來源：德州儀器（TI）徐曉辰

高性能超聲成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)學(xué)場景。在過去十年中，超聲系統(tǒng)中的分立電路已經(jīng)被高度集成的芯片（IC）所取代。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)不斷推動系統(tǒng)性能優(yōu)化及尺寸小型化。這些變革都得益于各類芯片技術(shù)，如專用低噪聲放大器、多通道低功耗ADC、集成高壓發(fā)射、優(yōu)化的硅工藝和多芯片模塊封裝。隨著芯片功耗和尺寸減小至原來的20%，。此外，得益于低功耗、高性能硅工藝的發(fā)展，部分波束合成預(yù)處理模塊已經(jīng)集成于通用的模擬或混合信號芯片而非專用的數(shù)字處理器。同時，先進(jìn)的高速串行或是無線接口大大降低了系統(tǒng)布局復(fù)雜度，并且能夠?qū)⒈M可能多的RF數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)集成芯片（SOC）、CPU或GPU。當(dāng)前超聲技術(shù)的應(yīng)用也從特定的放射學(xué)診斷擴(kuò)展到各類便攜式應(yīng)用，床旁實(shí)時監(jiān)測以及醫(yī)療現(xiàn)場就地檢查等各個領(lǐng)域。

本應(yīng)用指南綜述了超聲系統(tǒng)的架構(gòu)和原理，分析了系統(tǒng)設(shè)計的注意事項(xiàng)，綜述了應(yīng)用于超聲芯片的先進(jìn)技術(shù)，最后講解了醫(yī)學(xué)超聲芯片的模擬參數(shù)。

1.醫(yī)學(xué)超聲成像

超聲波是一種頻率高于20KHz的聲波。醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)常采用1 MHz至20 MHz的頻率，可達(dá)到亞毫米級分辨率。第一臺商用超聲成像系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)70年代，可提供實(shí)時的2D亮度或灰度圖像。如今，超聲成像憑借安全性、成本效益和實(shí)時方面的優(yōu)勢，已經(jīng)成為重要的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測嬰兒發(fā)育，也可用于診斷心臟、肝臟、膽囊、脾臟、胰腺、腎臟、膀胱等內(nèi)臟器官的疾病。

典型的超聲系統(tǒng)包括壓電換能器、電子電路、圖像顯示單元和DICOM（醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信）兼容軟件。

2.聲波產(chǎn)生和傳播的原理

超聲換能器是超聲系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，由壓電元件、連接器和支撐結(jié)構(gòu)組成。壓電效應(yīng)是指某種材料的物理尺寸隨施加的電場而變化的現(xiàn)象，反之亦然。如下所示，超聲應(yīng)用中的大多數(shù)換能器是雙共模式。換能器在發(fā)射相（模式）期間將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。產(chǎn)生的機(jī)械波向介質(zhì)傳播，若介質(zhì)不均勻則會反射。在接收模式中，接收反射的機(jī)械波形并由換能器轉(zhuǎn)換成電信號。

在換能器被電子激勵之后，會產(chǎn)生聲波并在介質(zhì)中傳播。在醫(yī)學(xué)超聲中，F(xiàn)DA（食品藥品管理局）要求所有成像系統(tǒng)滿足瞬時、峰值和平均強(qiáng)度的限制。

我們通常將換能器靈敏度或換能器插入損耗（IL）定義為接收（Rx）和發(fā)射（Tx）信號幅度之間的比率，如下所示：

換能器頻率由壓電材料L的厚度和材料中的聲速cm決定：

如前所述，常用的頻率范圍為1MHz至20MHz?；谏鲜龇匠淌剑^高頻率的換能器需要較薄的材料。因此，構(gòu)建極高頻的換能器具有一定的挑戰(zhàn)性。

換能器頻率響應(yīng)或帶寬是另一個關(guān)鍵參數(shù)。作為一般規(guī)則，若換能器被脈沖信號（即短尖峰）激勵，則接收回波的持續(xù)時間決定了換能器的帶寬。具有極快響應(yīng)（即短回波）的換能器是寬帶換能器，反之亦然。在大多數(shù)應(yīng)用中通常優(yōu)選更寬的帶寬。在相同的換能器頻率下，寬帶換能器可實(shí)現(xiàn)更好的軸向分辨率，因?yàn)榛夭ㄩL度決定了超聲系統(tǒng)的軸向分辨率。與此同時，寬帶換能器適用于諧波成像，在該成像模式下超聲能量以基頻發(fā)射，而圖像由接收到回波的二次諧波來重建。如沒有寬帶寬換能器的情況下，換能器靈敏度在其諧波頻率點(diǎn)2f0處顯著下降。因此許多換能器研究人員不斷探索新材料、新架構(gòu)和新制造工藝以進(jìn)一步改善換能器性能。

在超聲成像的早期階段，用于超聲系統(tǒng)的多通道電子電路既昂貴又不成熟。由電機(jī)驅(qū)動通過機(jī)械掃描方式成像單陣元換能器被廣泛用于獲得二維（2D）圖像。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的速度和精度限制，早期系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)高幀率或高精度成像。如今，成熟的陣列換能器和多通道電子技術(shù)可支持64到512個陣元的換能器。以電子掃描為基礎(chǔ)可獲得高達(dá)> 100幀/秒的圖像。為實(shí)現(xiàn)電子掃描，波束合成技術(shù)應(yīng)用于聚焦換能器的聲束。波束合成的細(xì)節(jié)將在下一節(jié)中討論。與光學(xué)成像系統(tǒng)類似，超聲系統(tǒng)可在聚焦焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)最佳空間分辨率。根據(jù)應(yīng)用，一維（1D）陣列換能器包括線性陣列、彎曲線性陣列和相位陣列。這些換能器之間的主要區(qū)別在于光束成形結(jié)構(gòu)、成像范圍和圖像分辨率。此外，由超過2000個元件組成的最新2D陣列換能器可支持實(shí)時三維（3D）成像。

審核編輯 黃昊宇