超聲成像系統的設計考慮

　　成像通道接收機

　　超聲成像通道的接收機用于檢測二維(2D)信號以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號和頻譜PWD。接收機包括發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、可變增益放大器、抗混疊濾波器和模/數轉換器(ADC)。

　　TX/RX開(kāi)關(guān)

　　TX/RX開(kāi)關(guān)可以保護低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時(shí)在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機。該開(kāi)關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實(shí)現，當有高壓發(fā)射脈沖出現時(shí)，它們會(huì )自動(dòng)閉合或斷開(kāi)。TX/RX開(kāi)關(guān)必須具備很快的恢復時(shí)間，以保證接收機在發(fā)射一個(gè)脈沖后能夠立刻開(kāi)啟。這些快速恢復時(shí)間對于淺埋成像和提供低導通電阻確保接收靈敏度至關(guān)重要。

　　低噪聲放大器(LNA)

　　接收機中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對于設計合理的接收機，LNA將決定整個(gè)接收機的噪聲性能。傳感器單元通過(guò)同軸電纜連接到相應的低阻抗LAN的輸入端。如果沒(méi)有適當的電纜終端匹配，電纜電容和傳感器單元的源阻抗將大大制約從寬帶傳感器接收信號的帶寬。傳感器電纜匹配至低阻，有助于降低這一濾波的影響，有效提高圖像質(zhì)量。不幸的是，這種端接也降低了LNA的輸入信號，因而降低接收靈敏度。由此可見(jiàn)，為L(cháng)NA提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。MAX2034是Maxim針對超聲成像系統推出的4通道、低功耗、超低噪聲前置放大器，每個(gè)低噪聲放大器都具有單端輸入、差分輸出、高精度19dB固定增益和70MHz的-3dB帶寬。放大器的高增益精度可實(shí)現優(yōu)異的通道間增益匹配，這是高性能超聲成像應用所必需的。MAX2034還包括片上可編程輸入電阻，允許器件匹配至50Ω至1kΩ范圍內的多種常見(jiàn)源阻抗。每個(gè)放大器的輸入阻抗使用反饋拓撲以實(shí)現動(dòng)態(tài)阻抗匹配。當信號源和輸入阻抗為200Ω時(shí)，動(dòng)態(tài)輸入阻抗匹配可獲得2.2dB的超低噪聲系數。

　　可變增益放大器(VGA)

　　VGA，有時(shí)也稱(chēng)為時(shí)間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個(gè)接收周期內提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲信號在體內大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發(fā)射一個(gè)超聲脈沖后，可立即在LNA輸入看到高達的0.5VP-P回波，該信號會(huì )快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。 接收該信號所要求的動(dòng)態(tài)范圍為100dB至110dB，超出了實(shí)際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號轉換成與ADC量程相當的信號幅度。典型應用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時(shí)間調整(“時(shí)間增益控制”)，實(shí)現所要求的動(dòng)態(tài)范圍。

　　超聲接收機的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會(huì )影響2D圖像的質(zhì)量和系統檢測多普勒偏移(血液或組織的運動(dòng))的能力，尤其是在二次諧波成像系統中，感興趣的二次諧波信號明顯低于發(fā)射信號的基波。對于小的多普勒信號同樣如此，多普勒信號頻率可能在1kHz以?xún)?，幅度遠遠低于組織或血管壁的反射信號。因此，需要特別關(guān)注可變增益放大器的帶寬和近載波SNR，這些參數通常是制約接收機性能的關(guān)鍵。

　　抗混疊濾波器(AAF)和ADC

　　抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常成像頻率范圍但又通過(guò)ADC轉換的混疊信號。設計中大多采用可調節的AAF，為了抑制混疊并保證信號的時(shí)域響應，濾波器需要對第一奈奎斯特頻率以外的信號進(jìn)行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。典型應用中采用12位ADC，采樣頻率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的動(dòng)態(tài)響應范圍，同時(shí)具有適當的成本和功耗。在設計得當的接收通道，ADC會(huì )限制接收通道的瞬態(tài)SNR。如上所述，性能差的VGA會(huì )限制整個(gè)接收通道的SNR指標。