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通过集成与功耗调整解决超声系统面临的工程技术挑战

作者: Rob Reeder,Rob.Reeder@Analog.com,ADI公司高速信号处理部门高级应用工程师


在20世纪90年代初,大小相当于现代笔记本电脑的“便携式”电话机(有时称为“手提包话机”)得到了广泛使用。不到二十年后的今天,袖珍型蜂窝手机不仅能呼叫世界各地的任何人,还能发送电子邮件和文本消息、拍照、显示股票行情甚至安排约会。同样,在医疗领域,早期所谓的“便携式”超声系统要摆放在手推车上,而且功耗大,价格极其昂贵。幸运的是,多年来硅集成和功耗调整技术的不断突破,使超声系统受益匪浅。

这些突破催生了更加便携和高效的超声系统,并且这些系统具有更高的图像性能和更强的功能。更大的动态范围、更低的功耗和更紧凑的系统级芯片提供的高质量图像有助于实施更好的诊断。未来的超声系统很可能会做成手持式设备,成为医生的第二个“听诊器”。

超声系统的信号链



图1:典型的超声系统信号链

图1是超声系统中信号链的简化框图。所有的超声系统都有约两米长的线缆,并且在线缆末端有一个传感器。线缆中包含最少8条、最多256条微型同轴电缆,是系统中最昂贵的部件之一。在几乎每个系统中,末端传感器都是直接驱动线缆。线缆电容是这种传感器件的负载,会对信号造成显著的衰减。因此需要使用高灵敏度的接收器才能达到要求的动态范围,并实现最佳的系统性能。

在发射侧(发送路径),由波束成形器决定脉冲序列的延时模式,然后由这些延时模式确定超声的焦点。波束成形器的输出先经过驱动传感器的高电压发送放大器进行放大。这些放大器可以在数模转换器(DAC)或高压FET开关阵列的控制下调整发送脉冲,以便向传感器件更好地提供能量。在接收侧,通常有一个二极管桥组成的发送/接收(T/R)开关,用于抑制高压发送脉冲。在一些开关阵列中还会使用高压(HV)复用器/解复用器来减少发送和接收硬件的复杂性,代价是灵活性有所降低。

时间-增益控制(TGC)接收通道由低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)和模数转换器(ADC)组成。VGA通常具有线性dB增益控制功能,这种控制功能完全匹配反射的超声信号的衰耗。在操作人员控制下,TGC通道可以用来保持图像在扫描期间的一致性。低噪声LNA是使后面的VGA产生的噪声最小的关键。有源阻抗控制能使受益于输入阻抗匹配的设备实现最佳的噪声性能。

VGA需要压缩宽动态范围的输入信号,以满足ADC的输入范围要求。以输入为参考的LNA噪声限制了最小可分辨的输入信号,而以输出为参考的噪声——主要取决于VGA——限制了能够在特定增益控制电压点进行处理的最大瞬时动态范围。这个门限的设置依据是由ADC分辨率确定的本底量化噪声。早期的超声系统采用10位ADC,但现代大多数超声系统使用12位或14位的ADC。

抗混叠滤波器(AAF)可以限制信号带宽,并抑制ADC之前的TGC通道中的有害噪声。

应用于医用超声的波束成形技术的定义是,由公共源产生、但由多元件超声传感器在不同时间接收到的所有信号的相位对齐和累加。在连续波多普勒(CWD)通道中,要对所有接收器通道进行相移和累加,然后提取相干信息。波束成形有两个功能:它不仅能向传感器传递方向性——提高其增益,而且能定义体内的焦点,并由此确定回波位置。

波束成形有两种截然不同的方法,即模拟波束成形(ABF)和数字波束成形(DBF)。ABF和DBF系统之间的区别在于波束的合成方式。这两种方法都要求特别好的通道间匹配。ABF使用模拟延时线和累加,只需要一个精密的高分辨率、高速ADC。而DBF是目前最流行的方法,需要使用“许多”高速、高分辨率的ADC。DBF系统中的信号在尽量靠近传感器元件的地方完成采样,然后经过延时以数字方式完成累加。图2就是DBF架构的简化框图。



图2:数字波束成形(DBF)系统的简化框图。

集成与划分策略

虽然在技术方面已经有了明显的进步,但由于包含如此多的通道和元件,超声系统仍是目前最复杂的系统之一。就像其它复杂系统一样,超声系统也有许多系统划分方法。下面简要介绍几种超声系统划分策略。

早期的超声系统使用模拟波束成形技术,需要使用大量模拟元件。TGC和发送/接收通道中的数字处理是用定制ASIC完成的。在多通道VGA、ADC和DAC普及之前这种方法很常用。ASIC器件中有许多门电路,而这种数字技术对模拟功能(如放大器和ADC)来说并不是最优的。使用ASIC的系统必须非常依赖个别供应商产品的可靠性。

使用ASIC、FPGA和DBF技术以及分立ADC和VGA集成电路是向便携性迈出的第一步,而多通道四TGC和八TGC、ADC和DAC的推出才使体积和功耗有了显著降低。这些多通道元件允许设计师将不同电路板上的敏感性模拟电路与数字电路分隔开来,这样不仅方便了系统伸缩调整,而且在许多平台上能更好地复用电子电路。

然而,四通道VGA和八通道VGA以及具有大量引脚的ADC的互连将使PCB布线非常困难,在某些情况下将迫使设计师使用通道数量较少的器件,比如从八通道ADC改用四通道ADC。在很小的面积内放置大量的这种多通道元件还会引起散热问题,因此确定最优的划分策略极具挑战性。

采用多通道、多元件集成方法进一步集成整个TGC通道能使设计方法变得更简单,因为对PCB尺寸和功耗的要求可以进一步降低。随着更高集成度的不断推广,便携式产品在成本、尺寸、功耗降低以及更长电池续航时间方面的优势将更加明显。

利用超声子系统就可以搭建上述这种架构,比如用于八通道TGC的AD9271,它包含了LNA、VGA、可编程抗混叠滤波器、12位ADC和串行LVDS输出。

最终的超声解决方案将在探头中集成更多的电子功能,并尽可能地靠近传感器件。请记住,从探头开始的线缆对动态范围有很大影响,并且成本很高。因此前端电路越靠近探头,线缆损耗效应就越小,对LNA的要求也越低,因而能有效降低功耗。一种方法是将LNA移到探头电路中,另外一种方法是将VGA控制划分成探头和PCB电路两部分。最终系统应该是越来越紧凑,可适配进超小型封装。缺点是设计师兜了个大圈子,现在必须定制探头。换句话说,探头/电路定制将导致现代设计师面临早前使用数字ASIC的设计师面临的同样问题。

使用现代IC实现功耗/性能优化

超声技术覆盖种类广泛的各种应用,因此系统设计师必须做出更多的折衷考虑。每种诊断成像设备在性能与功耗方面都有一定的限制。而新的器件允许设计师通过在IC内完成性能与功耗比的优化而从容应对这些挑战,进而缩短上市时间。能够在IC内部提供用于调整输入范围、偏置电流、采样速率和增益等大量可选功能的超声系统确实值得我们期待。根据不同的成像设备或探头类型,系统设计师可以实时并且适当地对设计作出系统性调整,从而以最小的功耗提供最大的性能。

设计师还能对这些器件应用配置设计工具,实现对单个探头和设备性能的评估,如图3所示。系统设计师可以快速作出这些折衷,并直接在IC级调整系统设计,无需改变硬件和执行复杂的图像处理测试来确认这些折衷。另外,配置工具可以将优化的配置参数转换成数字设置参数,并产生一个能够复制部分最终系统配置设置的文件。



图3:超声子系统配置工具图形用户界面。

结束语

医疗和工业应用领域中的超声系统都有向便携和低功耗发展的趋势。所有这些系统都有相似的要求,并且近年来都通过集成和功耗调整技术实现了创新。

目前集成式多通道器件的先进性在于进一步降低了功耗、尺寸和成本。新的创新产品和配置工具无疑会使系统设计师的生活变得更加轻松,能够帮助他们根据成像设备的不同开发出多样化的超声产品,并且具有可配置和可调整的性能与功耗特性。

大多数超声制造商的知识产权(IP)集中在探头和波束成形器技术方面。包括四通道和八通道ADC在内的常用器件的多通道集成减少了高成本的模拟器件数量,并且减少了TGC通道中耗时的校准需求。超声系统中的其它部分也具有进一步集成的可能性。信号链更多部分的集成将促进功耗、尺寸和成本的进一步降低,以及处理能力的进一步增强。

参考文献:

1. Reeder, Rob and Corey Petersen, “The AD9271—A Revolutionary Solution for Portable Ultrasound,” Analog Dialogue 41-07.

2. Brunner, Eberhard, “How Ultrasound System Consideration 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. Meire, Hylton B. and Pat Farrant, Basic Ultrasound, Wiley, 1995, pp. 1-66.

6. Reeder, Rob, “Easing Ultrasound System Design,” EETimes-India, February 2009.

7. Reeder, Rob, “New Components Offer Flexibility in Ultrasound System Design,” Planet Analog, January 2009.

8. Odom, Bill, “Ultrasound Analog Electronics Primer,” Analog Dialogue 33-5.

9. Errico, Paul and Allen Hill, “Choosing High-Speed Signal Processing Components for Ultrasound Systems,” Analog Dialogue.

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