超聲系統(tǒng)的設計考慮對前端元件選用的影響

引言

在設計超聲前端電路時，在若干重大問題上需要進行折中處理。前端電路的元器件的性能參數(shù)將影響到診斷的性能——反過來，系統(tǒng)的配置和使用目標也將影響到元器件的選用。

設計者應當理解極為重要的指標的含義，這些指標對系統(tǒng)的性能的影響，以及它們是如何受到集成電路（IC）設計的折中取舍。就集成度和半導體工藝技術而言，這些取舍將限制用戶的設計選擇。對這些設計上的考慮的理解將幫助設計者實現(xiàn)最有利的系統(tǒng)劃分方案。我們首先對高層系統(tǒng)進行概述，然后對超聲系統(tǒng)的工作原理進行更為詳細的描述。

系統(tǒng)介紹

醫(yī)用超聲機屬于當前得到廣泛應用的、最為復雜的信號處理機之一。與任何一種復雜的機器類似的是，由于性能要求、物理和成本方面的原因，其設計必須進行多方面的權衡取舍。為了完全理解前端IC所應該具備的功能和性能水平，特別是低噪聲放大器（LNA）、時間增益補償放大器（TGC）和模擬－數(shù)字轉換器（ADC）等IC，就必須從系統(tǒng)的層次理解這種設備。

在超聲前端以及其他多種復雜的電子系統(tǒng)中，這些模擬的信號處理元件都是決定系統(tǒng)總體性能的關鍵性的元件。前端元件的特性決定了系統(tǒng)性能的極限，一旦在這一部分引入噪聲和失真，要在后續(xù)部分將其除去將是不可能的。這當然是任何一個接收信號處理鏈中存在的一個問題，無論是超聲還是無線系統(tǒng)都是如此。

有趣的是，超聲系統(tǒng)在本質上可以被視為一個雷達或者聲納系統(tǒng)，但是它的工作速度與這些系統(tǒng)不在一個數(shù)量級上。典型的超聲系統(tǒng)在概念上與安裝在商用、軍用航空器和軍用艦船上的相控陣雷達是類似的。不同的是雷達工作在GHz頻段，聲納工作在kHz頻段，而超聲則工作在MHz頻段。超聲的設計者們采用并擴展了最早由雷達系統(tǒng)設計者們提出來的、基于相控陣原理的波束定向控制技術（beam steering）。如今，這些系統(tǒng)采用了一些目前最復雜的信號處理設備。

圖1示出了一種簡化的超聲系統(tǒng)圖。在所有這樣的系統(tǒng)中，在較長的（2m）電纜的終端有一個多元件的換能器。該電纜中有48至256路微同軸電纜，是系統(tǒng)最昂貴的部件之一。在大多數(shù)系統(tǒng)中，有若干不同的換能器探頭（也被稱為手柄——手柄是指包含著換能器元件并通過電纜與系統(tǒng)相連接的部件單元）可以與系統(tǒng)相連，使得操作者能夠為最優(yōu)的成像質量選出適當?shù)膿Q能器。手柄的選擇是通過高壓（HV繼電器）來選擇的，這會給電纜增加很大的寄生電容。

圖1 超聲系統(tǒng)方框圖

某些陣列使用了一個HV多路復用器/解復用器來降低發(fā)射和接收硬件的復雜性，但相應要在靈活性方面付出代價。最靈活的系統(tǒng)是相控陣數(shù)字波形合成系統(tǒng)，由于需要對所有的通道進行完全的電子控制，因此它們?nèi)菀壮蔀槌杀咀罡叩南到y(tǒng)。不過，如今最新型的前端IC，如AD8332可調(diào)增益放大器（VGA）和AD9238 12bit 模數(shù)轉換器（ADC），正在不斷推動每通道成本的降低，因此，如今即使在中檔和低成本的系統(tǒng)中也引入了全部單元的全電子控制。

在發(fā)射（Tx）一側，Tx波束成形器決定了延遲方式和脈沖序列，它設定了所需要的發(fā)射焦點。波束成形器的輸出則經(jīng)過高壓發(fā)射放大器放大后驅動換能器。這些放大器受數(shù)模轉換器（DAC）控制，以修整發(fā)射的脈沖波形，以便提高能送到換能器元件的能量。一般來說，會采用多個發(fā)射焦點——也就是說，待成像的區(qū)域可以通過將發(fā)射能量的匯集焦點逐步向體內(nèi)推移的方法來向深處擴展。采用多個區(qū)域的主要原因是，待成像的點在人體內(nèi)的深度越大，所需發(fā)射的能量就應該越大，因為信號會隨著向體內(nèi)的傳播（和返回）而逐步衰減。

在接收側（Rx），有一個通常由二極管橋所構成的T/R開關，它可以阻止高壓Tx脈沖的通過。這個開關之后又接有一個低噪聲的放大器（LNA）和一個或多個可調(diào)增益放大器（VGA），這些放大器用于實現(xiàn)時間增益補償（TGC），有時也實現(xiàn)變跡濾波（空間“加窗”，用于減少波束的旁瓣）功能。時間增益控制——可以提高人體深處（因此信號到達也越晚）的信號的增益，則由操作者來控制，用于維持圖像的均勻度。

信號經(jīng)過放大后，波束成形就開始執(zhí)行，這種功能可以以模擬（ABF）或者數(shù)字（DBF）形式實現(xiàn)。在現(xiàn)代系統(tǒng)中，大部分是數(shù)字化的，除了連續(xù)波（continuous-wave，CW）多普勒處理外。之所以還要采用模擬方法，是因為CW Doppler處理的動態(tài)范圍仍然過大，無法通過與圖像在同一個通道進行處理。最后，Rx波束經(jīng)過處理，以顯示出灰度圖像、疊加在2D圖像上的Colorflow圖像，和/或多普勒輸出。

超聲系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)

為了充分理解超聲技術所提出的挑戰(zhàn)以及它們對前端元件的影響，非常重要的是要記住這種成像模式試圖實現(xiàn)的目標。首先，它應該能精確地呈現(xiàn)人體內(nèi)部的器官，其次，通過Doppler信號處理，可以確定人體內(nèi)部的運動（例如，血流）。從該信息出發(fā)，醫(yī)生可以對心臟的瓣膜或者血管是否正常工作下結論。

采集模式

超聲的采集模式有三種：B模式（灰度級成像；2D）；F模式（Colorflow或者Doppler成像；血流）；以及D模式（頻譜多普勒）。B模式可以產(chǎn)生傳統(tǒng)的灰度級圖像，F(xiàn)模式是一種疊加在B模式顯示上的彩色圖像，用于顯示血流；D模式則屬于Doppler顯示，可以示出血流的速度及頻率。（還有一種M模式，它用于顯示單個B模式的時間線。）

醫(yī)用超聲的工作頻率在1MHz～40MHz范圍內(nèi)，體外成像機一般采用的頻率為1MHz～15MHz，而靜脈內(nèi)心血管測量機則使用高達40MHz的頻率。原則上希望采用更高的頻率，因為它們可以提供更好的分辨率，但是組織的衰減作用限制了給定透入深度所對應的最高頻率。不過，人們也無法任意提高超聲的頻率來獲得更細微的分辨率，因為超聲信號的衰減率約為1dB/cm/MHz，也就是說，對于10MHz的超聲信號和5cm的透入深度而言，往返的信號已經(jīng)衰減了5× 2×10 = 100 dB！為了在任意位置都能達到約60dB的瞬時動態(tài)范圍，對動態(tài)范圍的要求高達160dB（對應的電壓動態(tài)范圍是1×108：1）！如此之高的動態(tài)范圍是無法直接實現(xiàn)的；因此，必須在系統(tǒng)復雜程度和前端性能之間做出均衡，要么是透入深度（受到安全方面的法規(guī)關于容許的最高發(fā)射功率的限制），要么是圖像分辨率（使用較低的超聲頻率）。

所接收到的信號的巨大的動態(tài)范圍帶來了最嚴重的挑戰(zhàn)。前端電路必須同時具有很低的噪聲和承受大信號的能力——任何在通信的要求方面有經(jīng)驗的人對此種需求都很熟悉。例如，如果電纜在特定頻率的損耗為2dB，則噪聲系數(shù)將衰減2dB。這就意味著電纜后的第一個放大器的噪聲系數(shù)必須比采用無損耗電纜時低2dB?？梢员荛_這一問題的一個可能的辦法是把放大器放置在換能器手柄上。不過，這也會遇到嚴重的尺寸和功耗方面的限制；另外，需要對高壓瞬態(tài)脈沖進行防護的需求也使得這種解決方案難以實施。

另一個挑戰(zhàn)則是換能器元件和人體之間巨大的聲學阻抗失配。能量發(fā)射的高效率，離不開聲學阻抗的匹配層（類似于電阻抗匹配射頻電路）。這往往需要在手柄的換能器元件前敷設一兩層匹配層，這些材料后面接有一個透鏡，再后面是耦合乳膏。乳膏本身可以實現(xiàn)與人體的聲學接觸——因為空氣是一種很好的聲反射體。

接收電路所要解決的另一個重要的問題是從過載中快速恢復的能力。即使T/R開關的用途就是保護接收器不會承受很大的脈沖，這些脈沖通過開關的少量泄漏也足以讓前端電路過載。過載恢復能力欠佳將導致接收機“盲視”，直到恢復為止，這將直接影響到在距離皮膚多近的部位可以形成圖像。

超聲圖像是如何形成的——B模式

圖2示出了不同的掃描圖像是如何形成的。在所有4種掃描模式下，具有矩形邊界的掃描線所成的圖像是圖像的真實呈現(xiàn)，因為這是將在顯示監(jiān)視器上出現(xiàn)的圖像。這里僅示出了單個換能器的機械移動（箭頭所指的方向）以方便對成像原理的理解，但是一個直線陣列在沒有機械移動的情況下也可以產(chǎn)生相同種類的圖像。在線掃描的例子中，換能元件沿著水平方向移動；對應于每條掃描線（圖像中所示的線），都會發(fā)送一個Tx脈沖，而來自于不同深度的各種反射信號被記錄下來，通過掃描方式轉換成視頻顯示。單個換能器在圖像采集過程中的移動方式，將決定圖像的形狀。這直接變換成線陣列換能器的形狀，也就是說，對于直線掃描而言，該陣列將是直線狀的，而對于弧形掃描而言，陣列將是凹面的。

圖2 單換能器圖像生成

從機械單換能器系統(tǒng)到電子系統(tǒng)所需要邁出的一步也可以通過考察圖2所示的直線掃描方式來輕松地予以解釋。如果單換能器單元被劃分為多個小塊，則如果一次激勵一個單元并紀錄來自于人體的反射信號的話，則還可以獲得如圖所示的矩形圖像，只是現(xiàn)在操作員不再需要移動換能器元件。從這一例子可以看出，弧形掃描可以由一個組成凹面形狀的線陣列來實現(xiàn)；扇形掃描將由呈凸面排列的線性陣列來實現(xiàn)。

雖然上述的實例解釋了B模式超聲圖像生成的基本原理，但一個現(xiàn)代系統(tǒng)一次不止使用一個單元來產(chǎn)生掃描線，因為它可以讓系統(tǒng)的孔徑發(fā)生改變。改變孔徑類似于改變光學系統(tǒng)中的焦點位置，這有助于產(chǎn)生更清晰的圖像。圖3示出了線性陣列和相控陣是如何做到這一點的；主要的差別在于在相控陣中，所有的單元都被同時用到，而在一個線陣列中，所有的陣列單元中只有一部分被用到。只用到較少的單元，其優(yōu)點是節(jié)省了電子方面的硬件，但它增加了對給定的視場進行成像所需的時間。相控陣則不同，因為它采用了扇形分布，只需很少的換能器就可以對遠場進行大面積成像。這也就是相控陣換能器在心臟成像等應用領域的首選，在這些應用中，操作員必須能利用肋骨間的狹小空間來對尺寸大得多的心臟進行成像。

圖3 線性vs 相控陣成像

陣列中的激勵是沿著掃描線發(fā)出的，其方式由一組預計將同時到達某個焦點的延遲分布來決定的。這些脈沖（圖3）可以由陣列（填充陰影的圖形）上方垂直的時間線上的“彎曲”來表示——從陣列的表面往上對應著時間的增加。圖3所示的直線的步進陣列，將能向一組單元（孔徑）提供具有特定形狀的激勵，然后通過添加一個前面的元件并剔除一個后方的單元來讓孔徑發(fā)生步進移動。發(fā)生每一步時，一條掃描線（波束）是由同時到達的脈沖所形成的。在相控陣中，所有的換能器都同時激活。在上面所示出的例子中，暗線是對所示的脈沖方式所產(chǎn)生的反射數(shù)據(jù)進行成像的掃描線。

模擬vs 數(shù)字波束成形技術

在模擬波束成形（ABF）和數(shù)字波束成形（DBF）超聲系統(tǒng)，所接收到的、從沿著一條波束的特定焦點反射的脈沖信號將被按通道儲存起來，然后在時間上對準，并進行一致性求和，這可以提供空間的處理增益，因為各通道的噪聲是非相關的。圖像可以由如下的兩種方式之一來形成：經(jīng)過模擬延遲線形成模擬電平序列，然后求和，并在求和后最終變換成數(shù)字形式（ABF）；或者，在盡可能接近換能元件的位置對模擬電壓電平進行采樣，將這些采樣值存入內(nèi)存（FIFO），然后將它們通過數(shù)字化的處理求和（DBF）。

圖4和圖5示出了ABF和DBF系統(tǒng)的基本方框圖。兩種類型的系統(tǒng)都需要完美的通道間匹配。請注意，兩種實現(xiàn)方案都需要可變增益放大器（VGA），而且對于數(shù)字波束成形也始終都需要VGA，直到可以獲得動態(tài)范圍足夠高并且成本合理、功耗足夠低的ADC為止。請注意，ABF成像系統(tǒng)只需要一個高分辨率和高速的ADC即可，但一個DBF系統(tǒng)需要多個高速、高分辨率的ADC。有時在ABF系統(tǒng)中還需要一個對數(shù)放大器，以便在ADC接收信號之前壓縮動態(tài)范圍。

圖4 簡化的ABF系統(tǒng)框圖

圖5 簡化的DBF系統(tǒng)框圖

動態(tài)范圍

在前端電路中，LNA的本底噪聲決定了可以接收到的最微弱的信號。但同時，特別是在CW Doppler信號處理中，LNA卻還必須能承受極強的信號。因此能否盡量提高LNA的動態(tài)范圍就變得非常關鍵（一般來說，由于噪聲性能方面的限制，在LNA前無法采取任何濾波措施）。請注意，這些條件同樣也適用于任何接收機，在通信應用中，最靠近天線的電路也并不能享受到多少濾波帶來的好處；相應的，它也需要能承受最大的動態(tài)范圍。

在超聲系統(tǒng)的所有信號中，CW Doppler具有最大的動態(tài)范圍；對于CW來說，換能器陣列的一半用于發(fā)射正弦波，而另一半則進行接收。因此Tx信號很有可能泄漏到Rx側，從接近人體表面的靜止的部位反射回來的信號的強度也很高。這就很有可能干擾，例如，對體內(nèi)深處的靜脈的血流的檢測（所產(chǎn)生的Doppler信號很微弱）。

就目前的技術發(fā)展水平來看，CW Doppler信號還無法通過數(shù)字波束成形（DBF）系統(tǒng)中的主成像（B模式）和PW Doppler（F模式）進行處理；正因為如此，圖1中的CW Doppler處理采用了模擬的波束成形器（ABF）。ABF具有更大的動態(tài)范圍，自然，DBF超聲的“圣杯”（最高目標），是讓所有的模式都能通過DBF鏈來處理（成本要保持在合理范圍內(nèi)），因此現(xiàn)在正在進行的研究都針對如何實現(xiàn)這一目標來開展。
功耗

因為超聲系統(tǒng)需要很多通道，前端元件的功耗——從T/R開關經(jīng)過LNA、VGA和ADC一直到波束成形器的數(shù)字電路——都是非常關鍵的指標。正如上面所指出的那樣，推動前端的動態(tài)范圍不斷提高的動力始終存在，其目標是最終將所有的超聲模式集成到一個波束成形器中，這一趨勢最終將導致系統(tǒng)中功耗的上升。不過，在此發(fā)展過程中又相應出現(xiàn)不斷減小超聲系統(tǒng)尺寸的需求，這一趨勢又將導致系統(tǒng)功耗的降低。數(shù)字電路的功耗往往隨著電壓的降低而降低，但對于模擬和混合信號電路來說這并不一定成立。此外，考慮到降低模擬“裕度”會減小動態(tài)范圍，要保證所需要的動態(tài)范圍，電源電壓的減少必然存在一個最低限度。

結論

我們努力通過本文來闡述針對超聲應用的前端IC方面所需要做出的折中取舍，首先解釋了這樣一種系統(tǒng)的基本工作原理，然后指出了為了確保最優(yōu)的系統(tǒng)工作性能，需要具備何種特定的性能參數(shù)。本文的一個更為完整的版本1將提供更多的細節(jié)。