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

所接收到的信號(hào)的巨大的動(dòng)態(tài)范圍帶來(lái)了最嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。前端電路必須同時(shí)具有很低的噪聲和承受大信號(hào)的能力——任何在通信的要求方面有經(jīng)驗(yàn)的人對(duì)此種需求都很熟悉。例如，如果電纜在特定頻率的損耗為2dB，則噪聲系數(shù)將衰減2dB。這就意味著電纜后的第一個(gè)放大器的噪聲系數(shù)必須比采用無(wú)損耗電纜時(shí)低2dB?？梢员荛_(kāi)這一問(wèn)題的一個(gè)可能的辦法是把放大器放置在換能器手柄上。不過(guò)，這也會(huì)遇到嚴(yán)重的尺寸和功耗方面的限制；另外，需要對(duì)高壓瞬態(tài)脈沖進(jìn)行防護(hù)的需求也使得這種解決方案難以實(shí)施。

另一個(gè)挑戰(zhàn)則是換能器元件和人體之間巨大的聲學(xué)阻抗失配。能量發(fā)射的高效率，離不開(kāi)聲學(xué)阻抗的匹配層（類(lèi)似于電阻抗匹配射頻電路）。這往往需要在手柄的換能器元件前敷設(shè)一兩層匹配層，這些材料后面接有一個(gè)透鏡，再后面是耦合乳膏。乳膏本身可以實(shí)現(xiàn)與人體的聲學(xué)接觸——因?yàn)榭諝馐且环N很好的聲反射體。

接收電路所要解決的另一個(gè)重要的問(wèn)題是從過(guò)載中快速恢復(fù)的能力。即使T/R開(kāi)關(guān)的用途就是保護(hù)接收器不會(huì)承受很大的脈沖，這些脈沖通過(guò)開(kāi)關(guān)的少量泄漏也足以讓前端電路過(guò)載。過(guò)載恢復(fù)能力欠佳將導(dǎo)致接收機(jī)“盲視”，直到恢復(fù)為止，這將直接影響到在距離皮膚多近的部位可以形成圖像。

超聲圖像是如何形成的——B模式

圖2示出了不同的掃描圖像是如何形成的。在所有4種掃描模式下，具有矩形邊界的掃描線所成的圖像是圖像的真實(shí)呈現(xiàn)，因?yàn)檫@是將在顯示監(jiān)視器上出現(xiàn)的圖像。這里僅示出了單個(gè)換能器的機(jī)械移動(dòng)（箭頭所指的方向）以方便對(duì)成像原理的理解，但是一個(gè)直線陣列在沒(méi)有機(jī)械移動(dòng)的情況下也可以產(chǎn)生相同種類(lèi)的圖像。在線掃描的例子中，換能元件沿著水平方向移動(dòng)；對(duì)應(yīng)于每條掃描線（圖像中所示的線），都會(huì)發(fā)送一個(gè)Tx脈沖，而來(lái)自于不同深度的各種反射信號(hào)被記錄下來(lái)，通過(guò)掃描方式轉(zhuǎn)換成視頻顯示。單個(gè)換能器在圖像采集過(guò)程中的移動(dòng)方式，將決定圖像的形狀。這直接變換成線陣列換能器的形狀，也就是說(shuō)，對(duì)于直線掃描而言，該陣列將是直線狀的，而對(duì)于弧形掃描而言，陣列將是凹面的。

圖2 單換能器圖像生成

從機(jī)械單換能器系統(tǒng)到電子系統(tǒng)所需要邁出的一步也可以通過(guò)考察圖2所示的直線掃描方式來(lái)輕松地予以解釋。如果單換能器單元被劃分為多個(gè)小塊，則如果一次激勵(lì)一個(gè)單元并紀(jì)錄來(lái)自于人體的反射信號(hào)的話，則還可以獲得如圖所示的矩形圖像，只是現(xiàn)在操作員不再需要移動(dòng)換能器元件。從這一例子可以看出，弧形掃描可以由一個(gè)組成凹面形狀的線陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)；扇形掃描將由呈凸面排列的線性陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。

雖然上述的實(shí)例解釋了B模式超聲圖像生成的基本原理，但一個(gè)現(xiàn)代系統(tǒng)一次不止使用一個(gè)單元來(lái)產(chǎn)生掃描線，因?yàn)樗梢宰屜到y(tǒng)的孔徑發(fā)生改變。改變孔徑類(lèi)似于改變光學(xué)系統(tǒng)中的焦點(diǎn)位置，這有助于產(chǎn)生更清晰的圖像。圖3示出了線性陣列和相控陣是如何做到這一點(diǎn)的；主要的差別在于在相控陣中，所有的單元都被同時(shí)用到，而在一個(gè)線陣列中，所有的陣列單元中只有一部分被用到。只用到較少的單元，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了電子方面的硬件，但它增加了對(duì)給定的視場(chǎng)進(jìn)行成像所需的時(shí)間。相控陣則不同，因?yàn)樗捎昧松刃畏植迹恍韬苌俚膿Q能器就可以對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行大面積成像。這也就是相控陣換能器在心臟成像等應(yīng)用領(lǐng)域的首選，在這些應(yīng)用中，操作員必須能利用肋骨間的狹小空間來(lái)對(duì)尺寸大得多的心臟進(jìn)行成像。

圖3 線性vs 相控陣成像

陣列中的激勵(lì)是沿著掃描線發(fā)出的，其方式由一組預(yù)計(jì)將同時(shí)到達(dá)某個(gè)焦點(diǎn)的延遲分布來(lái)決定的。這些脈沖（圖3）可以由陣列（填充陰影的圖形）上方垂直的時(shí)間線上的“彎曲”來(lái)表示——從陣列的表面往上對(duì)應(yīng)著時(shí)間的增加。圖3所示的直線的步進(jìn)陣列，將能向一組單元（孔徑）提供具有特定形狀的激勵(lì)，然后通過(guò)添加一個(gè)前面的元件并剔除一個(gè)后方的單元來(lái)讓孔徑發(fā)生步進(jìn)移動(dòng)。發(fā)生每一步時(shí)，一條掃描線（波束）是由同時(shí)到達(dá)的脈沖所形成的。在相控陣中，所有的換能器都同時(shí)激活。在上面所示出的例子中，暗線是對(duì)所示的脈沖方式所產(chǎn)生的反射數(shù)據(jù)進(jìn)行成像的掃描線。

模擬vs 數(shù)字波束成形技術(shù)

在模擬波束成形（ABF）和數(shù)字波束成形（DBF）超聲系統(tǒng)，所接收到的、從沿著一條波束的特定焦點(diǎn)反射的脈沖信號(hào)將被按通道儲(chǔ)存起來(lái)，然后在時(shí)間上對(duì)準(zhǔn)，并進(jìn)行一致性求和，這可以提供空間的處理增益，因?yàn)楦魍ǖ赖脑肼暿欠窍嚓P(guān)的。圖像可以由如下的兩種方式之一來(lái)形成：經(jīng)過(guò)模擬延遲線形成模擬電平序列，然后求和，并在求和后最終變換成數(shù)字形式（ABF）；或者，在盡可能接近換能元件的位置對(duì)模擬電壓電平進(jìn)行采樣，將這些采樣值存入內(nèi)存（FIFO），然后將它們通過(guò)數(shù)字化的處理求和（DBF）。

圖4和圖5示出了ABF和DBF系統(tǒng)的基本方框圖。兩種類(lèi)型的系統(tǒng)都需要完美的通道間匹配。請(qǐng)注意，兩種實(shí)現(xiàn)方案都需要可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA），而且對(duì)于數(shù)字波束成形也始終都需要VGA，直到可以獲得動(dòng)態(tài)范圍足夠高并且成本合理、功耗足夠低的ADC為止。請(qǐng)注意，ABF成像系統(tǒng)只需要一個(gè)高分辨率和高速的ADC即可，但一個(gè)DBF系統(tǒng)需要多個(gè)高速、高分辨率的ADC。有時(shí)在ABF系統(tǒng)中還需要一個(gè)對(duì)數(shù)放大器，以便在ADC接收信號(hào)之前壓縮動(dòng)態(tài)范圍。