便攜和高性能醫療設備的超聲系統設計方案

對于當今的超聲應用市場(chǎng)，便攜性和高性能是系統設計師要滿(mǎn)足的兩個(gè)關(guān)鍵指標。便攜性推動(dòng)超聲系統向更小的尺寸演進(jìn)，以滿(mǎn)足用戶(hù)對“可裝進(jìn)口袋”的復雜超聲工具的需求，與此同時(shí)，性能要求則決定了整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)范圍。更高的動(dòng)態(tài)范圍或更低的噪聲可提供更高質(zhì)量的圖像，從而使醫生能更好地進(jìn)行診斷。為普通醫生和臨床醫生提供高性能的便攜式超聲醫療儀器，對系統設計師和系統內的元器件提出了越來(lái)越高的要求。

本文將探討提供便攜式高性能超聲產(chǎn)品所必須滿(mǎn)足的一些最重要設計考慮，以及超聲系統設計師如何實(shí)現為目前全球市場(chǎng)開(kāi)發(fā)新的成像產(chǎn)品所需的靈活性。

1 系統權衡

盡管超聲系統多年的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了重大的技術(shù)進(jìn)步，但它仍然很復雜。與其它的復雜系統一樣，也存在許多的系統劃分方法。

多年來(lái)，制造商通過(guò)設計他們自己的定制ASIC 來(lái)實(shí)現這些復雜系統。這種解決方案通常由兩個(gè)ASIC 組成，它們集成了時(shí)間增益壓縮（TGC）和Rx/Tx 路徑上的大部分元器件，如圖1 所示。這一方法在多通道VGA、ADC 和DAC 廣為出現之前很常見(jiàn)。定制電路允許設計師集成一些靈活的低成本功能特性，它們隨著(zhù)時(shí)間的推移可體現出成本優(yōu)勢，因為把信號鏈的大部分集成在一起可將外部元件數量減至最少。不幸的是，隨著(zhù)時(shí)間的推移，基于光刻技術(shù)制造出來(lái)的ASIC 在集成度和功耗兩方面皆顯示出它的局限性。ASIC 擁有大量的邏輯門(mén)，但這一數字技術(shù)并不是被優(yōu)化用來(lái)成功地實(shí)現模擬功能特性的，如高性能ADC。此外，由于供應商數量有限，ASIC 還使得系統設計師只能在一個(gè)很小的范圍內進(jìn)行選擇。

圖1：ASIC方法

2 Doppler Processing 多普勒處理

盡管高性能成像系統可以采用這一系統劃分方法來(lái)實(shí)現，但從便攜性、尺寸和功耗的角度來(lái)看這并不是最優(yōu)的。4 通道和8 通道TGC、ADC 和DAC 的出現允許在不犧牲性能的前提下進(jìn)一步減少尺寸和功耗，從而將新的系統設計方法和新的供應商帶進(jìn)了這些市場(chǎng)。多通道元件允許設計師在PCB 上將元件放得更緊密，從而可提高系統中的通道數；它們也允許設計師將敏感電路分開(kāi)放在兩塊或更多的子板上，來(lái)完成一個(gè)系統的設計，這可以有效地重復利用許多平臺開(kāi)發(fā)中成熟的電子電路。

附注：隨著(zhù)通道數的增加，動(dòng)態(tài)范圍也將得到提高。噪聲可被有效地視為系統中的不相關(guān)成份加以處理。通過(guò)將系統的通道數翻番，噪聲即可降低一半，動(dòng)態(tài)范圍可增加3 分貝。因此，與16 通道系統相比，一個(gè)64 通道系統可以將動(dòng)態(tài)范圍提高12dB 之多。

不過(guò)這一方法存在一些缺點(diǎn)：增加通道數可能使PCB 布線(xiàn)成為一個(gè)“夢(mèng)魘”，在某些情況下這將迫使設計師采用較小通道數的元件。這也為機械設計師帶來(lái)了新的熱處理挑戰，不僅增加了系統成本，而且還增加了風(fēng)扇噪音。

今天，IC 制造商能夠集成完整的多通道TGC 路徑，如圖2 所示。多通道、多元件集成使得超聲系統設計變得更容易，并可在不犧牲性能的前提下減少PCB 板尺寸和功耗。隨著(zhù)更高集成度方案變得更加占據主導地位，其在成本、尺寸和功耗降低方面的優(yōu)勢將進(jìn)一步體現出來(lái)，并將使得系統的散熱量更低、電池壽命更長(cháng)。

圖2：常見(jiàn)的集成方法

超聲子系統（如ADI 公司集成了LNA/AAF/ADC 和交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的AD9272/AD9273）實(shí)現了完整的TGC 路徑，這是超聲系統最常見(jiàn)的接收路徑。這兩個(gè)器件為系統設計師提供了在性能和功耗之間進(jìn)行權衡的靈活性：高性能AD9272 具有低噪聲特性（0.75nV/rt-Hz），低功耗AD9273 在采樣率為40MSPS 時(shí)每個(gè)完整TGC 通道僅消耗100mW。這兩款引腳兼容的器件采用串行I/O 來(lái)實(shí)現低引腳數。它們均采用緊湊的14mm×14mm×1.2mm 封裝，與多芯片解決方案相比，它們可將每通道占位面積和功耗降低33％以上。

大多數超聲系統公司承認，他們的核心知識產(chǎn)權（IP）在于探頭和波束形成技術(shù)。多通道芯片正在快速變成大眾化器件，它們使得無(wú)需再采用高成本的ASIC 元件，以及為了完成系統設計和獲得多一點(diǎn)的性能或功耗節省而對單獨TGC 路徑進(jìn)行無(wú)休止的調整和優(yōu)化。

設計師正在考慮對超聲系統的其它部分進(jìn)行進(jìn)一步集成。研究已經(jīng)表明，如果前端電子電路更接近探頭，那么將產(chǎn)生更少的探頭損耗和更好的信號靈敏度，從而允許系統設計師放寬對前端器件(如LNA/VGA)的要求。信號鏈這些部分的集成已證明可能是有益的。

3 超聲醫療儀器的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)如此眾多的超聲應用被開(kāi)發(fā)出來(lái)，對性能和便攜性?xún)煞矫娴囊笠沧兊煤芨?。高性能需求推?dòng)超聲應用（如心臟病和4 維圖像處理）包含最高數量的通道數、特性和選項。功耗在這里不是一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素，因為這些系統往往用于病人的床邊、手術(shù)室、或護士分診臺，但性能變得非常關(guān)鍵，因為這些系統是用于人類(lèi)疾病的診斷。

便攜式超聲設備提供了一個(gè)不同類(lèi)別的應用機會(huì )，特別是在電力系統不太穩定或不可靠的地方，如偏遠村莊診所、緊急醫療服務(wù)、動(dòng)物養殖場(chǎng)、橋梁和大型機械設備檢修車(chē)間。

圖3：用于大型動(dòng)物飼養農場(chǎng)的便攜式超聲系統

超聲系統一般可分為三個(gè)檔次：高端、中檔和低端。高端超聲系統采用最前沿的最新技術(shù)，并具有市場(chǎng)要求的最齊全的功能特性，它們可產(chǎn)生最好的圖像，但也更昂貴。中檔系統一般具有高端超聲系統功能特性的一個(gè)子集，但圖像質(zhì)量沒(méi)有多大的犧牲。低端超聲系統的功能特性進(jìn)一步縮減，在某些情況下，它僅能滿(mǎn)足特定應用的需要，無(wú)論是臨床應用還是其它應用。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展趨勢已顯示，低端系統正開(kāi)始在圖像質(zhì)量上追趕上來(lái)，以實(shí)現更準確、無(wú)創(chuàng )式和及時(shí)的診斷。

4 面向超聲設計的新工具