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90年代初期，便攜式電話風靡一時。隨著膝上型計算機的體積縮小，它們也被稱為“背包電話”。目前，電子行業已經取得長足的發展，現今的手機可以發送電子郵件和短信，可以拍照、查詢股票價格、安排會議，當然，也可以同世界上任何地方的任何人通話。同樣在醫療領域中，以前所謂的便攜式超聲系統裝載在手推車上，并且可以拖拽，但是實際上它們是難于拖拽的。幸而超聲系統也在持續改進，并且被醫生們稱為“新型聽診器”。 本文將回顧經典的超聲信號鏈路，討論不同的系統劃分策略以及它們的優缺點，并且展示這些系統劃分策略在便攜式超聲應用中的意義。 超聲信號鏈路 
圖1. 典型的超聲信號鏈路 圖1所示的是超聲系統的簡化原理圖。系統的傳感器均位于相對較長的電纜末端，這些電纜約兩米長。這些電纜包含有至少8個至256個微型同軸電纜，是系統最昂貴的部件之一。幾乎在每個系統中，電纜由傳感器單元直接驅動。電纜的電容成為傳感器元件的負載，引起了很大的信號損耗，這對接收端提出了靈敏度的要求，以便保持動態范圍和實現最佳系統性能。 在發射端（Tx路徑），波束成形器確定了延遲模式和脈沖序列，其是專為所需的焦點而設定的。然后，驅動傳感器的高壓發射放大器將波束成形器的輸出放大。這些放大器可由數模轉換器（DAC）或者高壓FET開關陣列控制，將發射脈沖整形，以便較好的將能量傳遞到傳感器單元。而在接收端，發射/接收（T/R）開關（通常是二極管電橋）阻擋Tx高壓脈沖。在某些陣列中使用高壓（HV）多路復用器/多路分離器減少發射和接收硬件的復雜度，但是這犧牲了靈活性。 時間增益控制（TGC）路徑由一個低噪聲放大器（LNA）、一個可變增益放大器（VGA）和一個模數轉換器（ADC）構成。在操作人員的控制下，TGC路徑用于在掃描過程中保持圖像的均勻性。良好的噪聲性能取決于LNA，它可以減少后面的VGA對噪聲的貢獻。對于受益于輸入阻抗匹配的應用，有源阻抗控制可以優化噪聲性能。 通過VGA將寬動態范圍的輸入信號壓縮，以滿足ADC的輸入范圍要求。LNA的折算至輸入端的噪聲限制了可分辨的最小輸入信號，而折算至輸出端的噪聲主要取決于VGA，它限制了特定增益控制電壓下的最大瞬時動態范圍。該限制是根據量化的本底噪聲設定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。 抗混疊濾波器（AAF）限制了信號帶寬，同時也限制了ADC之前的TGC路徑中的其它噪聲。 醫用超聲的波束成形被定義為信號的相位對準和求和，該信號由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時間點接收。在CWD路徑中，對接收器通道進行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有兩個功能：一個是向傳感器指明方向，即提高其增益，另一個是定義人體內的焦點，由該焦點得到回波的位置。 對于波束成形，可以采用兩種截然不同的方法：模擬波束成形（ABF）和數字波束成形（DBF）。ABF和DBF系統之間的主要差別在于完成波束成形的方式；這兩種方法都需要良好的通道間匹配。在ABF中，使用模擬延遲線和求和。其中僅需要一個（分辨率非常高的）高速ADC。而另一方面，在DBF系統中，需要多個高速高分辨率ADC。有時候在ABF系統的ADC之前使用對數放大器壓縮動態范圍。而在DBF系統中，應盡可能接近傳感器單元來采集信號，然后將信號延遲并對其進行數字求和。在圖2和3中示出了這兩種類型的波束成形體系結構的簡化的原理圖。
圖2. ABF系統的簡化原理圖
圖3. DBF系統的簡化原理圖 由于DBF更加靈活，因此大部分現代圖像采集超聲系統常采用的這種方法，但是應當注意ABF和DBF之間優點和缺點是相對的。 DBF相對于ABF的優點： 模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差 模擬延遲線中的延遲抽頭的數目受到限制，并且必須使用微調電路 在采集數據之后，數字存儲和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的 通過對FIFO中不同位置的數據求和，可以容易地形成多個波束 由于存儲器越來越便宜，因此可以使用容量更大的FIFO，以提供更加精細的延遲 僅通過軟件即能夠使系統具有不同的功能 數字IC的性能以非常高的速度持續提高 DBF相對于ABF的缺點： 需要多個高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動態范圍，而這至少需要10 bit的ADC） 由于使用多個ADC和數字波束成形ASIC，因此功耗較高 ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調節的準確度；采樣速率越高，相位延遲就越精細。 系統劃分策略 雖然現今系統已擁有大量的先進技術，但是超聲系統設計仍然是復雜的。對于其它的復雜系統，已具有系統劃分的多種方法。在本節中將討論多種超聲系統劃分策略，所有這些劃分策略均著眼于解決系統便攜性的問題。 許多年來，制造商通過設計定制ASIC來實現復雜的系統。該解決方案通常包括兩個ASIC，其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分，如圖4所示。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這一方法是常見的。該定制電路允許設計人員加入一些廉價的、靈活的功能。由于集成大部分的信號鏈路，減少了系統中使用外部元件的數目，因此該解決方案被認為是節約成本的。但是其缺點在于，隨著時間的推移，光刻技術的發展使得這些ASIC顯得落后，不能滿足進一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門電路，它們的數字技術不能針對集成模擬功能進行優化。而且僅有有限的供應商可以定制ASIC器件，這將導致設計者面臨一個瓶頸。
圖4. ASIC方法 在前面的示例中，超聲系統的便攜性是有局限性的，但的確是可行的。即便這樣，這也是解決系統劃分問題的重要的第一步。便攜性不僅表現在體積方面，而且也表現在電池壽命方面，因為這些電路對功耗的要求非常高。隨著四通道和八通道的TGC、ADC和DAC的出現，體積和功耗得到進一步減小，也隨之產生了解決便攜性問題的新型的系統方法。這些多通道器件允許設計人員在構造系統時，將敏感電路放置在兩個或更多的電路板上。這可以減小系統體積，并且有利于在多個開發平臺上重復利用該電路。但是這一方法也存在缺點，系統體積減小也依賴于系統劃分，多通道器件可能使PCB的布線極為繁瑣，迫使設計人員使用通道數目較少的器件，例如從八通道ADC變為四通道ADC，而且如果系統體積較小，還會帶來散熱的問題。 隨著完整的TGC路徑的進一步集成，如圖5中所示，多通道、多元件的集成使設計變得更加容易，這是因為它們對PCB尺寸和功耗的要求進一步降低。隨著更高級的集成方案的廣泛使用，可以進一步減少成本、供應商數量、系統體積和功耗，系統散熱量降低，延長便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統為滿足緊湊性要求而設計，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝，每個完整的TGC通道在40 MSPS下功耗僅為150 mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數目，因此使每個通道的總面積至少減少1/3，功耗至少降低25%。
圖5. TGC集成 但是AD9271不可能滿足每個超聲系統設計人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中，或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是：連接探針單元的電纜會對動態范圍有些不良影響，而且成本較高。如果前端電子元件比較接近探針，那么就可以減少影響信號靈敏度的探針損耗，允許設計人員降低系統對LNA的要求。圖6中提出了一種方法，即將LNA集成到探針單元中。另一種方法是將VGA控制放在探針和電路板上的、元件之間。隨著器件的尺寸不斷縮小，系統也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點在于，設計人員需要對探針進行全定制設計。換言之，探針/電子器件的定制設計將使設計人員回到ASIC實例中存在的瓶頸，而且供應商是有限的。
圖6. 探針集成 總而言之，應當稱贊的是，現今大部分超聲系統公司將其大部分知識產權（IP）應用于探針和波束成形技術。使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC來完成系統，消除了對高成本元器件的需要，而且簡化了獨立TGC路徑的調整和優化。還應當注意，也可以考慮進一步集成超聲系統的其它部分。在生產能力許可且市場導向目標適當的前提下，這些其它信號鏈路部分的集成將是有利的。 超聲系統的便攜性趨勢 許多應用都意識到超聲的優異之處，因此對超聲系統的便攜性有很高的要求。即使在無法提供可靠電源的遠程應用中，由于增加的便攜性，也可以使用這些設備。這些應用包括偏遠鄉村的臨床醫療、緊急醫療服務、大型動物飼養、以及橋梁、大型機械和輸油管線的檢驗。 超聲系統可以分為三類：高端、中端和低端。高端超聲系統采用最新的技術，滿足市場最新的要求，并且提供最佳的圖像質量。中端超聲系統在不犧牲圖像質量的前提下，通常具有高端超聲系統的部分特性。而低端超聲系統的體積一般較小，一般應用于臨床醫療等特定應用。 顯然，高端超聲系統是非常昂貴的，并且依賴于應用和市場需求進行不同的劃分。然而，便攜性的趨勢使許多“高端”特征降級，通常為典型的低端或便攜的特征。一般來說，這一趨勢隨著工業和電子行業的技術進步而發展。由于這些進步已將器件的體積、功耗和性能指標推到極限，因此日益增長的要求是將便攜式設備從低端系統變為高端系統。 盡管超聲系統作為臨床醫療和預防性維護工具，已逐漸為人們所了解，但是最初，使用率還是較低的，這是因為便攜式超聲系統的成本不僅包括用于采購成本，而且也包括對新用戶進行培訓的成本，但是隨著遠期效益完全超過成本代價時，便攜式超聲系統將日益普及。 結論 理解如超聲系統這樣的復雜系統的細微差別需要進行多年的研究和開發。我們應該感謝那些最初的開發人員，是他們開創了新的領域并且確定了研究方向，使得尖端的電子技術能夠造福于人類。脈沖回波技術早期用于檢測大型水下船體和潛艇，并且用于結構制造中的裂縫檢驗，超聲技術的廣泛應用這僅僅是一個時間問題。 醫療和工業應用對便攜式超聲系統的需求日益增長。所有這些系統對緊湊性和便攜性都有著類似的要求。在不久的將來，您就可以利用手機發送胎兒的掃描圖像了。 參考文獻 1. Reeder, Rob and Corey Petersen, “The AD9271—A Revolutionary Solution for Portable Ultrasound,” Analog Dialogue 41-07. 2. Brunner, Eberhard, “How Ultrasound System Consideration Influence Front-End Component Choice,” Analog Dialogue 36, Part 1 (2002). 3. Kisslo, Joseph A. and David B. Adams, Principles of Doppler Echocardiography and the Doppler Examination #1, London: Ciba-geigy, 1987 4. Kuijpers, F. A., “The role of technology in future Medical Imaging,” Medicamundi, 1995, Vol. 40, No. 3, Philips Medical Systems. 5. Bandes, Alan, “How Are Your Bearings Holding Up? Find Out with Ultrasound,” Sensors Magazine, July, 2006, pp. 24-27. 6. Meire, Hylton B. and Pat Farrant, Basic Ultrasound, Wiley, 1995, pp. 1-66. 7. Szabo, Thomas L., Diagnostic Ultrasound Imaging, Elsevier, 2004, pp. 298-336 |
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