一種經(jīng)創(chuàng)新改造的醫(yī)療超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

由于其安全性、低成本和實(shí)時(shí)性能，超聲波成像堪稱是一種重要的醫(yī)療成像方法。傳統(tǒng)的超聲波成像系統(tǒng)使用 2～15MHz 的頻率，精度可精確到毫米。它們被廣泛地運(yùn)用于對(duì)胎兒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及對(duì)諸如心臟、肝臟、膽囊、脾臟、胰臟、腎臟以及膀胱等人體內(nèi)部器官的疾病進(jìn)行診斷。

由于超聲波系統(tǒng)的大通道數(shù)量和大信號(hào)處理要求，傳統(tǒng)的控制臺(tái)型超聲波系統(tǒng)在過(guò)去的 20 多年里主導(dǎo)了 醫(yī)療超聲波應(yīng)用。老年人口、日益增長(zhǎng)的醫(yī)療保健成本和新興經(jīng)濟(jì)的需求導(dǎo)致了對(duì)創(chuàng)新型醫(yī)療解決方案需求的急劇增長(zhǎng)。

具有更高性能以及更低價(jià)格的成熟的半導(dǎo)體技術(shù)（例如：數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP））不但大大地推動(dòng)了醫(yī)療成像設(shè)備的發(fā)展，而且還促進(jìn)了醫(yī)療超聲波成像系統(tǒng)的小型化。另外，縮小系統(tǒng)尺寸并不意味著性能的降低。小型化的超聲波系統(tǒng)（即便攜式超聲波系統(tǒng)）可以實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)控制臺(tái)型超聲波系統(tǒng)一樣的性能。目前的便攜式超聲波系統(tǒng)可提供較好的成像質(zhì)量，以幫助醫(yī)生們進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的診斷。

因此，便攜式系統(tǒng)在諸如及時(shí)創(chuàng)傷診斷和急診及治療等應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。由于越來(lái)越多的超聲波設(shè)備廠商致力于開發(fā)便攜式超聲波系統(tǒng)，因而只有那些能夠更為迅速地推出產(chǎn)品的廠商才能獲得更多的市場(chǎng)份額。超聲波模擬前端 （AFE） 和小尺寸、高性能 DSP 都是超聲波設(shè)備廠商所需要的。更為重要是，超聲波設(shè)備廠商們正迫切需要一種可以和各種系統(tǒng)共享的設(shè)計(jì)，以最短化它們的開發(fā)周期時(shí)間并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。

超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波系統(tǒng)因其功能和性能不同而各異。例如，3D、4D 和諧波成像模式通常被用于高端系統(tǒng)，而只有 2D B-模式成像和頻譜多普勒可能被用于一些低端系統(tǒng)。功能差異主要取決于數(shù)字后端。高端超聲波系統(tǒng)要求更多和更快的計(jì)算能力，其需要具有接近實(shí)時(shí)信號(hào)處理的高端 DSP。

很明顯，在高端便攜式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)共享信號(hào)處理單元是非常困難的。但是，在不考慮不同性能要求的情況下，超聲波系統(tǒng)通常擁有相似的接收通道架構(gòu)。

如圖 1 所示，超聲波系統(tǒng)的接收模擬前端由一些通用模塊組成，如：低噪聲放大器 （LNA）、時(shí)間增益控制 （TGC） 放大器、電壓控制放大器 （VCA）、可編程增益放大器 （PGA）、低通濾波器以及模數(shù) 轉(zhuǎn)換器 （ADC）。

圖 1 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)論是哪種情況，AFE 的性能都會(huì)極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，只要有能夠在一個(gè)引腳對(duì)引腳兼容的封裝中滿足不同性能要求的 AFE 產(chǎn)品，那么 AFE 設(shè)計(jì)就可以被標(biāo)準(zhǔn)化 并在各種系統(tǒng)中得到重復(fù)使用。這種標(biāo)準(zhǔn)化可以在中低端系統(tǒng)很容易地得到實(shí)現(xiàn)，這些系統(tǒng)中不需要特別的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)。但是，目前大多數(shù)的 AFE 產(chǎn)品都無(wú)法滿足超聲波廠商的這種需求。

因此，我們必須選擇一些單獨(dú)的芯片來(lái)滿足袖珍式和控制臺(tái)式系統(tǒng)的不同性能要求。例如，雖然可以容忍控制臺(tái)式系統(tǒng)的高功耗，但是必須要實(shí)現(xiàn)更低的噪聲，反之亦然，從而必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些新型的 AFE 器件，例如：TI 推出的 AFE5805，其允許超聲波廠商標(biāo)準(zhǔn) AFE 設(shè)計(jì)。這些具有相同外引腳的器件主要用于從便攜式到控制臺(tái)式的各種超聲波系統(tǒng)。引腳對(duì)引腳兼容意味著，超聲波設(shè)備廠商不但可以設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的產(chǎn)品，同時(shí)能夠極大地節(jié)約成本并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。

模擬前端特性與系統(tǒng)性能

設(shè)計(jì)超聲波系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，且 AFE 的每一種特性都能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。針對(duì)每一種系統(tǒng)類別平衡各種參數(shù)的能力無(wú)疑是一種藝術(shù)。就便攜式超聲波系統(tǒng)而言，功耗是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素。低功耗就是說(shuō)利用有限的電池電源可獲得更長(zhǎng)的工作時(shí)間。雖然這些性能的降低通常是在便攜式（低端）系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)，但是其會(huì)影響到其他參數(shù)，如：輸入信號(hào)范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等。

除了功耗以外，AFE 噪聲是超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的第二個(gè)問(wèn)題。來(lái)自超聲波變送器接收信號(hào)的振幅可能會(huì)為介于 10uVPP 到 1VPP [1] 不等。能夠被探測(cè)到的信號(hào)越小，系統(tǒng)的靈敏度就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度。通常，我們?yōu)楦叨说降投说南到y(tǒng)選擇 0.7 nV/rt（Hz）~1.5 nV/rt（Hz） （RTI）的噪聲參數(shù)。經(jīng)在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中證實(shí)，這些噪聲參數(shù)足以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。

鑒于輸入等效電流噪聲以及來(lái)自發(fā)送/接收 （T/R） 開關(guān)的噪聲，我們甚至可以使用一個(gè)更低噪聲的放大器，但是我們不會(huì)看到最終超聲波圖像的質(zhì)量有較大提高。除了輸入等效電壓噪聲以外，閃爍噪聲（即 1/f 噪聲）也是成像應(yīng)用中一個(gè)非常重要的考慮因素。在存在混頻的連續(xù)波 （CW） 模式中，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關(guān)頻率時(shí)的信噪比 （SNR）。由于其寬泛的 工作頻率，我們將首選具有白噪聲性能的放大器。

在一些超聲波應(yīng)用中，增益控制范圍在獲得圖像的動(dòng)態(tài)范圍中發(fā)揮了重要的作用。當(dāng) VCA 擁有一個(gè)更高的增益控制范圍時(shí)，最終圖像就擁有一個(gè)更寬的動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現(xiàn)更佳的圖像質(zhì)量。 結(jié)合 ADC 的 SNR，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可以由下式計(jì)算得出：

動(dòng)態(tài)范圍=SNR+增益控制范圍 （公式 1）

例如，一個(gè)包含了 12-位、70dB SNR 和 40dB 增益控制范圍 VCA 的系統(tǒng)可以獲得 110dB 的動(dòng)態(tài)范圍。換句話就是說(shuō)，鑒于人體中 0.7dB/cmMHz 的衰減系數(shù)、10cm 的成像深度以及 7.5MHz 的傳 感器，所以 105dB 的動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算公式為 10*2*0.7*7.5。在現(xiàn)有超聲波系統(tǒng)中，10~15MHz 的探針常常被用于對(duì)身體的較小部位進(jìn)行成像。因此，我們通常會(huì)需要 100dB 以上的動(dòng)態(tài)范圍。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)具有較大增益控制范圍的 AFE 是首選的解決方案。另外，一個(gè)具有更高總體增益的 AFE 是探測(cè)小信號(hào)和對(duì)由其他電路引起的插入損耗（例如：無(wú)源高階濾波器的插入損耗） 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N附加需要。放大器飽和與過(guò)載恢復(fù)也是重要的系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)這兩種參數(shù)一起評(píng)估和測(cè)定要比單個(gè)進(jìn)行更有價(jià)值?；旧蟻?lái)說(shuō)，一個(gè)放大器的理想輸入信號(hào)范圍受其線性輸出電壓（即電源電壓）及增益的限制：

因此，較低的增益和較高的電源電壓對(duì)該參數(shù)非常有益。但是，較低的增益會(huì)降低輸入等效電壓噪聲，同時(shí)較高的電源電壓會(huì)增加總功耗，因此必須采取一種折中的方法。我們常常為一些便攜式和中端系統(tǒng)選擇 200～400mVPP 的參數(shù)。超聲波放大器飽和通常是由高壓脈沖泄漏或聲阻抗變化極大的近表面物體反射大信號(hào)引起的。具體的例子包括存在較少臨床信息的表面組織或者骨骼。

在大多數(shù)情況下，這些區(qū)域的信息丟失可能不會(huì)影響到臨床診斷。但是，如果放大器不能及時(shí)地恢復(fù)，那么重要的信息便會(huì)丟失。AFE 的快速過(guò)載恢復(fù)確保了超聲波系統(tǒng)能夠盡可能多地捕獲 有價(jià)值的信息?？梢杂?ADC 的時(shí)鐘周期數(shù)來(lái)確定 AFE 的過(guò)載恢復(fù)時(shí)間，一個(gè)時(shí)鐘周期負(fù)載恢復(fù)時(shí)間為理想的時(shí)間。

放大器飽和的另一個(gè)影響是會(huì)引起諧波失真的增加。由于普通造影劑的使用，越來(lái)越多的系統(tǒng)（甚至是便攜式系統(tǒng)）在整個(gè)系統(tǒng)中都要求較低的二次諧波失真，以確保成功的諧波成像。通常，根據(jù)造影劑的聲屬性、發(fā)送器電壓以及組織特點(diǎn)的不同組合，變送器接收到的諧波信號(hào)可高達(dá) 40dB，比基礎(chǔ)信號(hào)要低。因此，放大器的 HD2 應(yīng)該低于 40dBc。這就使得系統(tǒng)能夠獲得滿意的諧波圖 像。

另外，由于高 HD2，可能會(huì)出現(xiàn)人為多普勒移動(dòng)頻率。在一些臨床中，這種人為現(xiàn)象會(huì)影響準(zhǔn)確的診斷。在最終的多普勒?qǐng)D像中，人為多普勒移動(dòng)頻率有助于系統(tǒng)的定向分離。一些文獻(xiàn) [請(qǐng)參 見參考書目 2 和 3] 表明，對(duì) CW 和 PW 多普勒系統(tǒng)而言，45~50dB 的定向分離已經(jīng)足夠了?？紤]到上述因素，當(dāng) HD2 低于 40dBc 時(shí)，我們應(yīng)該規(guī)定 AFE 的線性輸入范圍。

影響圖像精確度的干擾是超聲波系統(tǒng)的另外一個(gè)需要考慮的參數(shù)。根據(jù)變送器件間距、頻率、設(shè)計(jì)、材料等的不同，超聲波系統(tǒng)的主要是由以 –30 ~–35dBc 順序排列的陣列變送器引起的。一般 而言，IC 和 PCB 的干擾大大低于 –35dBc。因此，電路的干擾并不會(huì)降低系統(tǒng)的性能。

超聲波的模擬前端

為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，我們需要一個(gè)超聲波 AFE（例如 TI 的 AFE5805）。最為先進(jìn)的 BiCMOS 和 CMOS 技術(shù)用于對(duì)功耗和噪聲性能進(jìn)行優(yōu)化。由于其低功耗、小芯片尺寸以及較低的閃爍噪聲， BiCMOS 工藝是 AFE5805 VCA 部分的理想之選。CMOS 工藝非常適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與同類解決方案相比，這些綜合的創(chuàng)新使尺寸縮小了 50%，功耗降低了 20%，噪聲減少了 40%。

圖 2 所示的恒定噪聲性能涵蓋了整個(gè)工作頻率范圍。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的便攜式超聲波系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)卓越的圖像質(zhì)量以及最低的功耗。

圖 2 卓越的噪聲性能

小結(jié)

未來(lái)幾年，全球各地區(qū)對(duì)于便攜式、低成本超聲波設(shè)備的需求有望快速增長(zhǎng)。對(duì)于那些超聲波設(shè)備廠商來(lái)說(shuō)，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。新型超聲波模擬前端的先進(jìn)技術(shù)，允許超聲波設(shè)備廠商對(duì)性能進(jìn)行調(diào)整，以適用于各種系統(tǒng)尺寸。

基于單個(gè)設(shè)計(jì)，廠商便可發(fā)布多款產(chǎn)品，極大地節(jié)省了便攜式設(shè)備和高通道密度中端超聲波系統(tǒng)的開發(fā)成本和時(shí)間。

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