào)，而以輸出為參考的噪聲——主要取決于VGA——限制了能夠在特定增益控制電壓點(diǎn)進(jìn)行處理的最大瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。這個(gè)門限的設(shè)置依據(jù)是由ADC分辨率確定的本底量化噪聲。早期的超聲系統(tǒng)采用10位ADC，但現(xiàn)代大多數(shù)超聲系統(tǒng)使用12位或14位的ADC。

抗混疊濾波器(AAF)可以限制信號(hào)帶寬，并抑制ADC之前的TGC通道中的有害噪聲。

　　應(yīng)用于醫(yī)用超聲的波束成形技術(shù)的定義是，由公共源產(chǎn)生、但由多元件超聲傳感器在不同時(shí)間接收到的所有信號(hào)的相位對(duì)齊和累加。在連續(xù)波多普勒(CWD)通道中，要對(duì)所有接收器通道進(jìn)行相移和累加，然后提取相干信息。波束成形有兩個(gè)功能：它不僅能向傳感器傳遞方向性——提高其增益，而且能定義體內(nèi)的焦點(diǎn)，并由此確定回波位置。

　　波束成形有兩種截然不同的方法，即模擬波束成形(ABF)和數(shù)字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統(tǒng)之間的區(qū)別在于波束的合成方式。這兩種方法都要求特別好的通道間匹配。ABF使用模擬延時(shí)線和累加，只需要一個(gè)精密的高分辨率、高速ADC。而DBF是目前最流行的方法，需要使用“許多”高速、高分辨率的ADC。DBF系統(tǒng)中的信號(hào)在盡量靠近傳感器元件的地方完成采樣，然后經(jīng)過延時(shí)以數(shù)字方式完成累加。圖2就是DBF架構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖。

　　圖2：數(shù)字波束成形(DBF)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。

　　集成與劃分策略

　　雖然在技術(shù)方面已經(jīng)有了明顯的進(jìn)步，但由于包含如此多的通道和元件，超聲系統(tǒng)仍是目前最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。就像其它復(fù)雜系統(tǒng)一樣，超聲系統(tǒng)也有許多系統(tǒng)劃分方法。下面簡(jiǎn)要介紹幾種超聲系統(tǒng)劃分策略。

　　早期的超聲系統(tǒng)使用模擬波束成形技術(shù)，需要使用大量模擬元件。TGC和發(fā)送/接收通道中的數(shù)字處理是用定制ASIC完成的。在多通道VGA、ADC和DAC普及之前這種方法很常用。ASIC器件中有許多門電路，而這種數(shù)字技術(shù)對(duì)模擬功能(如放大器和ADC)來說并不是最優(yōu)的。使用ASIC的系統(tǒng)必須非常依賴個(gè)別供應(yīng)商產(chǎn)品的可靠性。

　　使用ASIC、FPGA和DBF技術(shù)以及分立ADC和VGA集成電路是向便攜性邁出的第一步，而多通道四TGC和八TGC、ADC和DAC的推出才使體積和功耗有了顯著降低。這些多通道元件允許設(shè)計(jì)師將不同電路板上的敏感性模擬電路與數(shù)字電路分隔開來，這樣不僅方便了系統(tǒng)伸縮調(diào)整，而且在許多平臺(tái)上能更好地復(fù)用電子電路。

　　然而，四通道VGA和八通道VGA以及具有大量引腳的ADC的互連將使PCB布線非常困難，在某些情況下將迫使設(shè)計(jì)師使用通道數(shù)量較少的器件，比如從八通道ADC改用四通道ADC。在很小的面積內(nèi)放置大量的這種多通道元件還會(huì)引起散熱問題，因此確定最優(yōu)的劃分策略極具挑戰(zhàn)性。

　　采用多通道、多元件集成方法進(jìn)一步集成整個(gè)TGC通道能使設(shè)計(jì)方法變得更簡(jiǎn)單，因?yàn)閷?duì)PCB尺寸和功耗的要求可以進(jìn)一步降低。隨著更高集成度的不斷推廣，便攜式產(chǎn)品在成本、尺寸、功耗降低以及更長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

　　利用超聲子系統(tǒng)就可以搭建上述這種架構(gòu)，比如用于八通道TGC的AD9271，它包含了LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和串行LVDS輸出。

　　最終的超聲解決方案將在探頭中集成更多的電子功能，并盡可能地靠近傳感器件。請(qǐng)記住，從探頭開始的線纜對(duì)動(dòng)態(tài)范圍有很大影響，并且成本很高。因此前端電路越靠近探頭，線纜損耗效應(yīng)就越小，對(duì)LNA的要求也越低，因而能有效降低功耗。一種方法是將LNA移到探頭電路中，另外一種方法是將VGA控制劃分成探頭和PCB電路兩部分。最終系統(tǒng)應(yīng)該是越來越緊湊，可適配進(jìn)超小型封裝。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)師兜了個(gè)大圈子，現(xiàn)在必須定制探頭。換句話說，探頭/電路定制將導(dǎo)致現(xiàn)代設(shè)計(jì)師面臨早前使用數(shù)字ASIC的設(shè)計(jì)師面臨的同樣問題。

　　使用現(xiàn)代IC實(shí)現(xiàn)功耗/性能優(yōu)化

　　超聲技術(shù)覆蓋種類廣泛的各種應(yīng)用，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須做出更多的折衷考慮。每種診斷成像設(shè)備在性能與功耗方面都有一定的限制。而新的器件允許設(shè)計(jì)師通過在IC內(nèi)完成性能與功耗比的優(yōu)化而從容應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，進(jìn)而縮短上市時(shí)間。能夠在IC內(nèi)部提供用于調(diào)整輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益等大量可選功能的超聲系統(tǒng)確實(shí)值得我們期待。根據(jù)不同的成像設(shè)備或探頭類型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以實(shí)時(shí)并且適當(dāng)?shù)貙?duì)設(shè)計(jì)作出系統(tǒng)性調(diào)整，從而以最小的功耗提供最大的性能。

　　設(shè)計(jì)師還能對(duì)這些器件應(yīng)用配置設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)探頭和設(shè)備性能的評(píng)估，如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以快速作出這些折衷，并直接在IC級(jí)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無需改變硬件和執(zhí)行復(fù)雜的圖像處理測(cè)試來確認(rèn)這些折衷。另外，配置工具可以將優(yōu)化的配置參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字設(shè)置參數(shù)，并產(chǎn)生一個(gè)能夠復(fù)制部分最終系統(tǒng)配置設(shè)置的文件。

　　圖3：超聲子系統(tǒng)配置工具圖形用戶界面。

　　結(jié)束語

　　醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的超聲系統(tǒng)都有向便攜和低功耗發(fā)展的趨勢(shì)。所有這些系統(tǒng)都有相似的要求，并且近年來都通過集成和功耗調(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

　　目前集成式多通道器件的先進(jìn)性在于進(jìn)一步降低了功耗、尺寸和成本。新的創(chuàng)新產(chǎn)品和配置工具無疑會(huì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的生活變得更加輕松，能夠幫助他們根據(jù)成像設(shè)備的不同開發(fā)出多樣化的超聲產(chǎn)品，并且具有可配置和可調(diào)整的性能與功耗特性。

　　大多數(shù)超聲制造商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)集中在探頭和波束成形器技術(shù)方面。包括四通道和八通道ADC在內(nèi)的常用器件的多通道集成減少了高成本的模擬器件數(shù)量，并且減少了TGC通道中耗時(shí)的校準(zhǔn)需求。超聲系統(tǒng)中的其它部分也具有進(jìn)一步集成的可能性。信號(hào)鏈更多部分的集成將促進(jìn)功耗、尺寸和成本的進(jìn)一步降低，以及處理能力的進(jìn)一步增強(qiáng)。