Analog Devices

2007年第41卷第3期

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8通道,1 bit 10 MSPS~50MSPS 前端
AD9271:为便携式超声设备发展提供的革命性解决方案

By Rob Reeder [Rob Reeder@analog.com]

Corey Petersen [Corey Petersen@analog.com]

 

医学超声诊断系统1是目前广泛使用的最复杂的信号处理设备之一。虽然超声系统类似于雷达或者声纳系统,但是它的射频(RF)工作速度比雷达慢,但却比声纳快。自从早期的推车式超声诊断系统问世以来,医学界已经将这种实时处理技术用于早期健康检查和一般诊断过程。超声诊断系统逐渐地变得越来越便携,甚至有些超声诊断系统正在发展成超小型掌上设备。在不远的将来,超声诊断系统可能会成为一种专用的掌上电脑(PDA)——虽然不会像医生的听诊器那样常用。本文将讨论构成小巧超声诊断系统一些必需的要素。

超声诊断系统的体系结构
超声诊断系统图像采集最常用的方法是数字波束成形(DBF)。医学超声系统所采用的波束成形被定义为从一个普通信号源产生的信号进行相位对准和信号求和,但是由一个多单元超声传感器按照不同的时间接收。利用16~32(或更多)接收器通道的相移阵列和求和阵列一起提取相干信息,波束成形有两个功能:为传感器指引方向(增强传感器的增益)和定义人体内的焦点(确定产生回波的位置)。在最简单的状态下,DBF系统框图请见图1。首先放大每个传感器单元的输出信号,将其转换成数字信号,然后按照延时顺序排列。最后对多个通道进行空间求和以产生图像。

Analog Devices:典型DBF系统原理框图

图1. 典型DBF系统原理框图

DBF体系结构优于初期的模拟波束成形(ABF)系统 - 它采用可变的延迟线和转换之前的模拟求和 - 因为它们趋向于改善通道之间的匹配特性,而且不断提高灵活性。一旦采集到信号,通过完成数字操作,例如波束控制和相干信号加和,提高其图像质量。将数字引擎靠近超声传感器能够比模拟系统显著提高调整精细度。DBF是当今最常用的体系结构,虽然面临一些难题,包括功耗大(由于通道数目多)和尺寸问题(为了采集和处理精确的信号通常需要大量的元件)。

迄今为止,大多数DBF系统都是采用分立解决方案和多片集成电路(IC)等许多元件构成的。其中接收器(Rx)信号链主要由低噪声放大器(LNA)——具有前置放大器的作用;可变增益放大器(VGA)——具有时间增益放大器的作用,用来补偿由人体细胞组织返回信号的衰减,作为时间的函数(或作为人体组织深度的函数);抗混叠滤波器(AAF)和模数转换器(ADC)组成。在常见的DBF体系结构中会多次重复使用这些所有的器件。只要通道噪声是随机的或不相关的,就可以通过增加通道数目提高其动态范围。对于高档的超声诊断系统64~256个通道是最常见的,而对于中档到低档的便携式超声诊断系统16~64个通道比较常见。

为什么要推出便携式系统?
许多要求严格的便携式应用可获益于提供实时扫描功能的轻便超小型设备。很明显,现场急诊医疗服务(EMS)的医护人员将会更快地接触到病人,并且在将病人送到急救室(ER)之前能够提供检查结果。如果路途很长,医生在ER等待病人的同时可能需要远程诊断。普通医生在日常办公室接待病人期间作为普通检查过程的一部分可以对病人做快速超声扫描,无需专家帮助。

发展便携式超声诊断设备可以提供使用这些设备的机会,以便为偏远地区和没有电力线的农村提供更好的医疗服务。

兽医发现便携式超声设备对于大动物和小宠物的现场诊断很有用。另外对于猪和牛畜牧场的现场诊断也很有用。

超声设备在无损检测(NDT)和预防性维护(PM)方面的应用也是一个很有发展前途的市场。典型案例包括检测桥梁的配置系统,工业机械轴承和输油管道。可以减少检查成本并且避免重要设备的停机时间。在工厂中利用便携式超声设备在发生大故障之前检测潜在的故障可能起到关键作用。

采用便携式超声诊断系统需要承担成本:一是获得用于诊断、扫描和分析的新设备;二是还要对新设备用户进行培训。但是在很多情况下,从便携式超声设备获得的好处远远超过付出的成本。

利用AD9271节省尺寸、功耗和成本
ADI公司推出的AD92712(见图2) - 一种用于便携式超声设备的重 要子系统,满足了小巧性要求,它采用14-mm × 14-mm × 1.2-mm 外 形尺寸的小型封装,提供8通道数据采集需要的完整信号链路,并且 显著减小了印制电路板面积和功耗。与使用分立器件的解决方案相 比,AD9271每通道占用的总面积减小1/3,功耗减小25% - 在40 MSPS条件下每通道功耗仅需150 mW。AD9271还可通过串行接口提 供多种定制选项,允许根据具体应用进一步降低功耗和优化配置。

 

Analog Devices:AD9271原理框图

图2. AD9271原理框图

AD9271包含一个8通道接收信号链路,其中每个通道由一个低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混淆滤波器(AAF)和模数转换器(ADC)组成。该链路通常用于脉冲波形模式B模式扫描用于灰度级图像,F模式用于在B模式上显示彩色叠加,表示血液流动)。为了产生周期性更新的二维图像,脉冲波成像方式使用在信号的发送和接收端之间交替变化的传感器。

另外一种常见的成像方式是连续波(CW)多普勒模式或D模式,用来显示血液流动的速度和频率。顾名思义,CW是利用连续产生的信号生成图像,其中4个传感器通道用于发送,另外4个通道用于接收。虽然CW具有精确测量高速血液流动的优势,但其无法测量传统脉冲波系统中的深度和渗透度。由于每种方法都有其自身的优势和局限性,因此现代超声诊断系统通常会同时使用这两种方式——而且AD9271可采用两种方式工作。实际上,AD9271允许用户通过使用一个集成交叉点开关按照CW多普勒模式工作。该交叉点开关允许把具有相同相位的通道相干地累加成相位对齐和累加的组。AD9271支持低档系统的延迟线,并且支持具有可设置相位调整的AD8339四正交解调器以达到最佳性能。AD8339可以对相位对齐和累加进行精细地调整以便提高图像精度。该器件易于外部连接,从而允许用户为需要极大动态范围的信号集成更多的必需信号链路。

Dynamic动态范围和噪声要求
当频率很高的声频信号穿过人体时信号被衰减为大约1 dB/cm/MHz。例如,如果使用8 MHz探头并且穿透4 cm深度——考虑声频信号进入人体内部组织和返回两次衰减——信号从皮肤内部组织反射回的幅度与从接近表面返射的幅度相差64 dB(或4 × 8 × 2)(请参考进一步阅读文献2)。如果增加50 dB的图像分辨率,并且考虑来自骨头、电缆和其它失配因素引起的损耗,那么要求的动态范围接近119 dB。为了更加直观地理解这一点,即10 MHz带宽内具有1.4 nV/√Hz本底噪声的0.333 Vp-p满度(FS)信号需要88 dB的输入动态范围。使用多个通道可以额外增加动态范围〔10 × log(N通道)〕,例如128个通道可将动态范围增加21 dB,从而把动态范围实际限制在大约100~120 dB之间。

可达到的动态范围受前端元件限制。由于各时刻并不是都需要整个动态范围,因此可以使用具有较小动态范围的ADC,通过扫描VGA的增益对接收到的随时间衰减的反射信号进行匹配。我们将这种时间增益补偿称作TGA。LNA用于设置映射到ADC的等效动态范围。AD9271在10 MHz带宽内具有88 dB的等效动态范围(158 dB/√Hz)以处理来自被扫描组织的极微弱信号和大幅度信号(回声),如图3所示。LNA的满度范围应该足够大,从而不会在近现场信号和具有较低本底噪声的较大动态范围之间饱和。

Analog Devices:TGC对12 bit ADC的增益要求

图3. TGC对12 bit ADC的增益要求

因为要减小噪声幅度需要增大功率,所以对于便携式应用由于要考虑功率限制要做一些折衷。虽然AD9271的88 dB动态范围优于其它解决方案,但其动态范围仍然小于大功率VGA,例如AD83324折 合到输入端的噪声为0.72 nV/√Hz,如表1中所示。请注意AD8332在示出的解决方案中具有最小折合输入端噪声和最大输入动态范围。没有一种方案是理想的。虽然数字信号处理是当今所有的解决方案的基本特征,但是具体方案的实施和IC的选择是每一家超声诊断系统制造商的知识产权(IP)。

 

表1. ADI公司解决方案比较

产品
LNA
输入范围
LNA
输入噪声
总通道输入噪声
(不包括ADC)
通道的输入动态范围
(@ 10 MHz BW)
AD8332
550 mV p-p
0.74 nV/rt-Hz
0.82 nV/rt-Hz
97 dB
AD8335
625 mV p-p
1.2 nV/rt-Hz
1.3 nV/rt-Hz
95 dB
AD9271
400 mV p-p
333 mV p-p
250 mV p-p
1.4 nV/rt-Hz
1.2 nV/rt-Hz
1.1 nV/rt-Hz
1.65 nV/rt-Hz
1.44 nV/rt-Hz
1.31 nV/rt-Hz
89 dB
88 dB
87 dB

 

结论
无论是医学应用还是工业应用,便携式超声诊断都呈现增长趋势。所有超声诊断系统在偏远地区应用对小巧性和便携性都有相同的要求。AD9271通过采用超小型IC封装,集成了适用于脉冲波和连续波两种工作模式多普勒系统的8通道接收信号链路满足了不断提高的便携性要求。AD9271注定要成为可提供降低功耗或降低噪声选择的系列产品,甚至在其第二代产品中要进一步缩小尺寸。

 

进一步阅读文献

  1. Bandes, Alan. “How Are Your Bearings Holding Up? Find Out with Ultrasound.” Sensors Magazine. July 2006. pp. 24-27.
  2. Brunner, Eberhard. “How Ultrasound System Considerations Influence Front-End Component Choice.” Analog Dialogue 36. Part 1. 2002.
  3. Kisslo, Joseph A. and David B. Adams. Principles of Doppler Echocardiography and the Doppler Examination #1. London: Ciba-Geigy. 1987
  4. Kuijpers, F. A. “The Role of Technology in Future Medical Imaging.” Medicamundi. 1995. Vol. 40. No. 3. Philips Medical Systems.5.
  5. Meire, Hylton B. and Pat Farrant. Basic Ultrasound. Wiley. 1995. pp. 1-66.

参考文献——从2007年7月起有效

1 http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/36-03/ultrasound/index.html

2 ADI website: www.analog.com (Search) AD9271

3 ADI website: www.analog.com (Search) AD8339

4 ADI website: www.analog.com (Search) AD8332


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