便攜和高性能醫(yī)療設(shè)備的超聲系統(tǒng)設(shè)計方案

對于當(dāng)今的超聲應(yīng)用市場，便攜性和高性能是系統(tǒng)設(shè)計師要滿足的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。便攜性推動超聲系統(tǒng)向更小的尺寸演進(jìn)，以滿足用戶對“可裝進(jìn)口袋”的復(fù)雜超聲工具的需求，與此同時，性能要求則決定了整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍。更高的動態(tài)范圍或更低的噪聲可提供更高質(zhì)量的圖像，從而使醫(yī)生能更好地進(jìn)行診斷。為普通醫(yī)生和臨床醫(yī)生提供高性能的便攜式超聲醫(yī)療儀器，對系統(tǒng)設(shè)計師和系統(tǒng)內(nèi)的元器件提出了越來越高的要求。

本文將探討提供便攜式高性能超聲產(chǎn)品所必須滿足的一些最重要設(shè)計考慮，以及超聲系統(tǒng)設(shè)計師如何實現(xiàn)為目前全球市場開發(fā)新的成像產(chǎn)品所需的靈活性。

1 系統(tǒng)權(quán)衡

盡管超聲系統(tǒng)多年的研究和開發(fā)已經(jīng)取得了重大的技術(shù)進(jìn)步，但它仍然很復(fù)雜。與其它的復(fù)雜系統(tǒng)一樣，也存在許多的系統(tǒng)劃分方法。

多年來，制造商通過設(shè)計他們自己的定制ASIC 來實現(xiàn)這些復(fù)雜系統(tǒng)。這種解決方案通常由兩個ASIC 組成，它們集成了時間增益壓縮（TGC）和Rx/Tx 路徑上的大部分元器件，如圖1 所示。這一方法在多通道VGA、ADC 和DAC 廣為出現(xiàn)之前很常見。定制電路允許設(shè)計師集成一些靈活的低成本功能特性，它們隨著時間的推移可體現(xiàn)出成本優(yōu)勢，因為把信號鏈的大部分集成在一起可將外部元件數(shù)量減至最少。不幸的是，隨著時間的推移，基于光刻技術(shù)制造出來的ASIC 在集成度和功耗兩方面皆顯示出它的局限性。ASIC 擁有大量的邏輯門，但這一數(shù)字技術(shù)并不是被優(yōu)化用來成功地實現(xiàn)模擬功能特性的，如高性能ADC。此外，由于供應(yīng)商數(shù)量有限，ASIC 還使得系統(tǒng)設(shè)計師只能在一個很小的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。

圖1：ASIC方法

2 Doppler Processing 多普勒處理

盡管高性能成像系統(tǒng)可以采用這一系統(tǒng)劃分方法來實現(xiàn)，但從便攜性、尺寸和功耗的角度來看這并不是最優(yōu)的。4 通道和8 通道TGC、ADC 和DAC 的出現(xiàn)允許在不犧牲性能的前提下進(jìn)一步減少尺寸和功耗，從而將新的系統(tǒng)設(shè)計方法和新的供應(yīng)商帶進(jìn)了這些市場。多通道元件允許設(shè)計師在PCB 上將元件放得更緊密，從而可提高系統(tǒng)中的通道數(shù)；它們也允許設(shè)計師將敏感電路分開放在兩塊或更多的子板上，來完成一個系統(tǒng)的設(shè)計，這可以有效地重復(fù)利用許多平臺開發(fā)中成熟的電子電路。

附注：隨著通道數(shù)的增加，動態(tài)范圍也將得到提高。噪聲可被有效地視為系統(tǒng)中的不相關(guān)成份加以處理。通過將系統(tǒng)的通道數(shù)翻番，噪聲即可降低一半，動態(tài)范圍可增加3 分貝。因此，與16 通道系統(tǒng)相比，一個64 通道系統(tǒng)可以將動態(tài)范圍提高12dB 之多。

不過這一方法存在一些缺點：增加通道數(shù)可能使PCB 布線成為一個“夢魘”，在某些情況下這將迫使設(shè)計師采用較小通道數(shù)的元件。這也為機(jī)械設(shè)計師帶來了新的熱處理挑戰(zhàn)，不僅增加了系統(tǒng)成本，而且還增加了風(fēng)扇噪音。

今天，IC 制造商能夠集成完整的多通道TGC 路徑，如圖2 所示。多通道、多元件集成使得超聲系統(tǒng)設(shè)計變得更容易，并可在不犧牲性能的前提下減少PCB 板尺寸和功耗。隨著更高集成度方案變得更加占據(jù)主導(dǎo)地位，其在成本、尺寸和功耗降低方面的優(yōu)勢將進(jìn)一步體現(xiàn)出來，并將使得系統(tǒng)的散熱量更低、電池壽命更長。

圖2：常見的集成方法

超聲子系統(tǒng)（如ADI 公司集成了LNA/AAF/ADC 和交叉點開關(guān)的AD9272/AD9273）實現(xiàn)了完整的TGC 路徑，這是超聲系統(tǒng)最常見的接收路徑。這兩個器件為系統(tǒng)設(shè)計師提供了在性能和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡的靈活性：高性能AD9272 具有低噪聲特性（0.75nV/rt-Hz），低功耗AD9273 在采樣率為40MSPS 時每個完整TGC 通道僅消耗100mW。這兩款引腳兼容的器件采用串行I/O 來實現(xiàn)低引腳數(shù)。它們均采用緊湊的14mm×14mm×1.2mm 封裝，與多芯片解決方案相比，它們可將每通道占位面積和功耗降低33％以上。

大多數(shù)超聲系統(tǒng)公司承認(rèn)，他們的核心知識產(chǎn)權(quán)（IP）在于探頭和波束形成技術(shù)。多通道芯片正在快速變成大眾化器件，它們使得無需再采用高成本的ASIC 元件，以及為了完成系統(tǒng)設(shè)計和獲得多一點的性能或功耗節(jié)省而對單獨TGC 路徑進(jìn)行無休止的調(diào)整和優(yōu)化。

設(shè)計師正在考慮對超聲系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行進(jìn)一步集成。研究已經(jīng)表明，如果前端電子電路更接近探頭，那么將產(chǎn)生更少的探頭損耗和更好的信號靈敏度，從而允許系統(tǒng)設(shè)計師放寬對前端器件(如LNA/VGA)的要求。信號鏈這些部分的集成已證明可能是有益的。

3 超聲醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢

隨著如此眾多的超聲應(yīng)用被開發(fā)出來，對性能和便攜性兩方面的要求也變得很高。高性能需求推動超聲應(yīng)用（如心臟病和4 維圖像處理）包含最高數(shù)量的通道數(shù)、特性和選項。功耗在這里不是一個關(guān)鍵推動因素，因為這些系統(tǒng)往往用于病人的床邊、手術(shù)室、或護(hù)士分診臺，但性能變得非常關(guān)鍵，因為這些系統(tǒng)是用于人類疾病的診斷。

便攜式超聲設(shè)備提供了一個不同類別的應(yīng)用機(jī)會，特別是在電力系統(tǒng)不太穩(wěn)定或不可靠的地方，如偏遠(yuǎn)村莊診所、緊急醫(yī)療服務(wù)、動物養(yǎng)殖場、橋梁和大型機(jī)械設(shè)備檢修車間。

圖3：用于大型動物飼養(yǎng)農(nóng)場的便攜式超聲系統(tǒng)

超聲系統(tǒng)一般可分為三個檔次：高端、中檔和低端。高端超聲系統(tǒng)采用最前沿的最新技術(shù)，并具有市場要求的最齊全的功能特性，它們可產(chǎn)生最好的圖像，但也更昂貴。中檔系統(tǒng)一般具有高端超聲系統(tǒng)功能特性的一個子集，但圖像質(zhì)量沒有多大的犧牲。低端超聲系統(tǒng)的功能特性進(jìn)一步縮減，在某些情況下，它僅能滿足特定應(yīng)用的需要，無論是臨床應(yīng)用還是其它應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展趨勢已顯示，低端系統(tǒng)正開始在圖像質(zhì)量上追趕上來，以實現(xiàn)更準(zhǔn)確、無創(chuàng)式和及時的診斷。

4 面向超聲設(shè)計的新工具

超聲覆蓋了廣泛的各種應(yīng)用，因此系統(tǒng)設(shè)計師必須做出的權(quán)衡之處已經(jīng)有所增加。每種超聲應(yīng)用都存在通常定義為性能對功耗的局限性。如今，這些挑戰(zhàn)已經(jīng)可以用商業(yè)元件來克服，它們允許設(shè)計師在IC 內(nèi)調(diào)整性能與功率的比值，從而縮短產(chǎn)品上市時間。

ADI 公司的AD927x 提供了多種可配置性，設(shè)計師可調(diào)整輸入電壓范圍、偏置電流、采樣率和增益。取決于需要的成像方式或探頭類型，系統(tǒng)設(shè)計師可以適當(dāng)?shù)貙υO(shè)計進(jìn)行實時系統(tǒng)級調(diào)整，從而可以最低的功耗提供最高的性能。

在一個典型的應(yīng)用中，來自一個產(chǎn)生0.5Vpp 信號的5MHz 探頭的圖像將被采集。如果整個通道上只有0.86nV/rt-Hz 或1.4nV/rt-Hz 噪聲的LNA（低噪聲放大器）是采用50 歐姆電阻進(jìn)行源端匹配，那么該系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍將是92dB，并產(chǎn)生3.8dB 的噪聲指數(shù)（NF）。這可轉(zhuǎn)化為66.3dB 的輸出動態(tài)范圍，它允許系統(tǒng)設(shè)計師實現(xiàn)每通道僅消耗191mW（在40MSPS 的采樣率下）的同時，保持最優(yōu)的性能。

如果系統(tǒng)的性能超過了預(yù)期，又能使每通道能節(jié)省50mW 的話，那么系統(tǒng)設(shè)計師可能決定將系統(tǒng)輸入動態(tài)范圍減少2dB。系統(tǒng)設(shè)計師可以嘗試調(diào)整增益、偏置、端接匹配和其它參數(shù)，來驗證這是否可行，但改變所有這些參數(shù)來了解系統(tǒng)的權(quán)衡可能很困難。

配置工具（如ADI 公司為其AD927x 系列器件開發(fā)的配置工具）使得系統(tǒng)設(shè)計師可以很方便地評估性能，如圖4 所示。在這里，所有的功能特性都已經(jīng)到位，它們使得系統(tǒng)設(shè)計師能夠快速地做出這些權(quán)衡，以及調(diào)整系統(tǒng)以直接集成到一個IC 中。這使得設(shè)計師無需改變實際硬件和進(jìn)行繁瑣的圖像處理測試，就可以驗證這些權(quán)衡。

圖4：AD9272/9273 配置工具

此外，配置工具將把優(yōu)化配置參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字化設(shè)置，并生成一個文件，它可以復(fù)制成部分系統(tǒng)的最終配置。

5 結(jié)論

今天，最新的集成式多通道元件正在將系統(tǒng)靈活性推向一個新的水平。新的創(chuàng)新產(chǎn)品和配置工具毫無疑問已使得系統(tǒng)設(shè)計師的工作更加輕松。這提供了一個開發(fā)多元化超聲系統(tǒng)產(chǎn)品的新方法，使得超聲產(chǎn)品的性能與功耗權(quán)衡可根據(jù)成像方式進(jìn)行配置和調(diào)整。

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