新聞中心

EEPW首頁(yè) > 醫(yī)療電子 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮對(duì)前端元件選用的影響

超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮對(duì)前端元件選用的影響

作者: 時(shí)間:2012-04-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199330.htm

在設(shè)計(jì)超聲前端電路時(shí),在若干重大問題上需要進(jìn)行折中處理。前端電路的元器件的性能參數(shù)將影響到診斷的性能——反過來(lái),系統(tǒng)的配置和使用目標(biāo)也將影響到元器件的選用。

設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)理解極為重要的指標(biāo)的含義,這些指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的性能的影響,以及它們是如何受到集成電路(IC)設(shè)計(jì)的折中取舍。就集成度和半導(dǎo)體工藝技術(shù)而言,這些取舍將限制用戶的設(shè)計(jì)選擇。對(duì)這些設(shè)計(jì)上的考慮的理解將幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)最有利的系統(tǒng)劃分方案。我們首先對(duì)高層系統(tǒng)進(jìn)行概述,然后對(duì)的工作原理進(jìn)行更為詳細(xì)的描述。

系統(tǒng)介紹

醫(yī)用超聲機(jī)屬于當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用的、最為復(fù)雜的信號(hào)處理機(jī)之一。與任何一種復(fù)雜的機(jī)器類似的是,由于性能要求、物理和成本方面的原因,其設(shè)計(jì)必須進(jìn)行多方面的權(quán)衡取舍。為了完全理解前端IC所應(yīng)該具備的功能和性能水平,特別是低噪聲放大器(LNA)、時(shí)間增益補(bǔ)償放大器(TGC)和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等IC,就必須從系統(tǒng)的層次理解這種設(shè)備。

在超聲前端以及其他多種復(fù)雜的電子系統(tǒng)中,這些模擬的信號(hào)處理都是決定系統(tǒng)總體性能的關(guān)鍵性的。前端的特性決定了系統(tǒng)性能的極限,一旦在這一部分引入噪聲和失真,要在后續(xù)部分將其除去將是不可能的。這當(dāng)然是任何一個(gè)接收信號(hào)處理鏈中存在的一個(gè)問題,無(wú)論是超聲還是無(wú)線系統(tǒng)都是如此。

有趣的是,在本質(zhì)上可以被視為一個(gè)雷達(dá)或者聲納系統(tǒng),但是它的工作速度與這些系統(tǒng)不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。典型的在概念上與安裝在商用、軍用航空器和軍用艦船上的相控陣?yán)走_(dá)是類似的。不同的是雷達(dá)工作在GHz頻段,聲納工作在kHz頻段,而超聲則工作在MHz頻段。超聲的設(shè)計(jì)者們采用并擴(kuò)展了最早由雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們提出來(lái)的、基于相控陣原理的波束定向控制技術(shù)(beam steering)。如今,這些系統(tǒng)采用了一些目前最復(fù)雜的信號(hào)處理設(shè)備。

圖1示出了一種簡(jiǎn)化的超聲系統(tǒng)圖。在所有這樣的系統(tǒng)中,在較長(zhǎng)的(2m)電纜的終端有一個(gè)多元件的換能器。該電纜中有48至256路微同軸電纜,是系統(tǒng)最昂貴的部件之一。在大多數(shù)系統(tǒng)中,有若干不同的換能器探頭(也被稱為手柄——手柄是指包含著換能器元件并通過電纜與系統(tǒng)相連接的部件單元)可以與系統(tǒng)相連,使得操作者能夠?yàn)樽顑?yōu)的成像質(zhì)量選出適當(dāng)?shù)膿Q能器。手柄的選擇是通過高壓(HV繼電器)來(lái)選擇的,這會(huì)給電纜增加很大的寄生電容。

3603_fig01.gif

圖1 超聲系統(tǒng)方框圖

某些陣列使用了一個(gè)HV多路復(fù)用器/解復(fù)用器來(lái)降低發(fā)射和接收硬件的復(fù)雜性,但相應(yīng)要在靈活性方面付出代價(jià)。最靈活的系統(tǒng)是相控陣數(shù)字波形合成系統(tǒng),由于需要對(duì)所有的通道進(jìn)行完全的電子控制,因此它們?nèi)菀壮蔀槌杀咀罡叩南到y(tǒng)。不過,如今最新型的前端IC,如AD8332可調(diào)增益放大器(VGA)和AD9238 12bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),正在不斷推動(dòng)每通道成本的降低,因此,如今即使在中檔和低成本的系統(tǒng)中也引入了全部單元的全電子控制。

在發(fā)射(Tx)一側(cè),Tx波束成形器決定了延遲方式和脈沖序列,它設(shè)定了所需要的發(fā)射焦點(diǎn)。波束成形器的輸出則經(jīng)過高壓發(fā)射放大器放大后驅(qū)動(dòng)換能器。這些放大器受數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)控制,以修整發(fā)射的脈沖波形,以便提高能送到換能器元件的能量。一般來(lái)說(shuō),會(huì)采用多個(gè)發(fā)射焦點(diǎn)——也就是說(shuō),待成像的區(qū)域可以通過將發(fā)射能量的匯集焦點(diǎn)逐步向體內(nèi)推移的方法來(lái)向深處擴(kuò)展。采用多個(gè)區(qū)域的主要原因是,待成像的點(diǎn)在人體內(nèi)的深度越大,所需發(fā)射的能量就應(yīng)該越大,因?yàn)樾盘?hào)會(huì)隨著向體內(nèi)的傳播(和返回)而逐步衰減。

在接收側(cè)(Rx),有一個(gè)通常由二極管橋所構(gòu)成的T/R開關(guān),它可以阻止高壓Tx脈沖的通過。這個(gè)開關(guān)之后又接有一個(gè)低噪聲的放大器(LNA)和一個(gè)或多個(gè)可調(diào)增益放大器(VGA),這些放大器用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償(TGC),有時(shí)也實(shí)現(xiàn)變跡濾波(空間“加窗”,用于減少波束的旁瓣)功能。時(shí)間增益控制——可以提高人體深處(因此信號(hào)到達(dá)也越晚)的信號(hào)的增益,則由操作者來(lái)控制,用于維持圖像的均勻度。

信號(hào)經(jīng)過放大后,波束成形就開始執(zhí)行,這種功能可以以模擬(ABF)或者數(shù)字(DBF)形式實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代系統(tǒng)中,大部分是數(shù)字化的,除了連續(xù)波(continuous-wave,CW)多普勒處理外。之所以還要采用模擬方法,是因?yàn)镃W Doppler處理的動(dòng)態(tài)范圍仍然過大,無(wú)法通過與圖像在同一個(gè)通道進(jìn)行處理。最后,Rx波束經(jīng)過處理,以顯示出灰度圖像、疊加在2D圖像上的Colorflow圖像,和/或多普勒輸出。

超聲系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)

為了充分理解超聲技術(shù)所提出的挑戰(zhàn)以及它們對(duì)前端元件的影響,非常重要的是要記住這種成像模式試圖實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。首先,它應(yīng)該能精確地呈現(xiàn)人體內(nèi)部的器官,其次,通過Doppler信號(hào)處理,可以確定人體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)(例如,血流)。從該信息出發(fā),醫(yī)生可以對(duì)心臟的瓣膜或者血管是否正常工作下結(jié)論。

采集模式

超聲的采集模式有三種:B模式(灰度級(jí)成像;2D);F模式(Colorflow或者Doppler成像;血流);以及D模式(頻譜多普勒)。B模式可以產(chǎn)生傳統(tǒng)的灰度級(jí)圖像,F(xiàn)模式是一種疊加在B模式顯示上的彩色圖像,用于顯示血流;D模式則屬于Doppler顯示,可以示出血流的速度及頻率。(還有一種M模式,它用于顯示單個(gè)B模式的時(shí)間線。)

醫(yī)用超聲的工作頻率在1MHz~40MHz范圍內(nèi),體外成像機(jī)一般采用的頻率為1MHz~15MHz,而靜脈內(nèi)心血管測(cè)量機(jī)則使用高達(dá)40MHz的頻率。原則上希望采用更高的頻率,因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└玫姆直媛?,但是組織的衰減作用限制了給定透入深度所對(duì)應(yīng)的最高頻率。不過,人們也無(wú)法任意提高超聲的頻率來(lái)獲得更細(xì)微的分辨率,因?yàn)槌曅盘?hào)的衰減率約為1dB/cm/MHz,也就是說(shuō),對(duì)于10MHz的超聲信號(hào)和5cm的透入深度而言,往返的信號(hào)已經(jīng)衰減了5× 2×10 = 100 dB!為了在任意位置都能達(dá)到約60dB的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍,對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求高達(dá)160dB(對(duì)應(yīng)的電壓動(dòng)態(tài)范圍是1×108:1)!如此之高的動(dòng)態(tài)范圍是無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)的;因此,必須在系統(tǒng)復(fù)雜程度和前端性能之間做出均衡,要么是透入深度(受到安全方面的法規(guī)關(guān)于容許的最高發(fā)射功率的限制),要么是圖像分辨率(使用較低的超聲頻率)。

電子血壓計(jì)相關(guān)文章:電子血壓計(jì)原理



上一頁(yè) 1 2 3 下一頁(yè)

關(guān)鍵詞: 超聲系統(tǒng) 元件

評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉