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利用高性能模拟前端方案实现超声成像系统的设计创新 |
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作者：德州仪器 Xiaochen Xu |
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超声成像是一种重要的医疗成像方法，多年来一直用作医学诊断工具。它之所以普及的原因是超声成像不会对人体造成伤害，性价比高，设备方便携带，而且结果是实时的。传统的超声成像系统使用2MHz~15MHz的频率，波长分辨率为毫米数量级。它们被广泛用于监视胎儿、诊断人体内部器官的疾病。
在过去20年中，传统的控制台式超声系统主导着医疗超声应用领域。这是因为超声系统要求较多的通道数量和强大的信号处理能力。人口老龄化、卫生保健成本的上升以及新兴经济的增长促进了对创新型医疗解决方案的快速增长需求。
不断发展的半导体技术以及性能的改进和成本的降低，比如数字信号处理器(DSP)，极大地增强了医疗成像设备的功能，同时也加快了医疗超声成像系统的小型化进程。而缩小系统体积并不意味着性能的降低。小型化超声系统(即便携式超声系统)可以取得与传统控制台式系统相同的性能。
目前的便携式超声系统可以提供良好的成像质量，可有效帮助医生作出精确和及时的诊断。因此便携式超声系统在及时外伤诊断及紧急诊断与治疗等应用中扮演着越来越重要的角色。由于开发便携式超声系统的超声设备制造商越来越多，那些能够更快推出产品的制造商将能获得更多的市场份额。
超声模拟前端(AFE)和紧凑型高性能DSP都是超声制造商急需的产品。更重要的是，超声制造商希望同一个设计能与不同系统共享，从而尽量缩短开发周期，加速产品上市。
超声系统结构
超声系统之间的差异表现在功能和性能方面。例如，三维、四维和谐波成像模式通常装备在高端系统上，那些低端系统一般只有二维B模式成像和多谱勒频谱功能。功能的差异主要取决于数字后端。高端超声系统需要高性能DSP提供更多更快的运算能力，以提供接近实时信号处理的性能。显然，在高端和便携式系统之间共享信号处理单元是很困难的。然而，超声系统不管性能要求怎样，一般都有相似的接收通道架构。
超声系统的接收模拟前端(AFE)由普通模块组成，如低噪声放大器(LNA)、时间增益控制(TGC)放大器、压控放大器(VCA)、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器和模数转换器(ADC)等。无论什么情况下，AFE的性能都会极大地影响整个系统的性能。因此AFE设计可以标准化，并在不同系统中重用，只要AFE产品能以管脚兼容的封装满足不同的性能要求。这种标准化在中低端系统中很容易实现，因为它们没有特殊的模拟信号调节要求。
然而，目前的大多数AFE产品不能满足超声制造商提出的这个要求。因此必须选择不同的芯片来满足便携式和控制台式系统所需的不同性能要求。例如，控制台式系统可能容许较高的功耗，但必须实现较低的噪声，反之亦然，从而使重新设计不可避免。
如今市场上已推出新的AFE器件，如TI公司的AFE5805，它允许超声制造商对AFE设计实施标准化。这些管脚兼容的器件可以用于从便携式到控制台式的各种超声系统。管脚兼容意味超声制造商以能显著的成本节省和更快的上市时间推出创新型产品。
模拟前端特性与系统性能的关系
设计超声系统非常复杂，AFE的每个特性都会影响到整个系统的性能。针对每个系统种类调整不同参数无疑是一项极富艺术性的工作。
对便携式超声系统来说，功耗是一个重要的考虑因素。低功耗意味着在用能量有限的电池供电时可以延长操作时间。然而，它会影响其它参数，如输入信号范围、输入参考噪声、谐波失真等，虽然这些性能的降低对便携式(低端)系统来说通常是可接受的。
除了功耗外，AFE噪声是超声系统设计师的第二考虑要素。从超声换能器接收到的信号幅度可能在10uVPP到1VPP范围内变化。可以被检测到的信号越小，系统的灵敏度就越高。而输入参考电流和输入参考电压噪声都会影响系统灵敏度。
一般情况下，从高端到低端系统选择的噪声参数为0.7nV/rt(Hz)~1.5 nV/rt(Hz)(RTI)。经实际系统验证，这些噪声参数足以产生高质量的图像。虽然可以使用更低噪声的放大器，但考虑到输入参数电流噪声和发送/接收(T/R)开关带来的噪声，最终的超声图像质量不会有明显的改善。
除了输入参考电压噪声外，闪烁噪声(即1/f噪声)在成像应用中也很重要。在有混频的连续波(CW)模式中，低频噪声频谱会移向载频，从而降低感兴趣频率点的信噪比(SNR)。因此最好选用在宽工作频率范围内具有平坦噪声性能的放大器。
在超声应用中，增益控制范围在实现图像动态范围过程中发挥着重要的作用。当VCA具有较大的增益控制范围时，最终图像就有较宽的动态范围--也就有较好的图像质量。结合模数转换器的信噪比，系统动态范围可以用下式计算：
公式1：动态范围=信噪比(SNR)+增益控制范围
举例来说，一个具有12位、70dB SNR性能以及增益控制范围为40dB的VCA的系统可以实现110dB的动态范围。换句话说，105dB的动态范围可以这样计算：10*2*0.7*7.5，其中人体中的衰减系数为0.7dB/cmMHz，成像深度为10cm，换能器工作频率为7.5MHz。在目前的超声系统中，10~15MHz探针常被用于小面积的成像，因此通常需要100dB以上的动态范围。从系统设计角度看，最好选用具有较大增益控制范围的AFE。另外，具有较高整体增益的AFE更适合用来检测小信号并补偿其它电路引入的插损(如无源高阶滤波器的插损)。
放大器饱和与过载恢复
放大器饱和与过载恢复也是重要的系统参数。对两个参数一起进行评估和决策比分开来做更有价值。从基本原理上讲，放大器的理想输入信号范围受限于放大器的线性输出电压(相对电源电压)和增益：
公式2：
因此，这个参数受益于较低增益和较高电压。然而，较低增益将劣化输入参数电压噪声性能，较高电源电压又会增加总的功耗，因此必须进行折衷。便携式到中端系统一般选择200-400mVPP的参数。
超声放大器饱和通常是由于高压脉冲泄漏或被接近表面的物体反射的大信号引起的，这些地方的声学阻抗变化非常剧烈。实例包括只有有限临床信息的表层组织或骨骼。在大多数情况下，这些区域的信息丢失不会影响到临床诊断。然而，如果放大器不能及时恢复，重要的信息也会丢失。AFE的快速过载恢复时间可以确保超声系统捕获到尽可能多有价值的信息。AFE的过载恢复时间可以规定为ADC时钟周期数。一个时钟周期的过载恢复时间是最理想的。
饱和产生的另外一个结果是增加了谐波失真。由于使用了流行的造影剂，越来越多的系统(即使便携式系统)要求整个系统有低的二次谐波失真，以确保成功地谐波成像。通常换能器接收的谐波信号最多可以比基本信号低40dB，具体取决于造影剂声学属性、发送器电压和组织特性的共同影响。
因此放大器的二次谐波失真(HD2)应低于40dBc(相对于载频的分贝数)，这时系统可以获得满意的谐波图像。另外，高的HD2还会引起伪多普勒频移。在一些临床情形，这种伪多普勒频移会影响准确的诊断。在最终的多普勒图像中，伪多普勒频移将导致多普勒系统的方向性隔离。考虑到上述因素，当HD2小于40dBc时，AFE的线性输入范围应加以规定。
影响图像精度的串扰是超声系统需要考虑的另外一个参数。超声系统的主要串扰来自阵列换能器，数量级在-30~-35dBc，具体取决于换能器单元的间距、频率、设计和材料等。一般来说，来自IC或PCB的串扰要比-35dBc低得多，因此电路串扰不会降低系统性能。
用于超声系统的模拟前端
为了满足上述标准，需要采用性能优异的超声AFE，如TI公司的AFE5805。该器件采用先进的BiCMOS和CMOS技术来优化功率和噪声性能。考虑到低功率、小芯片面积和低闪烁噪声特点，BiCMOS工艺最适合AFE5805的VCA部分。CMOS工艺则最适合模数转换器。与其它类似的解决方案相比，这些多项创新可以使最终产品的体积缩小一半，功耗降低20%，噪声降低40%。
图示的恒定噪声性能覆盖了整个工作频率范围。因此便携式超声系统经过认真设计可以具有先进的图像质量和最低的功耗性能。
优异的噪声性能
本文小结
在今后数年中全球各地对便携式和可负担得起的超声设备的需求将迅速增长。对超声设备制造商来说机遇与挑战并存。用于超声模拟前端的最新先进技术允许超声设备制造商针对不同系统体积调整性能。在单个设计的基础上，制造商可以针对便携式设备和高通道密度的中端超声系统推出多种产品，从而显著节省成本和时间。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/5/2009) |
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