超聲系統(tǒng)的設計考慮對前端元件選用的影響

引言

在設計超聲前端電路時，在若干重大問題上需要進行折中處理。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，系統(tǒng)的配置和使用目標也將影響到元器件的選用。

設計者應當理解極為重要的指標的含義，這些指標對系統(tǒng)的性能的影響，以及它們是如何受到集成電路（IC）設計的折中取舍。就集成度和半導體工藝技術而言，這些取舍將限制用戶的設計選擇。對這些設計上的考慮的理解將幫助設計者實現(xiàn)最有利的系統(tǒng)劃分方案。我們首先對高層系統(tǒng)進行概述，然后對超聲系統(tǒng)的工作原理進行更為詳細的描述。

系統(tǒng)介紹

醫(yī)用超聲機屬于當前得到廣泛應用的、最為復雜的信號處理機之一。與任何一種復雜的機器類似的是，由于性能要求、物理和成本方面的原因，其設計必須進行多方面的權衡取舍。為了完全理解前端IC所應該具備的功能和性能水平，特別是低噪聲放大器（LNA）、時間增益補償放大器（TGC）和模擬－數(shù)字轉換器（ADC）等IC，就必須從系統(tǒng)的層次理解這種設備。

在超聲前端以及其他多種復雜的電子系統(tǒng)中，這些模擬的信號處理元件都是決定系統(tǒng)總體性能的關鍵性的元件。前端元件的特性決定了系統(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。這當然是任何一個接收信號處理鏈中存在的一個問題，無論是超聲還是無線系統(tǒng)都是如此。

有趣的是，超聲系統(tǒng)在本質上可以被視為一個雷達或者聲納系統(tǒng)，但是它的工作速度與這些系統(tǒng)不在一個數(shù)量級上。典型的超聲系統(tǒng)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雷達是類似的。不同的是雷達工作在GHz頻段，聲納工作在kHz頻段，而超聲則工作在MHz頻段。超聲的設計者們采用并擴展了最早由雷達系統(tǒng)設計者們提出來的、基于相控陣原理的波束定向控制技術（beam steering）。如今，這些系統(tǒng)采用了一些目前最復雜的信號處理設備。

圖1示出了一種簡化的超聲系統(tǒng)圖。在所有這樣的系統(tǒng)中，在較長的（2m）電纜的終端有一個多元件的換能器。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，使得操作者能夠為最優(yōu)的成像質量選出適當?shù)膿Q能器。手柄的選擇是通過高壓（HV繼電器）來選擇的，這會給電纜增加很大的寄生電容。

圖1 超聲系統(tǒng)方框圖

某些陣列使用了一個HV多路復用器/解復用器來降低發(fā)射和接收硬件的復雜性，但相應要在靈活性方面付出代價。最靈活的系統(tǒng)是相控陣數(shù)字波形合成系統(tǒng)，由于需要對所有的通道進行完全的電子控制，因此它們容易成為成本最高的系統(tǒng)。不過，如今最新型的前端IC，如AD8332可調增益放大器（VGA）和AD9238 12bit 模數(shù)轉換器（ADC），正在不斷推動每通道成本的降低，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，Tx波束成形器決定了延遲方式和脈沖序列，它設定了所需要的發(fā)射焦點。波束成形器的輸出則經過高壓發(fā)射放大器放大后驅動換能器。這些放大器受數(shù)模轉換器（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。一般來說，會采用多個發(fā)射焦點——也就是說，待成像的區(qū)域可以通過將發(fā)射能量的匯集焦點逐步向體內推移的方法來向深處擴展。采用多個區(qū)域的主要原因是，待成像的點在人體內的深度越大，所需發(fā)射的能量就應該越大，因為信號會隨著向體內的傳播（和返回）而逐步衰減。

在接收側（Rx），有一個通常由二極管橋所構成的T/R開關，它可以阻止高壓Tx脈沖的通過。這個開關之后又接有一個低噪聲的放大器（LNA）和一個或多個可調增益放大器（VGA），這些放大器用于實現(xiàn)時間增益補償（TGC），有時也實現(xiàn)變跡濾波（空間“加窗”，用于減少波束的旁瓣）功能。時間增益控制——可以提高人體深處（因此信號到達也越晚）的信號的增益，則由操作者來控制，用于維持圖像的均勻度。

信號經過放大后，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，是因為CW Doppler處理的動態(tài)范圍仍然過大，無法通過與圖像在同一個通道進行處理。最后，Rx波束經過處理，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所提出的挑戰(zhàn)以及它們對前端元件的影響，非常重要的是要記住這種成像模式試圖實現(xiàn)的目標。首先，它應該能精確地呈現(xiàn)人體內部的器官，其次，通過Doppler信號處理，可以確定人體內部的運動（例如，血流）。從該信息出發(fā)，醫(yī)生可以對心臟的瓣膜或者血管是否正常工作下結論。

采集模式

超聲的采集模式有三種：B模式（灰度級成像；2D）；F模式（Colorflow或者Doppler成像；血流）；以及D模式（頻譜多普勒）。B模式可以產生傳統(tǒng)的灰度級圖像，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B模式的時間線。）

醫(yī)用超聲的工作頻率在1MHz～40MHz范圍內，體外成像機一般采用的頻率為1MHz～15MHz，而靜脈內心血管測量機則使用高達40MHz的頻率。原則上希望采用更高的頻率，因為它們可以提供更好的分辨率，但是組織的衰減作用限制了給定透入深度所對應的最高頻率。不過，人們也無法任意提高超聲的頻率來獲得更細微的分辨率，因為超聲信號的衰減率約為1dB/cm/MHz，也就是說，對于10MHz的超聲信號和5cm的透入深度而言，往返的信號已經衰減了5× 2×10 = 100 dB！為了在任意位置都能達到約60dB的瞬時動態(tài)范圍，對動態(tài)范圍的要求高達160dB（對應的電壓動態(tài)范圍是1×108：1）！如此之高的動態(tài)范圍是無法直接實現(xiàn)的；因此，必須在系統(tǒng)復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）。