集成多通道設(shè)備的進(jìn)步正在降低用于醫(yī)療保健和工業(yè)應(yīng)用的便攜式低功耗超聲系統(tǒng)的功耗、尺寸和成本。

在 1990 年代初期，現(xiàn)代筆記本電腦大小的“便攜式”電話（有時稱為“包式電話”）被廣泛使用。不到二十年后，口袋大小的手機(jī)可以發(fā)送電子郵件和短信，拍照，獲取股票報價，預(yù)約，當(dāng)然，還可以打電話給世界上任何地方的任何人。同樣，在醫(yī)療領(lǐng)域，早期所謂的“便攜式”超聲系統(tǒng)是基于推車的，功率高，而且成本極高。幸運(yùn)的是，多年來，超聲系統(tǒng)也受益于硅集成和功率縮放方面的突破。

這些突破產(chǎn)生了更便攜、更高效的超聲系統(tǒng)，具有改進(jìn)的圖像性能和更多的功能。更高的動態(tài)范圍、更低的功耗和更緊湊的系統(tǒng)級IC可提供高質(zhì)量的圖像，從而實(shí)現(xiàn)更好的診斷。未來的超聲系統(tǒng)很可能成為手持式，成為醫(yī)生的第二個“聽診器”。

超聲信號鏈

圖1顯示了超聲系統(tǒng)信號鏈的簡化圖。所有超聲系統(tǒng)在相對較長的電纜末端使用換能器，通常約為兩米。該電纜包含至少 8 根（多達(dá) 256 根）極細(xì)同軸電纜，是系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。幾乎在每個系統(tǒng)中，傳感器元件直接驅(qū)動電纜。電纜電容會加載傳感器元件并導(dǎo)致明顯的信號衰減。這需要高度靈敏的接收器來保持動態(tài)范圍并產(chǎn)生最佳的系統(tǒng)性能。

圖1.典型超聲信號鏈。

在發(fā)射側(cè)（Tx路徑），波束形成器確定設(shè)置所需焦點(diǎn)的脈沖序列的延遲模式。然后，波束成形器的輸出由驅(qū)動換能器的高壓發(fā)射放大器放大。這些放大器可由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或高壓FET開關(guān)陣列控制，以塑造發(fā)射脈沖，以便更好地將能量傳輸?shù)絺鞲衅髟Ｔ诮邮諅?cè)，發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)（通常是二極管橋）阻斷高壓Tx脈沖。某些陣列中使用高壓 （HV） 多路復(fù)用器/解復(fù)用器，以犧牲靈活性為代價來降低發(fā)送和接收硬件的復(fù)雜性。

時間增益控制 （TGC） 接收路徑由低噪聲放大器 （LNA）、可變增益放大器 （VGA） 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 組成。VGA通常具有線性dB增益控制，與反射超聲信號的衰減相匹配。在操作員的控制下，TGC路徑用于在掃描過程中保持圖像均勻性。低噪聲LNA對于最小化以下VGA的噪聲貢獻(xiàn)至關(guān)重要。有源阻抗控制優(yōu)化了受益于輸入阻抗匹配的應(yīng)用的噪聲性能。

VGA壓縮寬動態(tài)范圍輸入信號，以適應(yīng)ADC的輸入范圍。LNA的輸入?yún)⒖荚肼曄拗屏俗钚】煞直孑斎胄盘枺敵鰠⒖荚肼暎ㄖ饕Q于VGA）限制了在特定增益控制電壓下可以處理的最大瞬時動態(tài)范圍。該限值根據(jù)量化本底噪聲設(shè)置，該噪聲本底由ADC分辨率決定。早期的超聲系統(tǒng)基于 10 位 ADC，但大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)使用 12 位或 14 位 ADC。

抗混疊濾波器（AAF）限制信號帶寬，并抑制ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。

波束成形應(yīng)用于醫(yī)療超聲，定義為從公共源產(chǎn)生但由多元件超聲換能器在不同時間接收的信號的相位對齊和求和。在連續(xù)波多普勒（CWD）路徑中，接收器通道經(jīng)過相移并相加以提取相干信息。波束成形有兩個功能：它賦予換能器方向性——增強(qiáng)其增益——并定義體內(nèi)的一個焦點(diǎn)，從中得出返回回波的位置。

波束成形有兩種不同的方法：模擬波束成形 （ABF） 和數(shù)字波束成形 （DBF）。ABF 和 DBF 系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于波束成形的完成方式;兩者都需要極好的通道間匹配。在ABF中，使用模擬延遲塊和求和。只需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF系統(tǒng)是目前最常用的方法，采用“許多”高速、高分辨率ADC。DBF系統(tǒng)中的信號采樣盡可能靠近傳感器元件;然后，信號被延遲并以數(shù)字方式求和。DBF 架構(gòu)的簡化示意圖如圖 2 所示。

圖2.數(shù)字波束成形 （DBF） 系統(tǒng)的簡化圖。

集成和分區(qū)策略

盡管技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但超聲系統(tǒng)擁有如此多的通道和組件，是當(dāng)今構(gòu)建的最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。與其他復(fù)雜系統(tǒng)一樣，存在許多系統(tǒng)分區(qū)方法。在本節(jié)中，將回顧幾種超聲分區(qū)策略。

早期的超聲系統(tǒng)利用模擬波束成形技術(shù)，需要大量的模擬組件。TGC和Rx/Tx路徑中的數(shù)字處理是通過定制ASIC完成的。在多通道VGA、ADC和DAC普及之前，這種方法很常見。ASIC具有大量門，其數(shù)字技術(shù)未針對模擬功能（如放大器和ADC）進(jìn)行優(yōu)化。使用ASIC的系統(tǒng)必須嚴(yán)重依賴供應(yīng)商的可靠性。

使用 ASIC、FPGA 和 DBF 技術(shù)以及分立式 IC ADC 和 VGA 是邁向便攜性的第一步，但多通道四通道和八通道 TGC、ADC 和 DAC 的可用性使尺寸和功耗顯著降低成為可能。這些多通道組件允許設(shè)計人員將敏感的模擬電路與數(shù)字電路分開。這允許系統(tǒng)擴(kuò)展和電子電路在許多平臺上的良好重用。

然而，互連四通道和八通道VGA以及具有高引腳數(shù)的ADC會使PCB走線布線變得困難，在某些情況下迫使設(shè)計人員使用較小的通道數(shù)器件，例如從八通道ADC轉(zhuǎn)移到四通道ADC。將大量這些多通道元件放置在小區(qū)域內(nèi)也會出現(xiàn)熱問題。確定最佳分區(qū)可能成為一個挑戰(zhàn)。

通過多通道、多元件集成進(jìn)一步集成完整的TGC路徑，使設(shè)計方法更容易，因為對PCB尺寸和功率的要求進(jìn)一步降低。隨著更高級別的集成度變得越來越占主導(dǎo)地位，便攜式設(shè)備在成本、尺寸、功耗降低和更長的電池壽命方面再次具有優(yōu)勢。

這種架構(gòu)可以使用AD9271等超聲子系統(tǒng)構(gòu)建，其中包括LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和用于8通道TGC的串行LVDS輸出。

終極超聲解決方案在探頭中集成了更多的電子功能，盡可能靠近換能器元件。請記住，來自探頭元件的電纜會阻礙動態(tài)范圍，并且成本高昂。如果前端電子器件離探頭更近，則電纜損耗的影響將降至最低，從而減輕對LNA的要求，從而降低功耗。一種方法是將LNA移動到探頭電子設(shè)備中。另一種方法是在探頭和PCB電子設(shè)備之間分配VGA控制。最終，該系統(tǒng)更接近于裝入超小型封裝。缺點(diǎn)是設(shè)計人員已經(jīng)繞了一圈，現(xiàn)在必須定制探頭。換句話說，探頭/電子定制將導(dǎo)致現(xiàn)代設(shè)計人員遇到與使用數(shù)字ASIC的早期設(shè)計人員相同的問題。

使用現(xiàn)代 IC 進(jìn)行功率/性能擴(kuò)展

超聲波涵蓋了廣泛的不同應(yīng)用，因此系統(tǒng)設(shè)計人員必須做出的權(quán)衡已經(jīng)增加。每種診斷成像方式都有局限性，這些局限性通常由性能與功率來定義。如今，這些挑戰(zhàn)已經(jīng)通過允許設(shè)計人員擴(kuò)展IC內(nèi)性能與功率比的組件來應(yīng)對，從而縮短上市時間。同樣，尋找一個超聲子系統(tǒng)，它在IC內(nèi)提供許多選項來調(diào)整輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益。根據(jù)所需的成像模式或探頭類型，系統(tǒng)設(shè)計人員可以實(shí)時適當(dāng)?shù)貙υO(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，以最小的功耗提供最大的性能。

設(shè)計人員還可以為這些器件使用配置設(shè)計工具，從而評估單個探頭和模態(tài)性能，如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計人員可以快速做出這些權(quán)衡，并直接在IC級別擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)計。這消除了更改硬件和執(zhí)行復(fù)雜的圖像處理測試來驗證這些權(quán)衡的需要。此外，配置工具將優(yōu)化的配置參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字設(shè)置，并生成一個文件，該文件可以復(fù)制系統(tǒng)的零件最終配置設(shè)置。

圖3.超聲子系統(tǒng)配置工具 圖形用戶界面。

結(jié)論

便攜式和低功率超聲系統(tǒng)在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中的趨勢日益增長。所有這些系統(tǒng)都有類似的要求，并且近年來已通過集成和功率縮放創(chuàng)新實(shí)施。

如今，集成多通道設(shè)備的進(jìn)步進(jìn)一步降低了功耗、尺寸和成本。毫無疑問，新的創(chuàng)新產(chǎn)品和配置工具使系統(tǒng)設(shè)計人員的工作更輕松。這提供了一種開發(fā)多樣化超聲產(chǎn)品的方法，這些產(chǎn)品具有可配置和可擴(kuò)展的性能與功耗，具體取決于成像模式。

大多數(shù)超聲制造商的知識產(chǎn)權(quán)（IP）在于探頭和波束成形技術(shù)。商用器件（包括四通道和八通道ADC）的多通道集成最大限度地減少了高成本模擬元件，并減少了在TGC路徑中進(jìn)行耗時校準(zhǔn)的需求。超聲系統(tǒng)的其他部分提供了進(jìn)一步集成的可能性。集成更多的信號鏈部分將進(jìn)一步降低功耗、尺寸和成本，并提高處理能力。

審核編輯：郭婷