超聲便攜式設備的系統劃分

　　上世紀90年代初，便攜式電話(huà)風(fēng)靡一時(shí)，隨著(zhù)電子技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展，現今的手機除了可以發(fā)送電子郵件和短信，還能拍照、查詢(xún)股票價(jià)格、安排會(huì )議；當然，也可以同世界上任何地方的任何人通話(huà)。
       
　　同樣在醫療領(lǐng)域中，以前所謂的便攜式超聲系統曾裝載在手推車(chē)上以便于拖拽；而今天的醫用超聲系統也在持續向小型化發(fā)展，并且被醫生們稱(chēng)為“新型聽(tīng)診器”。
　　
　　超聲系統的便攜式趨勢
　　
　　由于超聲的優(yōu)異功用，市場(chǎng)對超聲系統的便攜性有很高的要求。便攜性的提升可以在無(wú)法提供可靠電源的遠程應用中使用這些設備，如偏遠鄉村的臨床醫療、緊急醫療服務(wù)、大型動(dòng)物飼養、以及橋梁、大型機械和輸油管線(xiàn)的檢驗等。
      
　　超聲系統可以分為高、中、低端三類(lèi)。高端超聲系統采用最新的技術(shù)，滿(mǎn)足市場(chǎng)最新的要求，并且提供最佳的圖像質(zhì)量。中端超聲系統在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下，通常具有高端超聲系統的部分特性。而低端超聲系統的體積一般較小，一般應用于臨床醫療等特定應用。
　　
　　超聲信號鏈路
　　
　　醫用超聲的波束成形被定義為信號的相位對準和求和，該信號由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時(shí)間點(diǎn)接收。在CWD（連續多普勒）路徑中，對接收器通道進(jìn)行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有兩個(gè)功能：一個(gè)是向傳感器指明方向，即提高其增益；另一個(gè)是定義人體內的焦點(diǎn)，由該焦點(diǎn)得到回波的位置（圖1）。

　　對于波束成形，可以采用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系統之間的主要差別在于完成波束成形的方式，這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF中使用了“模擬延遲線(xiàn)”和求和的方式，其中僅需要一個(gè)（分辨率非常高的）高速ADC。而在DBF系統中，需要多個(gè)高速高分辨率ADC。有時(shí)候在A(yíng)BF系統的ADC之前使用對數放大器壓縮動(dòng)態(tài)范圍。在DBF系統中，應盡可能接近傳感器單元來(lái)采集信號，然后將信號延遲并對其進(jìn)行數字求和。
　　
　　由于數字IC的性能以非常高的速度持續提高，在采集數據之后，數字存儲和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的；通過(guò)對FIFO中不同位置的數據求和，可以容易地形成多個(gè)波束而更加靈活，出于以上優(yōu)勢，大部分現代圖像采集超聲系統常采用DBF，此外模擬延遲線(xiàn)的通道之間的匹配性往往較差，延遲抽頭的數目也受到限制，且必須使用微調電路。

　　然而另一方面，ABF和DBF之間的優(yōu)缺點(diǎn)也是相對的。相對于A(yíng)BF，DBF需要多個(gè)高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動(dòng)態(tài)范圍，因此至少需要10 bit的ADC），而ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調節的準確度，采樣速率越高，相位延遲就越精細；另外由于使用多個(gè)ADC和數字波束成形ASIC，因此功耗較高。
　　
　　系統劃分策略
　　
　　雖然已存在許多先進(jìn)的電子技術(shù)，但是超聲系統的設計仍然十分復雜。許多年來(lái)，制造商通過(guò)設計定制ASIC來(lái)實(shí)現復雜的系統。該解決方案通常包括兩個(gè)ASIC，其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分，如圖2所示。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這一方法非常常見(jiàn)。該定制電路允許設計人員加入一些廉價(jià)的、靈活的功能。由于集成大部分的信號鏈路，減少了系統中使用外部元件的數目，因此該解決方案成本較低；但是其缺點(diǎn)在于，隨著(zhù)時(shí)間的推移，光刻技術(shù)的發(fā)展使得這些ASIC已不能滿(mǎn)足進(jìn)一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門(mén)電路，它們的數字技術(shù)不能針對集成模擬功能進(jìn)行優(yōu)化；而且僅有有限的供應商可以定制ASIC器件，這將導致設計者面臨一些瓶頸。

　　超聲系統的便攜性是有局限的，但的確是可行的。即便這樣，這也是解決系統劃分問(wèn)題的重要的第一步。便攜性不僅指產(chǎn)品體積，而且也表現在電池壽命方面，因為這些電路對功耗的要求非常高。隨著(zhù)四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出現，體積和功耗得到進(jìn)一步減小，也隨之產(chǎn)生了解決便攜性問(wèn)題的新型的系統方法。多通道器件允許設計人員在構造系統時(shí)，將敏感電路放置在兩個(gè)或更多的電路板上，可以減小系統體積，并且有利于在多個(gè)開(kāi)發(fā)平臺上重復利用該電路。但是這一方法也存在缺點(diǎn)，系統體積減小也依賴(lài)于系統劃分，多通道器件可能使PCB的布線(xiàn)極為繁瑣，迫使設計人員使用通道數目較少的器件，例如從八通道ADC變?yōu)樗耐ǖ繟DC，而且如果系統體積較小，還會(huì )帶來(lái)散熱的問(wèn)題。
　　
　　隨著(zhù)完整的TGC路徑的進(jìn)一步集成，多通道、多元件的集成使設計變得更加容易，這是因為它們對PCB尺寸和功耗的要求進(jìn)一步降低。隨著(zhù)更高級的集成方案的廣泛使用，可以進(jìn)一步減少成本、供應商數量、系統體積和功耗。系統散熱量有效降低，可延長(cháng)便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統為滿(mǎn)足緊湊性要求而設計，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝，每個(gè)完整的TGC通道在40 MSps下功耗僅為150 mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數目，因此使每個(gè)通道的總面積至少減少1/3，功耗至少降低25%。

　　但是AD9271不可能滿(mǎn)足每個(gè)超聲系統設計人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中，或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是：連接探針單元的電纜會(huì )對動(dòng)態(tài)范圍有些不良影響，而且成本較高。如果前端電子元件比較接近探針，那么就可以減少影響信號靈敏度的探針損耗，允許設計人員降低系統對LNA的要求。也可將LNA集成到探針單元中；或將VGA控制放在探針和電路板上的元件之間。隨著(zhù)器件的尺寸不斷縮小，系統也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點(diǎn)在于，設計人員需要對探針進(jìn)行全定制設計。換言之，探針/電子器件的定制設計將使設計人員回到ASIC實(shí)例中存在的技術(shù)瓶頸，而且供應商是有限的。
　　
　　現今大部分超聲系統公司將其大部分知識產(chǎn)權（IP）應用于探針和波束成形技術(shù)，使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC來(lái)完成系統，消除了對高成本元器件的需要，而且簡(jiǎn)化了獨立TGC路徑的調整和優(yōu)化。此外，也可以考慮進(jìn)一步集成超聲系統的其它部分。在生產(chǎn)能力許可且市場(chǎng)導向目標適當的前提下，這些其它信號鏈路部分的集成將是有利的。
　　
　　結論
　　
　　脈沖回波技術(shù)早期用于檢測大型水下船體和潛艇，也可檢驗結構制造中的裂縫，目前超聲技術(shù)已走入日常生活，其進(jìn)一步的廣泛應用也僅僅是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。醫療和工業(yè)應用對便攜式超聲系統的需求日益增長(cháng)，各種系統對設備的緊湊性和便攜性都有著(zhù)類(lèi)似的要求。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信在不久的將來(lái)，用戶(hù)就可以利用手機發(fā)送胎兒的掃描圖像了。