便攜式超聲設備打造全新應用

Ｒｏｂ　Ｒｅｅｄｅｒ　Ｃｏｒｅｙ　Ｐｅｔｅｒｓｅｎ

摘要：通過討論構建緊湊型超聲系統的一些必要因素，提出未來便攜式醫療電子設備的新興技術發展趨勢和市場應用空間。

關鍵詞：超聲；醫療電子；便攜式；ADI；DBF

醫療超聲系統是目前廣泛使用的最復雜的信號處理設備之一。雖然與雷達或聲納系統類似，但超聲系統的RF工作速度比雷達慢幾個數量級，而比聲納快幾個數量級。在早期手推式超聲系統的發展下，醫療行業已經將這種實時技術用于早期健康問題診斷和一般診斷過程。隨著時間的推移，超聲系統變得越來越便攜，有些甚至正發展為超緊湊型的掌上設備。在不遠的將來，超聲系統可能會變成一種專用的個人數字助理(PDA)－雖然不像醫生的聽診器那么常用。

超聲系統架構

超聲系統中常用的圖像采集方法為數字波束成形(DBF)。對于醫療超聲來說，波束成形被定義為從一個普通信號源產生，而在不同時間被多單元超聲傳感器接收的信號的相位對齊及求和。波束成形采用16～32(或更多)個接收器通道的相移陣列和求和陣列來提取相干信息，包含兩個功能：一是為傳感器指示方向，以增強其增益；二是確定人體內的焦點，即產生回波的位置。在最簡單的狀態下，DBF系統框圖如圖1所示，首先放大每個傳感器單元的輸出，將其轉換為數字信號，再按順序進行排列，最后對多個通道進行空間求和，以得到圖像。

DBF架構要優于以前的模擬波束成形系統(ABF)，這是因為DBF架構具有更好的通道間匹配特性和更大的靈活性，而ABF是一種在轉換前使用可變延遲線和模擬求和系統。當采集到信號，可通過DBF中的波束控制和相干信號求和等數字運算來提高成像質量。將數字引擎靠近超聲傳感器，能獲得比模擬系統更精細的調整。盡管DBF在功耗(由于通道數較多)和尺寸(為了獲得并產生精確的信號通常需要大量器件)方面還面臨著重大挑戰，它仍然是目前最常用的架構。

直到最近，大多數DBF系統還是由分立解決方案和多個IC等許多器件構成。接收(Rx)信號鏈路主要包含用作前置放大器的低噪聲放大器(LNA)；用作時間增益放大器的可變增益放大器，它作為時間的函數(或作為深度的函數)用來補償人體組織對返回信號的衰減；抗混疊濾波器(AAF)以及模數轉換器(ADC)。通用的DBF架構包含了大量的這些元件。只要通道噪聲是隨機或不相關的，就可以通過增加通道數來提高動態范圍。高端系統通常具有64～256個通道，而便攜式的中端或低端超聲系統通常則具有16～64個通道。

為什么要推出便攜式系統

許多要求嚴格的應用可獲益于能提供實時掃描功能的輕型、緊湊型便攜設備。顯然，現場緊急醫療服務(EMS)團隊可以更迅速地到達病人身邊，并能在病人進入急診室(ER)之前提供檢查結果。如果路途遙遠，醫生在等待病人的同時還可以進行遠程診斷。在日常的辦公室診斷過程中，普通醫生無需專科醫生的幫助，即可對病人進行超聲掃描，將其作為檢查的一部分。

增強的便攜性可以提供使用這些設備的機會，以便為沒有可靠電力的偏遠地區和農村提供更好的醫療服務。

而在動物醫療檢查方面，獸醫發現便攜式超聲設備對于大型動物和寵物的現場診斷也是非常有幫助的。另外，它對豬和牛畜牧場的現場診斷也很有幫助。

超聲設備在無創檢測和預防性維護方面的應用也是一個不斷增長的市場。典型應用包括掃描橋梁、工業機械軸承及輸油管道的系統。它能夠降低檢測成本，避免重要設備的停機。在工廠中，便攜式掃描設備可用于捕捉潛在的災難性問題，避免問題發生，這是非常關鍵的。

采用便攜式超聲設備當然也會導致一定的成本開銷，如用于購買這些診斷、掃描和分析設備的成本，以及培訓用戶的成本。但是，在很多情況下，從便攜式超聲設備獲得的好處會遠遠超過所付出的成本。

另一種常見的成像形式是連續波(CW)多譜勒或D模式，它用于顯示血液流動的速度及其頻率。顧名思義，CW模式利用連續產生的信號來生成圖像，其中一半的傳感器用于發送，另一半用于接收。CW具有精確測量高速血液流動的優勢，但缺乏傳統脈沖波系統具有的深度和穿透性。由于每種方法都具有自身的優點和局限性，根據具體的應用，現代超聲系統通常會同時使用兩種形式——AD9273便可采用這兩種方式進行工作。特別的是，它允許用戶通過采用集成的交叉點開關而使其工作于連續波多普勒模式。這個交叉點開關允許將具有相似相位的通道相干疊加成群，用于相位對齊與求和。AD9273支持低端系統的延遲線以及具有可編程相位調整的AD8339四通道解調器，可獲得最佳性能。AD8339允許對相位對齊及求和進行精細調整，以提高成像精度。這款器件易于外部連接，允許用戶為需要極大動態范圍的信號集成更多必需的信號鏈路。

動態范圍與噪聲要求

隨著高頻聲波信號穿透人體，它們以1dB／cm／MHz衰減。例如，當使用8MHz探頭且穿透深度為4cm時，如果考慮發射與反射衰減，那么從內部組織反射的信號幅度變化與接近表面反射的信號幅度之間的差異將為64dB(或4×8×2)。增加50dB的成像分辨率，并考慮骨骼組織、線纜及其他失配導致的損耗，所需的動態范圍將接近119dB。為了更加全面的理解這一點，在12MHz帶寬內具有1.42nV／rt-Hz本底噪聲的0.55Vp-p滿量程信號意味著92dB的輸入動態范圍，使用多個通道可獲得額外的動態范圍[10×logN(通道)]，例如128個通道可增加21dB的動態范圍，這確定了動態范圍的實際限制為100～120dB。

可獲得的動態范圍會受到前端器件的限制。由于并非每時每刻都需要整個動態范圍，因此可使用動態范圍較小的ADC，通過掃描VGA的增益來對接收到的反射信號隨時間的衰減(正比于穿透深度)進行補償，這被稱作時間增益補償(TGC)。LNA設置了可映射到ADC的等效動態范圍。AD9273在12MHz帶寬內具有92dB的等效動態范圍(162.7 dB／rt-Hz)，能處理來自被掃描組織的極小和極大信號(回聲)，如圖3所示。LNA的滿量程應該足夠大，從而不會被近場信號飽和，而且，本底噪聲越小，動態范圍就越大。

所需的最大增益決定于：

(ADC的本底噪聲／VGA輸入本底噪聲)+裕量

所需的最小增益決定于：

(ADC輸入滿量程／VGA輸入滿量程)+裕量

為了處理較低的噪聲電平，就必須增加功耗需求，而在便攜式應用中，需要考慮權衡功耗的限制。請注意，在表1所示的解決方案中，AD9272和VGA AD8332具有最低的折合到輸入端噪聲和最大的輸入動態范圍，沒有一種方案是理想的，盡管數字處理是當今所有解決方案的基本特性，但具體的實現以及器件的選擇是每個超聲系統制造商所專有的。

結論

在醫療和工業應用中，便攜式超聲都呈現出不斷增長的趨勢。在偏遠地區，這種系統在緊湊性和便攜性方面都具有相似的需求。AD9273通過在小型IC封裝中集成8個同時支持脈沖波和連續波多譜勒系統的接收信號鏈路通道，滿足了日益增長的便攜性需求。AD927X系列包含多款產品，適合于具有不同功耗和噪聲需求的多種應用，甚至將應用范圍拓展到了未來的超聲系統。