超聲應(yīng)用處理器改善成像質(zhì)量

超聲設(shè)備最廣為人知的應(yīng)用是能夠讓孕婦了解胎兒的發(fā)育情況，但現(xiàn)在已發(fā)展出許多其它應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)婦科應(yīng)用的范疇。

例如，在獸醫(yī)領(lǐng)域，常常使用超聲技術(shù)來診斷貴重動(dòng)物的疾病，以及監(jiān)控大型動(dòng)物的食品生產(chǎn)情況。在工業(yè)領(lǐng)域，用戶可以使用超聲設(shè)備掃描橋梁等有無裂紋和缺陷。

隨著新興應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)超聲設(shè)備的性能和便攜要求日益提高。性能驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，如心臟病學(xué)和4D圖像處理等，需要大量的通道、功能和選項(xiàng)，功耗不是主要因素，因?yàn)檫@類設(shè)備一般是在病床旁邊、手術(shù)室或護(hù)士站對(duì)病人進(jìn)行診斷。然而，在缺少或沒有可靠電源的情況下，如偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村診所、緊急醫(yī)療服務(wù)和畜牧場(chǎng)等，則需要使用便攜式設(shè)備。

設(shè)計(jì)超聲設(shè)備需要權(quán)衡許多因素。例如，便攜性和性能之間必須取得平衡。為此，ADI公司開發(fā)出了針對(duì)超聲設(shè)備的AD927x系列模擬前端(AFE)，LNA/VGA/AAF和ADC完全集成于一個(gè)器件中。任何超聲設(shè)備在通過波束成形器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理之前，都會(huì)用到這種模擬信號(hào)鏈。低功耗處理器AD9273（每通道100 mW）專為便攜式設(shè)計(jì)而開發(fā)，滿足口袋型復(fù)雜單元的需求；低噪聲處理器AD9272則能滿足最高動(dòng)態(tài)范圍手推式超聲系統(tǒng)的性能需求。

更高分辨率
成像質(zhì)量是所有超聲設(shè)備的關(guān)鍵考慮。圖像越清晰，則診斷越快速、越準(zhǔn)確。聲波信號(hào)穿透皮膚時(shí)，衰減幅度約為1 dB/cm/MHz。假設(shè)使用8 MHz探頭，穿透深度為4 cm，并且同時(shí)考慮傳出和返回衰減，則從人體內(nèi)部組織返回的信號(hào)與近表皮反射信號(hào)相差64 dB (4 × 8 × 2)。這意味著，成像分辨率必須為40 dB以上，才能補(bǔ)償骨骼、電纜和其它不匹配所造成的損失。根據(jù)具體應(yīng)用不同，所需的動(dòng)態(tài)范圍可能接近120 dB。為了正確看待這一點(diǎn)，假設(shè)有一個(gè)0.5 V p-p滿量程信號(hào)，在10 MHz帶寬中其噪底為0.86 nV/√Hz，這意味著輸入動(dòng)態(tài)范圍為96 dB。多個(gè)通道會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍提高10log(N)（N為通道數(shù)）。例如，128個(gè)通道會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍提高21 dB，這就將動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)際限制確定為117 dB（即96 + 21）。

更高集成度
相比于分立多通道器件，集成超聲的完整時(shí)間增益壓縮路徑可提供多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。多通道、多器件集成降低了對(duì)PCB尺寸和功耗的要求，所以一般能夠簡化設(shè)計(jì)方法。例如，以前的處理器要求獨(dú)立的低噪聲放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個(gè)器件都需要經(jīng)過長時(shí)間的調(diào)整才能與其它器件配合工作。大多數(shù)超聲系統(tǒng)都有許多通道，從16通道到256通道不等，每個(gè)通道的路徑中都有LNA/VGA/AAF/ADC功能。以前，超聲設(shè)備設(shè)計(jì)師不得不使用分立器件來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，使得系統(tǒng)電路板非常龐大。

隨著芯片內(nèi)置的功能越來越多，給設(shè)計(jì)帶來的好處包括：成本得以降低、適用范圍更廣、尺寸更小、功耗更低。此外，便攜式單元在滿足高成像質(zhì)量要求的同時(shí)，產(chǎn)生的熱量也更少，電池使用時(shí)間更長。

AD927X系列
AD927x系列處理器將8個(gè)LNA/VGA/AAF/ADC通道和1個(gè)交叉點(diǎn)開關(guān)集成于一個(gè)完整的時(shí)間增益壓縮路徑——超聲設(shè)備最常見的接收器路徑中，有助于減少所需器件的數(shù)量，縮小電路板空間。利用這些新型處理器，超聲設(shè)備設(shè)計(jì)師可以靈活地用功耗換取性能。例如，低噪聲、高性能AD9272一個(gè)完整通道的噪聲僅有0.86 nV/√Hz，而低功耗AD9273在40 MSPS時(shí)的功耗僅為每通道100 mW。兩款處理器引腳兼容，使用串行I/O來降低引腳數(shù)量，因而每通道面積比多器件設(shè)計(jì)減少33%以上。

集成多通道器件的進(jìn)步使系統(tǒng)靈活性不斷提高。隨著超聲市場(chǎng)的發(fā)展，集成豐富功能的器件和能夠縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期的配置工具將催生創(chuàng)新的在線產(chǎn)品，為開發(fā)各種可配置、可擴(kuò)展、多樣化的超聲產(chǎn)品提供便利，從而滿足更高成像質(zhì)量的需求。