對可獲得的醫(yī)療保健的需求不斷增長。世界人口正在快速增長和老齡化，增加了醫(yī)療保健的成本。醫(yī)療從業(yè)者需要小型，節(jié)能且經(jīng)濟(jì)的診斷設(shè)備。非常需要能夠以具有成本效益的方式提高醫(yī)療質(zhì)量的便攜式診斷設(shè)備。除了解決產(chǎn)科，婦科，放射學(xué)，心臟病學(xué)和血管應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)成像應(yīng)用外，便攜式超聲成像還可以在點照顧。系統(tǒng)設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)，簡單地將控制臺縮小為便攜式或手持式設(shè)備并不能保證足夠的電池壽命或診斷圖像質(zhì)量。

波束成形技術(shù)

系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新，加上模擬和混合信號電子，基于FPGA算法和控制，或基于CPU和GPU的圖像處理使緊湊系統(tǒng)具有高度診斷相關(guān)性。超聲系統(tǒng)使用焦點成像技術(shù)來實現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單通道方法可實現(xiàn)的性能。使用發(fā)射器和接收器陣列，可以通過時移，縮放，相干求和回波能量和相位來構(gòu)建高清晰度圖像，如圖1中的相控陣超聲系統(tǒng)所示。移位，定相和縮放的概念通常來自相同的往復(fù)換能器陣列的發(fā)射和接收信號被稱為波束形成。它提供了通過動態(tài)聚焦和集中能量在掃描區(qū)域中的點來形成圖像的能力。

基于門陣列的解決方案，如美國國家半導(dǎo)體的八通道超聲波發(fā)射/接收芯片組，與基于DSP的解決方案相比具有許多優(yōu)勢。最重要的是更高的靈活性，更低的成本和更低的功耗。

發(fā)射波束形成器提供延遲模式和輪廓，以設(shè)置換能器的所需焦點。 LM96570可配置發(fā)射波束形成器在主控制引擎和脈沖發(fā)生器之間提供無縫接口，允許可編程脈沖圖形輪廓具有良好的延遲分辨率。延遲分辨率為1μs/1280μs，與傳統(tǒng)的FPGA波束成形相比，抖動性能提高了一個數(shù)量級。

圖1：相控陣超聲系統(tǒng)。

脈沖發(fā)生器需要提供高壓脈沖到換能器。正負(fù)信號轉(zhuǎn)換期間的振鈴會影響圖像質(zhì)量。對稱方波脈沖改善二次諧波成像。通常，僅僅可視化異常組織可能是不夠的。諧波成像提高了空間分辨率，并對異常進(jìn)行了診斷。

LM96550的對稱脈沖可用于B模式或連續(xù)波（CW）多普勒模式。片上有源阻尼器可最大限度地減少振鈴。需要發(fā)送接收（T/R）開關(guān)來保護(hù)接收路徑放大器免受高壓發(fā)送脈沖的影響。 LM96530T/R開關(guān)允許通過菊花鏈SPI接口獨(dú)立控制每個通道。 FPGA只需要三個引腳即可控制系統(tǒng)中的任何通道。這顯著簡化了系統(tǒng)設(shè)計，其中每個芯片都需要專用引腳。偏置電流調(diào)整允許高性能或低功耗模式。

時間增益控制

對于具有高空間分辨率的深穿透，期望低接收器噪聲基底。在設(shè)計良好的系統(tǒng)中，低噪聲放大器（LNA）設(shè)置每個通道的性能。可變增益放大器（VGA）的目的是將LNA輸出信號映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的滿量程范圍，因為來自身體的返回信號隨著深度和時間變?nèi)酢Ｔ撨^程稱為時間增益控制（TGC）或深度增益控制（DGC）。與對數(shù)放大器或分段線性模擬VGA相比，高分辨率數(shù)字可變增益放大器（DVGA）提供更好的增益匹配，增益平坦度和近距離相位噪聲。此外，DVGAs的增益誤差相對較低且在整個可變增益范圍內(nèi)保持一致。模擬VGA通常在較低和較高的增益極值處存在嚴(yán)重誤差，從而減少了可用范圍的數(shù)量。

如圖2所示，DVGA改善的近距離噪聲性能有助于可視化器官內(nèi)深處的低速血流。肝臟。當(dāng)小信號沒有被埋在傳統(tǒng)模擬VGA的高接近底噪聲中時，很容易看出它們。

圖2：近距離噪聲性能。

ADC數(shù)字化信號進(jìn)一步處理。 Xignal?CTΣΔ是一種高度過采樣系統(tǒng)。高過采樣率會擴(kuò)散量化噪聲。板載調(diào)制器可以對噪聲進(jìn)行整形并將其移出帶外。然后，片上磚墻數(shù)字濾波器創(chuàng)建一個無混疊的奈奎斯特采樣范圍（見圖3）。消除抗混疊濾波器，耗電的采樣保持放大器，包含片內(nèi)時鐘和低抖動PLL簡化了接收路徑前端設(shè)計。

圖3： CTΣΔ原理。

在用于測量血流速度的CW多普勒系統(tǒng)中，連續(xù)的正弦波被廣播到體內(nèi)，并且測量返回信號的相移。 CW多普勒模擬信號路徑的動態(tài)范圍（DNR）要求非常高，因為來自身體深處的小信號反射與大的近距離信號相加。任何非線性都會產(chǎn)生難以消除的交叉產(chǎn)品。如果不是不可能移除的話。多通道I和Q分量相加并進(jìn)行高通濾波，以最大限度地減少靜止雜波，血管壁返回和慢速超聲波檢查手的移動。高通濾波器輸出以聲音和視覺格式呈現(xiàn)。

LM96511接收模擬前端（AFE）結(jié)合了DVGA和CTΣΔADC與CW多普勒的優(yōu)勢，可提供0.9 nV/rtHz的總輸入?yún)⒖荚肼?。增益范圍?8 dB，DVGA步進(jìn)分辨率為0.05 dB，110 mV/通道B模式功耗，CW多普勒相位旋轉(zhuǎn)分辨率為22.5度，相位噪聲為-144 dBc/Hz，5 KHz偏移，-161 dB/Hz動態(tài)范圍，小尺寸封裝中的208 mW/通道CW多普勒功耗。

總結(jié)一下，醫(yī)療超聲是一種復(fù)雜的信號處理系統(tǒng)。它是侵入性最小的診斷工具，在許多應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。便攜式系統(tǒng)設(shè)計人員面臨眾多權(quán)衡挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)功耗，性能和尺寸之間的最佳平衡。 National的8通道傳輸和放大器接收芯片組包括可編程發(fā)送波束形成器，脈沖發(fā)生器，T/R開關(guān)和接收AFE，提供了一個全面的子系統(tǒng)解決方案，具有系統(tǒng)級功能，可在小型便攜式或手持式系統(tǒng)中打包控制臺性能。