超聲成像系統(tǒng)的功能介紹及電子元件的設計考慮

　　抗混疊濾波器(AAF)和ADC

　　抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常最大成像頻率范圍的信號，防止這些信號通過ADC轉換混疊至基帶。設計中大多采用可調(diào)節(jié)的AAF，為了抑制混疊并保證信號的時域響應，濾波器需要對第一奈奎斯特頻率以外的信號進行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。

　　典型應用中采用12位ADC，采樣率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的瞬態(tài)動態(tài)響應范圍，同時具有適當?shù)某杀竞凸摹Ｔ谠O計得當?shù)慕邮掌髦?，ADC會限制接收通道的瞬態(tài)SNR。如上所述，性能差的VGA會限制整個接收通道的SNR指標。

　　數(shù)字波束成形器

　　ADC的輸出信號通過高速LVDS串口傳輸給數(shù)字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了PCB的設計復雜度和接口引腳數(shù)。波束成形器內(nèi)置上變頻低通濾波器或帶通數(shù)字濾波器，這些濾波器把有效采樣速率提高4倍，提高了系統(tǒng)波束成形的精度。上變頻信號存儲在內(nèi)存中，經(jīng)過適當?shù)难訒r，通過延遲系數(shù)加法器進行疊加，得到合適的焦點。信號還進行適當?shù)募訖嗷?ldquo;變跡”，在疊加之前進行變跡，可以調(diào)節(jié)接收孔徑，降低旁瓣對接收波束的影響，提高圖像質(zhì)量。

　　波束成形的數(shù)字信號處理

　　接收到的波束成形數(shù)字超聲信號由DSP和基于PC的設備進行處理，得到視頻和音頻輸出信號。這一過程通常可以劃分為B超或2D圖像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理，多普勒處理又分為脈沖多普勒(PWD)處理和連續(xù)波多普勒(CWD)處理。

　　B超處理

　　B超處理中，RF波束成形數(shù)字信號經(jīng)過濾波和檢波處理。檢測信號具有極寬的動態(tài)范圍，B超處理器必須將這些信號進行數(shù)字壓縮，使其達到顯示器規(guī)定的動態(tài)范圍。

　　彩超流體信號處理

　　在彩超流體信號處理中，RF數(shù)字波束成形信號與正交本振信號(LO，頻率為發(fā)射頻率)進行混頻，得到I、Q基帶信號。每個接收通道采集的超聲信號都有對應的幅度和相位。彩超流體信號處理中，8至16路超聲信號集中在一個成像通道，測量多普勒頻移。血液流動或沿成像通道的組織移動產(chǎn)生的反射信號具有一定的多普勒頻移，從而改變了I/Q基帶采樣信號的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的8至16路超聲信號的平均相移和時間關系。處理器還用彩色表示平均流速。通過這種方法，實現(xiàn)了血液或人體組織移動的二維造影成像。

　　多普勒頻譜

　　頻譜處理中，波束成形數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)字濾波，并通過正交本振信號(LO，頻率為發(fā)射頻率)混頻至基帶信號，然后以發(fā)射脈沖重復頻率(PRF)進行采樣。利用復雜的快速傅里葉變換(FFT)獲得多普勒頻譜，以重現(xiàn)接收信號的速度信息。FFT輸出的每個二進制信號幅度經(jīng)過計算和壓縮，使其達到顯示圖像所要求的動態(tài)范圍。最終信號幅度作為時間函數(shù)，顯示在超聲設備的顯示屏上。

　　在連續(xù)波多普勒(CWD)成像系統(tǒng)中，信號處理的過程基本相同。除了處理這些顯示信號外，頻譜處理器還產(chǎn)生左、右聲道的立體聲音頻信號，表示正向和負向運動。DAC對這些信號進行轉換，驅動外部揚聲器和耳機。

　　顯示處理

　　顯示處理器進行必要的計算，繪制極坐標圖。B超中的聲音、圖像數(shù)據(jù)或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號。這一過程通常稱為R-θ變換，顯示處理器還提供空間圖像增強功能。

　　連續(xù)波多普勒(CWD)

　　多數(shù)的心臟檢查和一些通用的超聲成像系統(tǒng)中，常常使用連續(xù)波多普勒CWD以確保精確測量心臟內(nèi)高速流動的血液。CWD模式下，超聲傳感器單元以傳感器孔徑為中心分割成對等的兩部分。一半單元用于發(fā)射，產(chǎn)生CWD聚焦波束;另一半單元用于接收，產(chǎn)生聚焦的接收波束。發(fā)射單元的驅動波形為多普勒頻率的方波，頻率范圍通常為1MHz至7.5MHz。發(fā)射波形的抖動必須足夠小，以防止相位噪聲對多普勒頻移檢測的影響。通過正確調(diào)整發(fā)射波形的相位，實現(xiàn)發(fā)射波束聚焦。類似地，通過正確調(diào)整接收波形的相位并進行疊加，實現(xiàn)CWD接收信號聚焦。在此模式下，發(fā)射和接收同時進行，有用的多普勒信號頻率和不移動的人體組織在發(fā)射基波頻率下產(chǎn)生的強反射信號的頻率相差只有幾kHz。處理如此大的信號所需要的動態(tài)范圍已經(jīng)超出了圖像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的范圍。因此，CWD必須使用其它高動態(tài)范圍接收解決方案。

　　CWD接收機通常使用兩種方法處理CWD信號。第一種方法是高性能超聲系統(tǒng)在LNA輸出端提取接收到的CWD信號。本振頻率等于發(fā)送頻率的混頻器對信號進行波束成形，再混頻至基帶進行處理。I/Q本振信號可以逐通道調(diào)整相位，對接收到的CWD信號相位進行偏移?；祛l器輸出相疊加，經(jīng)帶通濾波器，最后進入ADC進行采樣。采樣得到的基帶波束信號處于音頻范圍(100Hz至50kHz)，采用工作在音頻頻率范圍的ADC對I和Q CWD信號進行數(shù)字化。這些ADC需要出色的動態(tài)范圍，以便處理運動組織產(chǎn)生的較大的低頻多普勒信號和血液產(chǎn)生的微弱信號。

　　另一種方法是使用延遲線接收CWD信號，該方法常用于低成本設備。在此方法中，信號還是從LNA輸出提取，然后轉化成電流信號。通過一個交叉開關對相同相位的通道進行疊加，產(chǎn)生8至16路獨立輸出，具體由接收波束成形器決定。延遲線產(chǎn)生延遲，并將這些信號求和構成一路波束成形RF信號，然后利用一個本振頻率等于發(fā)送頻率的I/Q混頻器將信號混頻至基帶，然后將基帶音頻信號濾波后，轉換至數(shù)字形式。