超聲便攜式設(shè)備的系統(tǒng)劃分方法

90年代初期，便攜式電話風(fēng)靡一時(shí)。隨著膝上型計(jì)算機(jī)的體積縮小，它們也被稱(chēng)為“背包電話”。目前，電子行業(yè)已經(jīng)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，現(xiàn)今的手機(jī)可以發(fā)送電子郵件和短信，可以拍照、查詢股票價(jià)格、安排會(huì)議，當(dāng)然，也可以同世界上任何地方的任何人通話。同樣在醫(yī)療領(lǐng)域中，以前所謂的便攜式超聲系統(tǒng)裝載在手推車(chē)上，并且可以拖拽，但是實(shí)際上它們是難于拖拽的。幸而超聲系統(tǒng)也在持續(xù)改進(jìn)，并且被醫(yī)生們稱(chēng)為“新型聽(tīng)診器”。

本文將回顧經(jīng)典的超聲信號(hào)鏈路，討論不同的系統(tǒng)劃分策略以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且展示這些系統(tǒng)劃分策略在便攜式超聲應(yīng)用中的意義。

超聲信號(hào)鏈路

圖1.典型的超聲信號(hào)鏈路

圖1所示的是超聲系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖。系統(tǒng)的傳感器均位于相對(duì)較長(zhǎng)的電纜末端，這些電纜約兩米長(zhǎng)。這些電纜包含有至少8個(gè)至256個(gè)微型同軸電纜，是系統(tǒng)最昂貴的部件之一。幾乎在每個(gè)系統(tǒng)中，電纜由傳感器單元直接驅(qū)動(dòng)。電纜的電容成為傳感器元件的負(fù)載，引起了很大的信號(hào)損耗，這對(duì)接收端提出了靈敏度的要求，以便保持動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。

在發(fā)射端（Tx路徑），波束成形器確定了延遲模式和脈沖序列，其是專(zhuān)為所需的焦點(diǎn)而設(shè)定的。然后，驅(qū)動(dòng)傳感器的高壓發(fā)射放大器將波束成形器的輸出放大。這些放大器可由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或者高壓FET開(kāi)關(guān)陣列控制，將發(fā)射脈沖整形，以便較好的將能量傳遞到傳感器單元。而在接收端，發(fā)射/接收（T/R）開(kāi)關(guān)（通常是二極管電橋）阻擋Tx高壓脈沖。在某些陣列中使用高壓（HV）多路復(fù)用器/多路分離器減少發(fā)射和接收硬件的復(fù)雜度，但是這犧牲了靈活性。

時(shí)間增益控制（TGC）路徑由一個(gè)低噪聲放大器（LNA）、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）構(gòu)成。在操作人員的控制下，TGC路徑用于在掃描過(guò)程中保持圖像的均勻性。良好的噪聲性能取決于LNA，它可以減少后面的VGA對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。對(duì)于受益于輸入阻抗匹配的應(yīng)用，有源阻抗控制可以優(yōu)化噪聲性能。

通過(guò)VGA將寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)壓縮，以滿足ADC的輸入范圍要求。LNA的折算至輸入端的噪聲限制了可分辨的最小輸入信號(hào)，而折算至輸出端的噪聲主要取決于VGA，它限制了特定增益控制電壓下的最大瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化的本底噪聲設(shè)定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。

抗混疊濾波器（AAF）限制了信號(hào)帶寬，同時(shí)也限制了ADC之前的TGC路徑中的其它噪聲。

醫(yī)用超聲的波束成形被定義為信號(hào)的相位對(duì)準(zhǔn)和求和，該信號(hào)由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時(shí)間點(diǎn)接收。在CWD路徑中，對(duì)接收器通道進(jìn)行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有兩個(gè)功能：一個(gè)是向傳感器指明方向，即提高其增益，另一個(gè)是定義人體內(nèi)的焦點(diǎn)，由該焦點(diǎn)得到回波的位置。

對(duì)于波束成形，可以采用兩種截然不同的方法：模擬波束成形（ABF）和數(shù)字波束成形（DBF）。ABF和DBF系統(tǒng)之間的主要差別在于完成波束成形的方式；這兩種方法都需要良好的通道間匹配。在ABF中，使用模擬延遲線和求和。其中僅需要一個(gè)（分辨率非常高的）高速ADC。而另一方面，在DBF系統(tǒng)中，需要多個(gè)高速高分辨率ADC。有時(shí)候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對(duì)數(shù)放大器壓縮動(dòng)態(tài)范圍。而在DBF系統(tǒng)中，應(yīng)盡可能接近傳感器單元來(lái)采集信號(hào)，然后將信號(hào)延遲并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字求和。在圖2和3中示出了這兩種類(lèi)型的波束成形體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化的原理圖。

圖2.ABF系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖

圖3.DBF系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖

由于DBF更加靈活，因此大部分現(xiàn)代圖像采集超聲系統(tǒng)常采用的這種方法，但是應(yīng)當(dāng)注意ABF和DBF之間優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是相對(duì)的。

DBF相對(duì)于ABF的優(yōu)點(diǎn)：

模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差模擬延遲線中的延遲抽頭的數(shù)目受到限制，并且必須使用微調(diào)電路在采集數(shù)據(jù)之后，數(shù)字存儲(chǔ)和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的通過(guò)對(duì)FIFO中不同位置的數(shù)據(jù)求和，可以容易地形成多個(gè)波束由于存儲(chǔ)器越來(lái)越便宜，因此可以使用容量更大的FIFO，以提供更加精細(xì)的延遲僅通過(guò)軟件即能夠使系統(tǒng)具有不同的功能數(shù)字IC的性能以非常高的速度持續(xù)提高

DBF相對(duì)于ABF的缺點(diǎn)：

需要多個(gè)高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60dB的動(dòng)態(tài)范圍，而這至少需要10bit的ADC）由于使用多個(gè)ADC和數(shù)字波束成形ASIC，因此功耗較高ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度；采樣速率越高，相位延遲就越精細(xì)。

系統(tǒng)劃分策略

雖然現(xiàn)今系統(tǒng)已擁有大量的先進(jìn)技術(shù)，但是超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然是復(fù)雜的。對(duì)于其它的復(fù)雜系統(tǒng)，已具有系統(tǒng)劃分的多種方法。在本節(jié)中將討論多種超聲系統(tǒng)劃分策略，所有這些劃分策略均著眼于解決系統(tǒng)便攜性的問(wèn)題。

許多年來(lái)，制造商通過(guò)設(shè)計(jì)定制ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)。該解決方案通常包括兩個(gè)ASIC，其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分，如圖4所示。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這一方法是常見(jiàn)的。該定制電路允許設(shè)計(jì)人員加入一些廉價(jià)的、靈活的功能。由于集成大部分的信號(hào)鏈路，減少了系統(tǒng)中使用外部元件的數(shù)目，因此該解決方案被認(rèn)為是節(jié)約成本的。但是其缺點(diǎn)在于，隨著時(shí)間的推移，光刻技術(shù)的發(fā)展使得這些ASIC顯得落后，不能滿足進(jìn)一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門(mén)電路，它們的數(shù)字技術(shù)不能針對(duì)集成模擬功能進(jìn)行優(yōu)化。而且僅有有限的供應(yīng)商可以定制ASIC器件，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)者面臨一個(gè)瓶頸。

圖4.ASIC方法

在前面的示例中，超聲系統(tǒng)的便攜性是有局限性的，但的確是可行的。即便這樣，這也是解決系統(tǒng)劃分問(wèn)題的重要的第一步。便攜性不僅表現(xiàn)在體積方面，而且也表現(xiàn)在電池壽命方面，因?yàn)檫@些電路對(duì)功耗的要求非常高。隨著四通道和八通道的TGC、ADC和DAC的出現(xiàn)，體積和功耗得到進(jìn)一步減小，也隨之產(chǎn)生了解決便攜性問(wèn)題的新型的系統(tǒng)方法。這些多通道器件允許設(shè)計(jì)人員在構(gòu)造系統(tǒng)時(shí)，將敏感電路放置在兩個(gè)或更多的電路板上。這可以減小系統(tǒng)體積，并且有利于在多個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上重復(fù)利用該電路。但是這一方法也存在缺點(diǎn)，系統(tǒng)體積減小也依賴于系統(tǒng)劃分，多通道器件可能使PCB的布線極為繁瑣，迫使設(shè)計(jì)人員使用通道數(shù)目較少的器件，例如從八通道ADC變?yōu)樗耐ǖ繟DC，而且如果系統(tǒng)體積較小，還會(huì)帶來(lái)散熱的問(wèn)題。

隨著完整的TGC路徑的進(jìn)一步集成，如圖5中所示，多通道、多元件的集成使設(shè)計(jì)變得更加容易，這是因?yàn)樗鼈儗?duì)PCB尺寸和功耗的要求進(jìn)一步降低。隨著更高級(jí)的集成方案的廣泛使用，可以進(jìn)一步減少成本、供應(yīng)商數(shù)量、系統(tǒng)體積和功耗，系統(tǒng)散熱量降低，延長(zhǎng)便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統(tǒng)為滿足緊湊性要求而設(shè)計(jì)，它采用微型的14mm×14mm×1.2mm封裝，每個(gè)完整的TGC通道在40MSPS下功耗僅為150mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數(shù)目，因此使每個(gè)通道的總面積至少減少1/3，功耗至少降低25%。

圖5.TGC集成

但是AD9271不可能滿足每個(gè)超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中，或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是：連接探針單元的電纜會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍有些不良影響，而且成本較高。如果前端電子元件比較接近探針，那么就可以減少影響信號(hào)靈敏度的探針損耗，允許設(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)對(duì)LNA的要求。圖6中提出了一種方法，即將LNA集成到探針單元中。另一種方法是將VGA控制放在探針和電路板上的、元件之間。隨著器件的尺寸不斷縮小，系統(tǒng)也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)探針進(jìn)行全定制設(shè)計(jì)。換言之，探針/電子器件的定制設(shè)計(jì)將使設(shè)計(jì)人員回到ASIC實(shí)例中存在的瓶頸，而且供應(yīng)商是有限的。

圖6.探針集成

總而言之，應(yīng)當(dāng)稱(chēng)贊的是，現(xiàn)今大部分超聲系統(tǒng)公司將其大部分知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）應(yīng)用于探針和波束成形技術(shù)。使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC來(lái)完成系統(tǒng)，消除了對(duì)高成本元器件的需要，而且簡(jiǎn)化了獨(dú)立TGC路徑的調(diào)整和優(yōu)化。還應(yīng)當(dāng)注意，也可以考慮進(jìn)一步集成超聲系統(tǒng)的其它部分。在生產(chǎn)能力許可且市場(chǎng)導(dǎo)向目標(biāo)適當(dāng)?shù)那疤嵯?，這些其它信號(hào)鏈路部分的集成將是有利的。

超聲系統(tǒng)的便攜性趨勢(shì)

許多應(yīng)用都意識(shí)到超聲的優(yōu)異之處，因此對(duì)超聲系統(tǒng)的便攜性有很高的要求。即使在無(wú)法提供可靠電源的遠(yuǎn)程應(yīng)用中，由于增加的便攜性，也可以使用這些設(shè)備。這些應(yīng)用包括偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的臨床醫(yī)療、緊急醫(yī)療服務(wù)、大型動(dòng)物飼養(yǎng)、以及橋梁、大型機(jī)械和輸油管線的檢驗(yàn)。

超聲系統(tǒng)可以分為三類(lèi)：高端、中端和低端。高端超聲系統(tǒng)采用最新的技術(shù)，滿足市場(chǎng)最新的要求，并且提供最佳的圖像質(zhì)量。中端超聲系統(tǒng)在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下，通常具有高端超聲系統(tǒng)的部分特性。而低端超聲系統(tǒng)的體積一般較小，一般應(yīng)用于臨床醫(yī)療等特定應(yīng)用。顯然，高端超聲系統(tǒng)是非常昂貴的，并且依賴于應(yīng)用和市場(chǎng)需求進(jìn)行不同的劃分。然而，便攜性的趨勢(shì)使許多“高端”特征降級(jí)，通常為典型的低端或便攜的特征。一般來(lái)說(shuō)，這一趨勢(shì)隨著工業(yè)和電子行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展。由于這些進(jìn)步已將器件的體積、功耗和性能指標(biāo)推到極限，因此日益增長(zhǎng)的要求是將便攜式設(shè)備從低端系統(tǒng)變?yōu)楦叨讼到y(tǒng)。盡管超聲系統(tǒng)作為臨床醫(yī)療和預(yù)防性維護(hù)工具，已逐漸為人們所了解，但是最初，使用率還是較低的，這是因?yàn)楸銛y式超聲系統(tǒng)的成本不僅包括用于采購(gòu)成本，而且也包括對(duì)新用戶進(jìn)行培訓(xùn)的成本，但是隨著遠(yuǎn)期效益完全超過(guò)成本代價(jià)時(shí)，便攜式超聲系統(tǒng)將日益普及。

結(jié)論

理解如超聲系統(tǒng)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)的細(xì)微差別需要進(jìn)行多年的研究和開(kāi)發(fā)。我們應(yīng)該感謝那些最初的開(kāi)發(fā)人員，是他們開(kāi)創(chuàng)了新的領(lǐng)域并且確定了研究方向，使得尖端的電子技術(shù)能夠造福于人類(lèi)。脈沖回波技術(shù)早期用于檢測(cè)大型水下船體和潛艇，并且用于結(jié)構(gòu)制造中的裂縫檢驗(yàn)，超聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用這僅僅是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。

醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用對(duì)便攜式超聲系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)。所有這些系統(tǒng)對(duì)緊湊性和便攜性都有著類(lèi)似的要求。在不久的將來(lái)，您就可以利用手機(jī)發(fā)送胎兒的掃描圖像了。