超聲成像系統(tǒng)和主要子功能所需的電氣元件概述

發(fā)射/接收開(kāi)關(guān)

Tx/Rx開(kāi)關(guān)保護(hù)LNA免受高壓發(fā)射脈沖的影響，并在接收間隔期間將LNA的輸入與發(fā)射器隔離。該開(kāi)關(guān)通常使用一組適當(dāng)偏置的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)高壓發(fā)射脈沖時(shí)，這些二極管會(huì)自動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉。Tx/Rx開(kāi)關(guān)必須具有快速恢復(fù)時(shí)間，以確保接收器在發(fā)射脈沖后立即開(kāi)啟。這些快速恢復(fù)時(shí)間對(duì)于淺層成像和提供低導(dǎo)通阻抗以確保保持接收器噪聲靈敏度至關(guān)重要。

低噪聲放大器 （LNA）

接收器中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠的增益。在設(shè)計(jì)合理的接收器中，LNA通常會(huì)決定整個(gè)接收器的噪聲性能。傳感器元件通過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的同軸傳感器電纜連接到LNA，該電纜在LNA的輸入端端以相對(duì)較低的阻抗端接。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)亩私樱娎|電容與換能器元件的源阻抗相結(jié)合，會(huì)顯著限制從寬帶換能器接收信號(hào)的帶寬。將換能器電纜端接為低阻抗可降低這種濾波效果，并顯著提高圖像質(zhì)量。不幸的是，這種端接還會(huì)降低LNA輸入端的信號(hào)電平，因此往往會(huì)降低接收器的靈敏度。因此，LNA必須具有有源輸入端接能力，以提供這些條件下所需的必要低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。

可變?cè)鲆娣糯笃?（VGA）

VGA（有時(shí)稱(chēng)為時(shí)間增益控制（TGC）放大器）在整個(gè)接收周期內(nèi)為接收器提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲波信號(hào)以每秒約1540米的速度在體內(nèi)傳播，并以約1.4dB / cm-MHz往返速率衰減。在聲學(xué)發(fā)射脈沖之后，LNA輸入端接收到的“回波”信號(hào)可高達(dá)0.5VP-P.該信號(hào)迅速衰減到換能器元件的本底熱噪聲。接收此信號(hào)所需的動(dòng)態(tài)范圍約為100dB至110dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際ADC的范圍。因此，VGA用于將該信號(hào)映射到ADC。需要增益約為30dB至40dB的VGA，才能將接收信號(hào)映射到本應(yīng)用中使用的典型12位ADC。增益作為時(shí)間的函數(shù)斜坡上升（即“時(shí)間增益控制”），以實(shí)現(xiàn)此動(dòng)態(tài)范圍映射。

超聲接收器的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍也非常重要;它會(huì)影響2D圖像質(zhì)量以及系統(tǒng)檢測(cè)多普勒頻移的能力，從而影響血液或組織運(yùn)動(dòng)。在二次諧波成像中尤其如此，其中目標(biāo)的二次諧波信號(hào)可能明顯小于發(fā)射基波處的信號(hào)。在多普勒模式下也是如此，其中小多普勒信號(hào)可以位于來(lái)自組織或血管壁的非常大的信號(hào)的1kHz或更小的范圍內(nèi)。因此，寬帶和近載波SNR都是主要關(guān)注點(diǎn)，并且通常受到接收器這一階段的限制。

抗鋸齒濾波器 （AAF） 和 ADC

接收鏈中的AAF可防止超出正常最大成像頻率的高頻噪聲和外來(lái)信號(hào)被ADC混疊回基帶。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)中提供了可調(diào)節(jié)的 AAF。為了避免混疊并保持信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)，濾波器本身需要衰減超過(guò)第一奈奎斯特區(qū)的信號(hào)。因此，使用巴特沃斯或更高階貝塞爾濾波器。

此應(yīng)用中使用的ADC通常為12位器件，運(yùn)行速率為40Msps至60Msps。該轉(zhuǎn)換器以可接受的成本和功率水平提供必要的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。在設(shè)計(jì)合理的接收器中，該ADC應(yīng)限制接收器的瞬時(shí)SNR。然而，如前所述，性能不佳的VGA的限制多次限制了接收器SNR性能。

數(shù)字波束成形器

ADC的輸出信號(hào)通常通過(guò)高速LVDS串行接口路由到數(shù)字接收波束成形器。這種方法降低了 PC 板 （PCB） 的復(fù)雜性和接口引腳的數(shù)量。波束成形器包含上變頻低通或帶通數(shù)字濾波器，可將有效采樣率提高多達(dá) 4 倍，從而提高系統(tǒng)的波束成形分辨率。這些上變頻信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并適當(dāng)延遲，然后由延遲系數(shù)計(jì)算器求和以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕裹c(diǎn)。在求和之前，使用切趾計(jì)算器對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)或“切趾”。此步驟適當(dāng)?shù)卮翱诮邮湛讖?，以降低接收光束的旁瓣干擾并提高圖像質(zhì)量。

波束成形數(shù)字信號(hào)處理

接收、波束成形的數(shù)字超聲信號(hào)使用各種 DSP 和現(xiàn)成的基于 PC 的計(jì)算機(jī)解決方案處理用于視覺(jué)和音頻輸出。這個(gè)過(guò)程通?？梢苑譃锽模式或2D圖像處理，以及與彩色流圖像生成相關(guān)的多普勒處理以及PWD和連續(xù)波多普勒（CWD）光譜處理。

B 模式處理

在B模式處理中，RF波束成形數(shù)字信號(hào)被正確濾波和檢測(cè)。檢測(cè)到的信號(hào)具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，B模式處理器必須將其數(shù)字壓縮為可用于顯示器的可見(jiàn)動(dòng)態(tài)范圍。

色流處理

在色流處理中，RF數(shù)字波束成形數(shù)據(jù)通過(guò)在發(fā)射頻率上使用正交本振（LO）進(jìn)行數(shù)字混合，以將復(fù)雜的混頻轉(zhuǎn)換為I和Q基帶信號(hào)。因此，聲學(xué)接收線(xiàn)的每個(gè)樣本都分配了相關(guān)的幅度和相位值。在彩色流處理中，通常沿同一圖像路徑線(xiàn)收集8到16條聲線(xiàn)，以測(cè)量多普勒頻移。來(lái)自移動(dòng)血流或沿該圖像路徑移動(dòng)組織的反射將產(chǎn)生多普勒頻移，從而改變發(fā)生該頻移的基帶I / Q樣本的相位。顏色處理器確定 8 到 16 行上沿該圖像路徑的每個(gè)點(diǎn)的平均相移與時(shí)間的關(guān)系;處理器還會(huì)分配一種顏色來(lái)表示該平均速度。通過(guò)這種方式，可以制作血液或組織運(yùn)動(dòng)的二維顏色表示。

光譜多普勒

在頻譜處理中，波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，在發(fā)射頻率處使用正交本振（LO）混頻到基帶，然后在發(fā)射脈沖重復(fù)頻率（PRF）下采樣。使用復(fù)雜、快速的傅里葉變換（FFT）生成表示信號(hào)速度含量的輸出頻譜。計(jì)算并壓縮FFT輸出每個(gè)箱的信號(hào)幅度，以?xún)?yōu)化可用的可見(jiàn)顯示動(dòng)態(tài)范圍。信號(hào)幅度最終在超聲顯示器上顯示與時(shí)間的關(guān)系。

使用CWD，信號(hào)的處理方式大致相同。除了處理這些信號(hào)以進(jìn)行顯示外，頻譜處理器還生成表示正負(fù)速度的左右立體聲音頻信號(hào)。DAC轉(zhuǎn)換這些信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)外部揚(yáng)聲器和耳機(jī)。

顯示處理

顯示處理器執(zhí)行必要的計(jì)算，將來(lái)自 B 模式或顏色流處理器的極坐標(biāo)聲學(xué)圖像數(shù)據(jù)映射到矩形坐標(biāo)位圖圖像，以避免圖像偽影。這種處理通常稱(chēng)為 R-θ 轉(zhuǎn)換。顯示處理器還執(zhí)行其他空間圖像增強(qiáng)濾波功能。

連續(xù)波多普勒 （CWD）

CWD是大多數(shù)心臟和通用超聲成像系統(tǒng)中可用的一種方式，它用于準(zhǔn)確測(cè)量通常在心臟中發(fā)現(xiàn)的高速血流。在CWD模式下，可用的超聲換能器元件圍繞換能器孔徑的中心分成相等的兩半。一半的元件用作發(fā)射器以產(chǎn)生聚焦的聲學(xué)CWD發(fā)射光束;另一半元件用作接收器以產(chǎn)生聚焦的接收光束。施加到發(fā)射元件的信號(hào)是目標(biāo)多普勒頻率的方波，通常為1MHz至7.5MHz。需要將發(fā)射抖動(dòng)降至最低，以避免產(chǎn)生可能對(duì)多普勒相移檢測(cè)產(chǎn)生不利影響的相位噪聲。通過(guò)正確定相施加到發(fā)射元件的信號(hào)來(lái)聚焦發(fā)射光束。以類(lèi)似的方式，CWD接收信號(hào)通過(guò)對(duì)來(lái)自每個(gè)接收元件的信號(hào)進(jìn)行定相和求和來(lái)聚焦。由于在這種模式下發(fā)射器與接收器同時(shí)開(kāi)啟，因此感興趣的多普勒信號(hào)通常與非常大的接收信號(hào)相距幾千赫茲，該接收信號(hào)由發(fā)射基波處?kù)o止組織的反射產(chǎn)生。處理這種大信號(hào)所需的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鏡像接收路徑中VGA、AAF和12位ADC的范圍。因此，需要一種用于CWD的替代高動(dòng)態(tài)接收解決方案。

CWD接收器通常以?xún)煞N方式之一實(shí)現(xiàn)。在一種方法中，高性能超聲系統(tǒng)通常在LNA輸出端提取接收到的CWD信號(hào)。然后使用LO頻率等于發(fā)射頻率的復(fù)數(shù)混頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束成形，并將其混頻到基帶進(jìn)行處理。I/Q LO的相位可以逐通道調(diào)整，以改變接收到的CWD信號(hào)的相位。這些混頻器的輸出由ADC求和、帶通濾波和轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生的基帶波束成形信號(hào)在音頻范圍（100Hz至50kHz）內(nèi)。音頻ADC用于對(duì)I和Q CWD信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。這些ADC需要較大的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)處理來(lái)自移動(dòng)組織的大低頻多普勒信號(hào)和來(lái)自血液的較小信號(hào)。

接收CWD信號(hào)的另一種方法使用延遲塊，通常用于低成本系統(tǒng)。在此實(shí)現(xiàn)中，再次在LNA的輸出端提取信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)將相位相似的通道相加為 8 到 16 個(gè)獨(dú)立的輸出信號(hào)，由接收波束成型器確定。延遲塊用于延遲并將這些信號(hào)匯總為RF頻率的單個(gè)波束成形信號(hào)。然后使用在發(fā)射頻率處具有LO的I/Q混頻器將該信號(hào)混頻到基帶。所得基帶音頻信號(hào)被濾波并轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。

審核編輯：郭婷