通過(guò)集成與功耗調整解決超聲系統面臨的工程技

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

　　超聲系統的信號鏈

　　圖1：典型的超聲系統信號鏈

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

　　在發(fā)射側(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(guò)驅動(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模轉換器(DAC)或高壓FET開(kāi)關(guān)陣列的控制下調整發(fā)送脈沖，以便向傳感器件更好地提供能量。在接收側，通常有一個(gè)二極管橋組成的發(fā)送/接收(T/R)開(kāi)關(guān)，用于抑制高壓發(fā)送脈沖。在一些開(kāi)關(guān)陣列中還會(huì )使用高壓(HV)復用器/解復用器來(lái)減少發(fā)送和接收硬件的復雜性，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)、可變增益放大器(VGA)和模數轉換器(ADC)組成。VGA通常具有線(xiàn)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的衰耗。在操作人員控制下，TGC通道可以用來(lái)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備實(shí)現最佳的噪聲性能。

　　VGA需要壓縮寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號，以滿(mǎn)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，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(mén)限的設置依據是由ADC分辨率確定的本底量化噪聲。早期的超聲系統采用10位ADC，但現代大多數超聲系統使用12位或14位的ADC。

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

　　應用于醫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的相位對齊和累加。在連續波多普勒(CWD)通道中，要對所有接收器通道進(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)和數字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統之間的區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(xiàn)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系統中的信號在盡量靠近傳感器元件的地方完成采樣，然后經(jīng)過(guò)延時(shí)以數字方式完成累加。圖2就是DBF架構的簡(jiǎn)化框圖。

　　圖2：數字波束成形(DBF)系統的簡(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，超聲系統仍是目前最復雜的系統之一。就像其它復雜系統一樣，超聲系統也有許多系統劃分方法。下面簡(jiǎn)要介紹幾種超聲系統劃分策略。

　　早期的超聲系統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(mén)電路，而這種數字技術(shù)對模擬功能(如放大器和ADC)來(lái)說(shuō)并不是最優(yōu)的。使用ASIC的系統必須非常依賴(lài)個(gè)別供應商產(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(zhù)降低。這些多通道元件允許設計師將不同電路板上的敏感性模擬電路與數字電路分隔開(kāi)來(lái)，這樣不僅方便了系統伸縮調整，而且在許多平臺上能更好地復用電子電路。

　　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(xiàn)非常困難，在某些情況下將迫使設計師使用通道數量較少的器件，比如從八通道ADC改用四通道ADC。在很小的面積內放置大量的這種多通道元件還會(huì )引起散熱問(wèn)題，因此確定最優(yōu)的劃分策略極具挑戰性。

　　采用多通道、多元件集成方法進(jìn)一步集成整個(gè)TGC通道能使設計方法變得更簡(jiǎn)單，因為對PCB尺寸和功耗的要求可以進(jìn)一步降低。隨著(zhù)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(cháng)電池續航時(shí)間方面的優(yōu)勢將更加明顯。

　　利用超聲子系統就可以搭建上述這種架構，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。請記住，從探頭開(kāi)始的線(xiàn)纜對動(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(xiàn)纜損耗效應就越小，對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。最終系統應該是越來(lái)越緊湊，可適配進(jìn)超小型封裝。缺點(diǎn)是設計師兜了個(gè)大圈子，現在必須定制探頭。換句話(huà)說(shuō)，探頭/電路定制將導致現代設計師面臨早前使用數字ASIC的設計師面臨的同樣問(wèn)題。

　　使用現代IC實(shí)現功耗/性能優(yōu)化

　　超聲技術(shù)覆蓋種類(lèi)廣泛的各種應用，因此系統設計師必須做出更多的折衷考慮。每種診斷成像設備在性能與功耗方面都有一定的限制。而新的器件允許設計師通過(guò)在IC內完成性能與功耗比的優(yōu)化而從容應對這些挑戰，進(jìn)而縮短上市時(shí)間。能夠在IC內部提供用于調整輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益等大量可選功能的超聲系統確實(shí)值得我們期待。根據不同的成像設備或探頭類(lèi)型，系統設計師可以實(shí)時(shí)并且適當地對設計作出系統性調整，從而以最小的功耗提供最大的性能。

　　設計師還能對這些器件應用配置設計工具，實(shí)現對單個(gè)探頭和設備性能的評估，如圖3所示。系統設計師可以快速作出這些折衷，并直接在IC級調整系統設計，無(wú)需改變硬件和執行復雜的圖像處理測試來(lái)確認這些折衷。另外，配置工具可以將優(yōu)化的配置參數轉換成數字設置參數，并產(chǎn)生一個(gè)能夠復制部分最終系統配置設置的文件。

　　圖3：超聲子系統配置工具圖形用戶(hù)界面。

　　結束語(yǔ)

　　醫療和工業(yè)應用領(lǐng)域中的超聲系統都有向便攜和低功耗發(fā)展的趨勢。所有這些系統都有相似的要求，并且近年來(lái)都通過(guò)集成和功耗調整技術(shù)實(shí)現了創(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(wú)疑會(huì )使系統設計師的生活變得更加輕松，能夠幫助他們根據成像設備的不同開(kāi)發(fā)出多樣化的超聲產(chǎn)品，并且具有可配置和可調整的性能與功耗特性。

　　大多數超聲制造商的知識產(chǎn)權(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在內的常用器件的多通道集成減少了高成本的模擬器件數量，并且減少了TGC通道中耗時(shí)的校準需求。超聲系統中的其它部分也具有進(jìn)一步集成的可能性。信號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。