Paul Errico 和 Allen Hill

醫(yī)學超聲需要控制和處理各種高速信號。這些信號包括高頻聲波、高頻/寬動態(tài)范圍連續(xù)/脈沖波、高速數(shù)字處理和視頻顯示。許多電路設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是組合所有這些高頻信號，同時面臨功耗、電路板面積和成本的嚴格限制。

在過去的四十年中，超聲研究、開發(fā)和商業(yè)化如雨后春筍般涌現(xiàn)。直到60年代末，第一臺商用超聲掃描儀才可用于心臟病學，神經(jīng)病學和婦產(chǎn)科應(yīng)用。下一個重大突破是灰度成像的引入，隨后是實時灰度掃描。另一個重大進展是引入了彩色多普勒，用于確定血流的速度和方向。

圖1.用于超聲掃描的探頭相控陣。

用于對人體內(nèi)部進行成像的超聲儀器是一個復(fù)雜的系統(tǒng);它由許多高速處理元件和子系統(tǒng)組成。超聲成像背后的基本概念類似于聲納。聲波從換能器或換能器陣列傳輸，換能器或換能器陣列也“偵聽”反射信號（圖 1）。通過使用信號處理技術(shù)組合反射信號，并在寬掃描區(qū)域執(zhí)行此過程，可以構(gòu)建圖像來分析該區(qū)域。與聲納不同，超聲波在高頻（1至10 MHz）下工作，穿透人體內(nèi)部數(shù)厘米的深度，可用于創(chuàng)建1維，2維和3維圖像。

市場技術(shù)障礙和高速產(chǎn)品

與其他診斷成像方式不同，超聲提供其他成像技術(shù)無法實現(xiàn)的實時視頻和音頻輸出。對于訓(xùn)練有素的眼睛和耳朵來說，視頻顯示和音頻信號提供了重要的診斷信息。

系統(tǒng)幀速率和空間分辨率以及灰度或彩色視頻顯示參數(shù)為信號的傳輸、接收和處理速率建立了邊界。經(jīng)驗法則是聲波在軟組織中以 1540 m/s 的速度傳播。例如，超聲信號必須總共傳播 20 厘米（進入體內(nèi) 10 厘米，返回 10 厘米）大約需要 130 μs。生成 128 條掃描線（“風扇”型顯示器的典型數(shù)字）所需的總時間為 130 μs x 128 = 16 ms，最大更新速率為 60 幀/秒 （fps）。此外，如果每條掃描線有多個焦點區(qū)域，則用于發(fā)射和接收的組件必須具有快速壓擺率、建立時間和轉(zhuǎn)換速率。

軟組織中超聲信號衰減的經(jīng)驗法則為 1 dB/cm/MHz。例如，5 MHz信號的衰減因子為5 dB/cm。如果目標位于 10 cm 的深度，則反射信號將衰減 100 dB。這表明在更深入體內(nèi)成像時，通常使用低于5 MHz的頻率。

超聲系統(tǒng)的另一個重要特征是它必須是便攜式的，但在標準 120 V/220 V 插座供電下運行。因此，低功耗是所有高速信號處理組件的關(guān)鍵要求。隨著發(fā)射和接收通道數(shù)量的增加，每通道的低功耗變得尤為重要。

這些“障礙”說明了對高速、低失真、寬動態(tài)范圍和低功耗信號鏈元件的需求。

市場趨勢

模擬波束形成 （ABF） 超聲系統(tǒng)具有多個模擬前端 （AFE） 通道（見圖 2）。需要可變增益放大器來補償被穿透介質(zhì)中的衰減。時間延遲元件用于最大化來自預(yù)定點源（焦點區(qū)域）的反射信號的信噪比。來自每個通道的延時信號上的相應(yīng)點被求和、壓縮和幅度檢測（整流）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 處理圖像（8-10 位，20 MHz）、音頻（音頻采樣速率下基帶 12 位及更多位）和彩色多普勒信息（高達 12 MHz 時最多 10 位）。

圖2.模擬波束成形系統(tǒng)的前端信號電子器件。

數(shù)字數(shù)據(jù)使用 FPGA、固定功能的現(xiàn)成數(shù)字元件和數(shù)字信號處理器 （DSP） 進行處理。超聲的實時能力需要通過數(shù)字處理（包括FIR，IIR濾波器和FFT處理）進行優(yōu)化。然后，必須處理數(shù)字化數(shù)據(jù)（極坐標）并將其映射到矩形坐標，存儲在緩沖存儲器中，然后發(fā)送到視頻和音頻編碼器。

數(shù)字波束成形 （DBF） 系統(tǒng)用每通道一個 ADC 取代了每個通道的時間延遲元件，并將連續(xù)信號元件存儲在緩沖存儲器中（參見圖 3）。該轉(zhuǎn)換器的時鐘頻率通常為40 MHz，需要10位分辨率。

用于超聲波的高速IC元件

開關(guān)： 在ABF系統(tǒng)中，高速多路復(fù)用器用于創(chuàng)建交叉點開關(guān)。該開關(guān)用于通過將每個接收通道連接到集總無源LC元件或有源電路元件來選擇每個通道的預(yù)定時間延遲。多路復(fù)用器必須表現(xiàn)出低R值上和快速 T上/T關(guān)閉開關(guān)特性。開關(guān)建立時間>100+ ns對于單條掃描線期間的多個測量點（門）來說不夠快。四通道高速開關(guān)，如ADG201HS、ADG411和ADG441/2/4，提供快速T溫度上/T關(guān)閉開關(guān)速度。

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請致電ADI的AnalogFax?行 1-800-466-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回代碼。

時間增益控制：隨時間變化增益或時間增益控制（TGC）放大器是ABF和DBF架構(gòu)的關(guān)鍵接收器組件。由于反射超聲信號的大小取決于穿透深度，并且在靠近接收器的地方要大得多，因此增益必須隨著時間的增加而增加。1 dB/cm/MHz的經(jīng)驗法則衰減系數(shù)要求TGC增益必須是控制電壓的線性函數(shù)或“線性dB”。此外，帶寬、群延遲和失真應(yīng)與增益無關(guān)。三個第一代寬帶寬（高達90 MHz）、低噪聲（<1.7 nV/√Hz）、低失真TGC放大器可用于此功能。第二代類型（AD604和AD605）提供樣品數(shù)量，提供更寬的增益控制、更高的集成度、更低的功耗和成本。

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請致電ADI的AnalogFax?熱線1-800-466-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回碼。

TGC 控制 DAC 以 8 位分辨率提供控制 TGC 增益的電壓。其輸出壓擺率和建立時間必須足夠快，以執(zhí)行“線性dB”電壓控制。數(shù)據(jù)加載速度必須足夠快，以便為每個新測量點更新每個控制DAC。由于ABF和DBF中都使用多個接收器通道，因此需要AD8600、AD7228和AD7528等多通道DAC。

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放大 器：在整個系統(tǒng)中，需要對模擬信號進行緩沖、縮放、放大和濾波。高速緩沖器用于驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器，或用于驅(qū)動長或短電纜（例如，從系統(tǒng)到傳感器頭）的高速信號。它們還用于通過連接器或沿著印刷電路板的蝕刻將信號從一個印刷電路板驅(qū)動到另一個印刷電路板。

圖3.用于數(shù)字波束系統(tǒng)的前端信號電子器件。

高頻信號的壓縮和檢測用于提高轉(zhuǎn)換器的有效范圍并提高系統(tǒng)性能。AD606和AD640是兩款寬帶對數(shù)放大器，提供必要的壓縮，并具有模擬波束形成超聲所需的信號帶寬。AD606提供80 dB的動態(tài)范圍，頻率高達50 MHz;AD640在高達50 MHz時提供120 dB的動態(tài)范圍，兩個器件可以級聯(lián)95 dB。在某些工作模式下，壓縮輸出將超量程并使信號鏈中的下一個組件飽和。AD8036/AD8037等寬帶箝位放大器是該應(yīng)用的理想緩沖器;它們還可用于限制模擬輸入電壓和驅(qū)動高速ADC，防止模擬輸入使ADC輸入采樣保持飽和。

除了具有寬帶寬和功率經(jīng)濟性外，接收器信號鏈中使用的放大器（每個系統(tǒng)多個）還必須具有低失真。AD8011、AD8001、AD8047和AD9631/AD9632等放大器可提供許多超聲應(yīng)用所需的速度和性能。

高速視頻放大器還用于驅(qū)動顯示器和視頻捕獲設(shè)備的電纜。AD817/AD818、AD826和 AD828等視頻放大器具有良好的視頻性能，如差分相位和增益規(guī)格。

*有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請致電ADI公司的AnalogFax?行 1-800-466-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回代碼。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器：向DBF的持續(xù)轉(zhuǎn)變正在增加每個系統(tǒng)使用的ADC數(shù)量。隨著低功耗、低成本和高性能ADC的問世，超聲設(shè)計人員正在為每個換能器元件集成一個ADC。這允許在數(shù)字域中完成波束形成，從而提供固有的穩(wěn)定性和更高的精度。DBF省去了笨重的LC延遲元件，并用高速ADC取代了每個元件。每個系統(tǒng)的典型通道數(shù)從64到256不等，由傳感器元件的數(shù)量和信噪比目標決定。

AD9050（10位、40 MSPS ADC）旨在滿足DBF超聲系統(tǒng)的苛刻要求。首先重要的是低功耗。由于每個系統(tǒng)多達 256 個 ADC，即使 ADC 功率略有增加，也會顯著提高整體系統(tǒng)功耗。AD9050采用單電源（+300 V）供電，功耗僅為5 mW;它采用創(chuàng)新的架構(gòu)，采用最先進的BiCMOS工藝制造。

ADC性能對圖像質(zhì)量至關(guān)重要。DBF系統(tǒng)設(shè)計人員的關(guān)鍵要求是以最低的功耗和成本提供最高質(zhì)量的圖像。用于量化圖像質(zhì)量的關(guān)鍵ADC參數(shù)是有效位數(shù)（ENOB）。ADC的ENOB越接近理論分辨率，圖像再現(xiàn)就越忠實。圖像帶寬由換能器頻率決定，通常范圍為1至10 MHz。ADC的ENOB與頻率的關(guān)系圖在目標帶寬上應(yīng)該是平坦的。

ADC的采樣速率經(jīng)過明智選擇，以實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。高時鐘速率提供了解決小時間延遲的能力，從而改善了數(shù)字波束成型機的焦點。高時鐘速率還允許探頭頻率過采樣4×以便對彩色流應(yīng)用進行高效檢測。大多數(shù)DBF系統(tǒng)的時鐘速率范圍為30至40 MSPS。AD9050的采樣速率高達40 MSPS，其時鐘輸入和數(shù)字輸出可配置為5 V或3 V工作電壓。隨著設(shè)計人員尋求最大限度地降低系統(tǒng)功耗，使用3V ASIC處理ADC的數(shù)字輸出變得越來越普遍。

超聲系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵ADC參數(shù)是輸入過驅(qū)的恢復(fù)時間。在多普勒模式下，增益設(shè)置為最大值，因為測量的現(xiàn)象非常小（血流速度）。在這種情況下，來自容器壁的反射信號將過驅(qū)動ADC輸入;然后在恢復(fù)后進行有效的血流量測量。由于ADC分辨率僅為10位，因此必須對多條數(shù)據(jù)記錄進行平均，以實現(xiàn)準確的血流測量。如果過載恢復(fù)不一致，則記錄之間缺乏相關(guān)性將導(dǎo)致流量測量錯誤。

AD9050的模擬輸入部分設(shè)計用于防止輸入過驅(qū)動時數(shù)據(jù)損壞和損壞。標稱輸入范圍為+2.8 V至+3.8 V（1 V p-p，中心電壓為3.3 V）。“超出范圍”比較器檢測模擬輸入信號何時超出此范圍，并關(guān)閉輸入跟蹤保持。數(shù)字輸出鎖定在其最大值或最小值（即所有“0”或全部“1”）。這可以防止它們在模擬輸入超出范圍時更改為無效值。輸入保護電壓高達0.7 V;即，對于標稱功率（+5 V和地），模擬輸入不會因+5.7 V至-0.7 V的信號而損壞。

當模擬輸入信號返回到標稱范圍時，超出范圍的比較器將軌道保持切換回活動模式，器件在大約10 ns內(nèi)恢復(fù)。

以下是可用合適轉(zhuǎn)換器的快速摘要：

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請致電ADI公司的AnalogFax?行，1-800-446-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回代碼.

數(shù)字信號處理器：必須處理的數(shù)據(jù)的測量點數(shù)量、速度和寬動態(tài)范圍需要使用高速數(shù)字處理器。DSP執(zhí)行FIR/IIR濾波和計算AFE時間延遲變量等任務(wù)。ADSP-21060（32位浮點、40 MIPS）SHARC DSP處理器具有4 Mbit片內(nèi)存儲器，可提供超聲和許多其他醫(yī)學成像應(yīng)用等要求苛刻的應(yīng)用所需的性能。如果許多計算的累積舍入誤差不會對給定系統(tǒng)造成嚴重問題，那么具有片內(nèi)存儲器和高速操作的高性價比16位定點處理器（如ADSP-2171和ADSP-2181）可提供多功能I/O和高達33 MIPS的性能。

* 有關(guān)這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，請致電ADI的AnalogFax?熱線1-800-446-6212，然后輸入相應(yīng)的傳真回碼。

處理后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到視頻顯示器和音頻編碼器。三路8位至10位RAM-DAC，即ADV系列產(chǎn)品，用于將數(shù)字字轉(zhuǎn)換為模擬字以進行彩色顯示。AD720/721/722系列模擬RGB至NTSC/PAL編碼器與AD813、AD817/818和AD826/828等視頻放大器（低成本、良好視頻性能的行業(yè)標準放大器）相結(jié)合，適用于各種視頻顯示和錄制標準。

審核編輯：郭婷