超聲便攜式設(shè)備原理及系統(tǒng)劃分詳解

　　90年代初期，便攜式電話風(fēng)靡一時。隨著膝上型計(jì)算機(jī)的體積縮小，它們也被稱為“背包電話”。目前，電子行業(yè)已經(jīng)取得長足的發(fā)展，現(xiàn)今的手機(jī)可以發(fā)送電子郵件和短信，可以拍照、查詢股票價(jià)格、安排會議，當(dāng)然，也可以同世界上任何地方的任何人通話。同樣在醫(yī)療領(lǐng)域中，以前所謂的便攜式超聲系統(tǒng)裝載在手推車上，并且可以拖拽，但是實(shí)際上它們是難于拖拽的。幸而超聲系統(tǒng)也在持續(xù)改進(jìn)，并且被醫(yī)生們稱為“新型聽診器”。

　　本文將回顧經(jīng)典的超聲信號鏈路，討論不同的系統(tǒng)劃分策略以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且展示這些系統(tǒng)劃分策略在便攜式超聲應(yīng)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(tǒng)的簡化原理圖。系統(tǒng)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(tǒng)最昂貴的部件之一。幾乎在每個系統(tǒng)中，電纜由傳感器單元直接驅(qū)動。電纜的電容成為傳感器元件的負(fù)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(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。

　　在發(fā)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(diǎn)而設(shè)定的。然后，驅(qū)動傳感器的高壓發(fā)射放大器將波束成形器的輸出放大。這些放大器可由數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或者高壓FET開關(guān)陣列控制，將發(fā)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(fā)射/接收（T/R）開關(guān)（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(fù)用器/多路分離器減少發(fā)射和接收硬件的復(fù)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）構(gòu)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(xiàn)。對于受益于輸入阻抗匹配的應(yīng)用，有源阻抗控制可以優(yōu)化噪聲性能。

　　通過VGA將寬動態(tài)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(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化的本底噪聲設(shè)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(yī)用超聲的波束成形被定義為信號的相位對準(zhǔn)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(diǎn)接收。在CWD路徑中，對接收器通道進(jìn)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(nèi)的焦點(diǎn)，由該焦點(diǎn)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(shù)字波束成形（DBF）。ABF和DBF系統(tǒng)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(tǒng)中，需要多個高速高分辨率ADC。有時候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對數(shù)放大器壓縮動態(tài)范圍。而在DBF系統(tǒng)中，應(yīng)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(jìn)行數(shù)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(jié)構(gòu)的簡化的原理圖。

　　圖2. ABF系統(tǒng)的簡化原理圖

　　圖3. DBF系統(tǒng)的簡化原理圖

　　由于DBF更加靈活，因此大部分現(xiàn)代圖像采集超聲系統(tǒng)常采用的這種方法，但是應(yīng)當(dāng)注意ABF和DBF之間優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是相對的。

　　DBF相對于ABF的優(yōu)點(diǎn)：

　　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(shù)目受到限制，并且必須使用微調(diào)電路 在采集數(shù)據(jù)之后，數(shù)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(shù)據(jù)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(xì)的延遲 僅通過軟件即能夠使系統(tǒng)具有不同的功能 數(shù)字IC的性能以非常高的速度持續(xù)提高

　　DBF相對于ABF的缺點(diǎn)：

　　需要多個高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動態(tài)范圍，而這至少需要10 bit的ADC） 由于使用多個ADC和數(shù)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(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度；采樣速率越高，相位延遲就越精細(xì)。

　　系統(tǒng)劃分策略

　　雖然現(xiàn)今系統(tǒng)已擁有大量的先進(jìn)技術(shù)，但是超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然是復(fù)雜的。對于其它的復(fù)雜系統(tǒng)，已具有系統(tǒng)劃分的多種方法。在本節(jié)中將討論多種超聲系統(tǒng)劃分策略，所有這些劃分策略均著眼于解決系統(tǒng)便攜性的問題。

　　許多年來，制造商通過設(shè)計(jì)定制ASIC來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)。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(shè)計(jì)人員加入一些廉價(jià)的、靈活的功能。由于集成大部分的信號鏈路，減少了系統(tǒng)中使用外部元件的數(shù)目，因此該解決方案被認(rèn)為是節(jié)約成本的。但是其缺點(diǎn)在于，隨著時間的推移，光刻技術(shù)的發(fā)展使得這些ASIC顯得落后，不能滿足進(jìn)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(shù)字技術(shù)不能針對集成模擬功能進(jìn)行優(yōu)化。而且僅有有限的供應(yīng)商可以定制ASIC器件，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)者面臨一個瓶頸。

　　圖4. ASIC方法

　　在前面的示例中，超聲系統(tǒng)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(tǒng)劃分問題的重要的第一步。便攜性不僅表現(xiàn)在體積方面，而且也表現(xiàn)在電池壽命方面，因?yàn)檫@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(xiàn)，體積和功耗得到進(jìn)一步減小，也隨之產(chǎn)生了解決便攜性問題的新型的系統(tǒng)方法。這些多通道器件允許設(shè)計(jì)人員在構(gòu)造系統(tǒng)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(tǒng)體積，并且有利于在多個開發(fā)平臺上重復(fù)利用該電路。但是這一方法也存在缺點(diǎn)，系統(tǒng)體積減小也依賴于系統(tǒng)劃分，多通道器件可能使PCB的布線極為繁瑣，迫使設(shè)計(jì)人員使用通道數(shù)目較少的器件，例如從八通道ADC變?yōu)樗耐ǖ繟DC，而且如果系統(tǒng)體積較小，還會帶來散熱的問題。

　　隨著完整的 TGC路徑的進(jìn)一步集成，如圖5中所示，多通道、多元件的集成使設(shè)計(jì)變得更加容易，這是因?yàn)樗鼈儗CB尺寸和功耗的要求進(jìn)一步降低。隨著更高級的集成方案的廣泛使用，可以進(jìn)一步減少成本、供應(yīng)商數(shù)量、系統(tǒng)體積和功耗，系統(tǒng)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(tǒng)為滿足緊湊性要求而設(shè)計(jì)，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(shù)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(tài)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(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)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(tǒng)也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)人員需要對探針進(jìn)行全定制設(shè)計(jì)。換言之，探針/電子器件的定制設(shè)計(jì)將使設(shè)計(jì)人員回到ASIC實(shí)例中存在的瓶頸，而且供應(yīng)商是有限的。

　　圖6. 探針集成

　　總而言之，應(yīng)當(dāng)稱贊的是，現(xiàn)今大部分超聲系統(tǒng)公司將其大部分知識產(chǎn)權(quán)（IP）應(yīng)用于探針和波束成形技術(shù)。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(tǒng)，消除了對高成本元器件的需要，而且簡化了獨(dú)立TGC路徑的調(diào)整和優(yōu)化。還應(yīng)當(dāng)注意，也可以考慮進(jìn)一步集成超聲系統(tǒng)的其它部分。在生產(chǎn)能力許可且市場導(dǎo)向目標(biāo)適當(dāng)?shù)那疤嵯?，這些其它信號鏈路部分的集成將是有利的。

　　超聲系統(tǒng)的便攜性趨勢

　　許多應(yīng)用都意識到超聲的優(yōu)異之處，因此對超聲系統(tǒng)的便攜性有很高的要求。即使在無法提供可靠電源的遠(yuǎn)程應(yīng)用中，由于增加的便攜性，也可以使用這些設(shè)備。這些應(yīng)用包括偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的臨床醫(yī)療、緊急醫(yī)療服務(wù)、大型動物飼養(yǎng)、以及橋梁、大型機(jī)械和輸油管線的檢驗(yàn)。

　　超聲系統(tǒng)可以分為三類：高端、中端和低端。高端超聲系統(tǒng)采用最新的技術(shù)，滿足市場最新的要求，并且提供最佳的圖像質(zhì)量。中端超聲系統(tǒng)在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下，通常具有高端超聲系統(tǒng)的部分特性。而低端超聲系統(tǒng)的體積一般較小，一般應(yīng)用于臨床醫(yī)療等特定應(yīng)用。顯然，高端超聲系統(tǒng)是非常昂貴的，并且依賴于應(yīng)用和市場需求進(jìn)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(yè)和電子行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展。由于這些進(jìn)步已將器件的體積、功耗和性能指標(biāo)推到極限，因此日益增長的要求是將便攜式設(shè)備從低端系統(tǒng)變?yōu)楦叨讼到y(tǒng)。盡管超聲系統(tǒng)作為臨床醫(yī)療和預(yù)防性維護(hù)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?yàn)楸銛y式超聲系統(tǒng)的成本不僅包括用于采購成本，而且也包括對新用戶進(jìn)行培訓(xùn)的成本，但是隨著遠(yuǎn)期效益完全超過成本代價(jià)時，便攜式超聲系統(tǒng)將日益普及。

　　結(jié)論

　　理解如超聲系統(tǒng)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)的細(xì)微差別需要進(jìn)行多年的研究和開發(fā)。我們應(yīng)該感謝那些最初的開發(fā)人員，是他們開創(chuàng)了新的領(lǐng)域并且確定了研究方向，使得尖端的電子技術(shù)能夠造福于人類。脈沖回波技術(shù)早期用于檢測大型水下船體和潛艇，并且用于結(jié)構(gòu)制造中的裂縫檢驗(yàn)，超聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用這僅僅是一個時間問題。

　　醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用對便攜式超聲系統(tǒng)的需求日益增長。所有這些系統(tǒng)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(jī)發(fā)送胎兒的掃描圖像了。