作者：Xiaochen Xu, Harish Venkataraman , Anand Udupa
引言
由于其安全性、高性價(jià)比以及實(shí)時(shí)性能，超聲波成像可以說是一種極為重要的醫(yī)療成像方法。傳統(tǒng)超聲波成像系統(tǒng)使用2-15MHz 的頻率，精度水平為毫米。它們已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控胎兒，以及診斷內(nèi)臟疾病，例如：心臟、肝臟、膽囊、脾、胰、腎以及膀胱等。在過去的20 多年里，傳統(tǒng)臺式超聲波系統(tǒng)主導(dǎo)了醫(yī)療超聲波應(yīng)用，這是由于超聲波系統(tǒng)的通道數(shù)量巨大和信號處理量大所致。人口老齡化、不斷攀升的保健費(fèi)用和新興經(jīng)濟(jì)的需求，都使得對創(chuàng)新醫(yī)療解決方案的需求日益增長。
高性能且低成本的成熟半導(dǎo)體技術(shù)（例如：數(shù)字信號處理器DSP）不但極大地提高了醫(yī)療成像設(shè)備的性能，而且還加快了醫(yī)療超聲波成像系統(tǒng)的小型化。另外，系統(tǒng)尺寸的縮小并不意味著性能的降低，小型化超聲波系統(tǒng)可以獲得與傳統(tǒng)臺式系統(tǒng)一樣的性能。目前的便攜式超聲波系統(tǒng)可提供卓越的成像質(zhì)量，以幫助醫(yī)生準(zhǔn)確、及時(shí)地診斷疾病。因此，便攜式系統(tǒng)在諸如及時(shí)創(chuàng)傷診斷以及緊急診斷治療等應(yīng)用中扮演著日益重要的角色。越來越多的超聲波產(chǎn)品廠商正致力于便攜式超聲波系統(tǒng)的開發(fā)，而那些能夠更迅速地推出產(chǎn)品的廠商則可獲得更大的市場份額。
小尺寸、低功耗且高性能的超聲波模擬前端(AFE) 和DSP 都是超聲波產(chǎn)品廠商所需要的。更重要的是，超聲波產(chǎn)品廠商想要一種能夠通用于各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而可以最短化他們的開發(fā)周期并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。
超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
超聲波系統(tǒng)因其功能和性能而各異。例如，一些高端系統(tǒng)通常具有3D、4D 和諧波成像模式，而一些低端系統(tǒng)可能只有2D B 模式成像和頻譜多普勒成像模式。功能差異化主要取決于數(shù)字后端。高端超聲波系統(tǒng)則要求更多、更快的高端DSP 計(jì)算資源調(diào)用，從而達(dá)到近乎實(shí)時(shí)的信號處理。很明顯，在高端和便攜式系統(tǒng)之間共用信號處理單元十分困難。但是，在忽略不同性能要求的情況下，超聲波系統(tǒng)一般都具有類似的接收通道架構(gòu)。
圖1 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
如圖所示，超聲波系統(tǒng)接收模擬前端由常用模塊組成，例如：低噪聲放大器(LNA)、時(shí)間增益控制(TGA) 放大器、壓控放大器(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)。在任何情況下，AFE 的性能都會極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，只要在引腳對引腳兼容封裝中存在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)中得到重用。這種標(biāo)準(zhǔn)化可在中低端系統(tǒng)中輕松地實(shí)現(xiàn)，這類系統(tǒng)無需特別的模擬信號調(diào)節(jié)。
然而，目前大多數(shù)的AFE 產(chǎn)品都不能滿足超聲波產(chǎn)品廠商的這種需求。因此，必須選擇一些單獨(dú)的芯片來滿足袖珍型和臺式系統(tǒng)的各種性能要求。例如，臺式系統(tǒng)或許允許有較高的功耗，但必須要實(shí)現(xiàn)更低的噪聲，反之亦然，因此必須要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
諸如TI AFE5805 的一些新型AFE 器件保持了相同的外引腳。其目標(biāo)應(yīng)用為從便攜式到臺式的各種超聲波系統(tǒng)。引腳對引腳兼容性將允許超聲波產(chǎn)品廠商能夠在極大節(jié)省成本和快速投放市場的情況下標(biāo)準(zhǔn)化AFE 設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)出創(chuàng)新性產(chǎn)品。
模擬前端特性與系統(tǒng)性能的關(guān)系
要時(shí)刻謹(jǐn)記設(shè)計(jì)超聲波系統(tǒng)是一件復(fù)雜的事情，而AFE 的每一個(gè)特性都會影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為每一種系統(tǒng)類別平衡選擇各種參數(shù)的能力毫無疑問是一種藝術(shù)。
就便攜式超聲波系統(tǒng)而言，功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。低功耗意味著更低的電池電量可提供更長的運(yùn)行時(shí)間。但是，其會影響其他參數(shù)，例如：輸入信號范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等等，盡管這些性能降低通常對于便攜式（低端）系統(tǒng)而言是可以接受的。
除功耗以外，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)因素。超聲波變送器的接收信號量級可能會在10uVPP 到1VPP 之間變化[1]。能夠探測到的信號越小，系統(tǒng)的靈敏度也就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會影響系統(tǒng)靈敏度。一般而言，0.7 nV/rt(Hz)~1.5 nV/rt(Hz) (RTI) 的噪聲參數(shù)用于從高端到低端的系統(tǒng)。一些現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用證實(shí)這些噪聲參數(shù)足以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。雖然可以使用一款更低噪聲的放大器，但是其對最終超聲波圖像質(zhì)量并無顯著提高，因?yàn)樾枰紤]輸入等效電流噪聲和發(fā)射/接收(T/R) 開關(guān)的噪聲。除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)用中的一個(gè)重要因素。在存在混頻的連續(xù)波(CW) 模式下，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關(guān)頻率的信噪比(SNR)。具有白噪聲性能的放大器優(yōu)于其寬泛的工作頻率。
在一些超聲波應(yīng)用中，增益控制范圍在達(dá)到圖像動態(tài)范圍的過程中起著重要的作用。當(dāng)VCA 具有更高的增益控制范圍時(shí)，最終圖像也就擁有一個(gè)更寬泛的動態(tài)范圍，從而得到更高的圖像質(zhì)量。組合ADC 的SNR，系統(tǒng)的動態(tài)范圍可由式(1)計(jì)算得出：
動態(tài)范圍=SNR+增益控制范圍 (1)
例如，一個(gè)包含了12 比特、70dB SNR 以及40dB 增益控制范圍VCA 的系統(tǒng)可以獲得110dB 的動態(tài)范圍。換句話就是說，考慮到人體0.7dB/cmMHz 的衰減系數(shù)、10cm 的成像深度以及7.5MHz 的變送器，由10*2*0.7*7.5 可以計(jì)算得到105dB 的動態(tài)范圍。在目前的一些超聲波系統(tǒng)中，10~15MHz 的探針通常被用于對一些小范圍進(jìn)行成像。因此，通常會需要100dB 以上的動態(tài)范圍，從而得出這樣的結(jié)論：大增益控制范圍的AFE 是首選。另外，更高總體增益的AFE 是探測小信號和補(bǔ)償其他電路帶來的插入損耗（例如：無源高階濾波器的插入損耗）的一種輔助。
放大器飽和與過載恢復(fù)也是重要的系統(tǒng)參數(shù)。相比單獨(dú)進(jìn)行討論，將這兩個(gè)參數(shù)放在一起進(jìn)行評估和計(jì)算更為有價(jià)值。基本上來說，放大器的理想輸入信號范圍受限于其線性輸出電壓（與電源電壓有關(guān)）和增益。
(2)
因此，較低的增益和較高的電源電壓有益于該參數(shù)。但是，低增益會降低輸入等效電壓噪聲，而高電源電壓會增加總功耗，因此必須使用一種折中的方法。就一些便攜式及中端系統(tǒng)而言，通常會選用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近表面物體反射的大信號引起的，這些表面物體的聲阻抗差異性極大。此類例子包括表皮組織或骨骼，而在表皮組織或骨骼中僅有少量的臨床信息。大多數(shù)情況下，這些區(qū)域的信息丟失可能不會影響臨床診斷。但是，如果放大器不能及時(shí)恢復(fù)的話，那么就會有大量的信息丟失。AFE 的快速過載恢復(fù)時(shí)間確保了超聲波系統(tǒng)能夠盡可能多地獲取有用信息。AFE 的過載恢復(fù)時(shí)間可以用 ADC 時(shí)鐘周期數(shù)量表示。一個(gè)時(shí)鐘周期的過載恢復(fù)時(shí)間較為理想。
超聲波放大器飽和帶來的另一個(gè)影響是諧波失真增加。由于使用了普及的造影劑，越來越多的系統(tǒng)（甚至是便攜式系統(tǒng)）都要求整個(gè)系統(tǒng)的低二次諧波失真，以保證順利的諧波成像。一般而言，變送器接收到的諧波信號會高達(dá)40dB（低于基礎(chǔ)信號），具體情況取決于造影劑聲學(xué)屬性、發(fā)送器電壓和組織特性的綜合因素。因此，放大器的HD2應(yīng)低于40dBc，這使系統(tǒng)能夠獲得理想的諧波圖像。另外，高HD2 可能會引起人為的多普勒移頻。在一些臨床情況中，這種人為因素可能會影響診斷的準(zhǔn)確性。在最終多普勒圖像中，人為多普勒移頻會造成多普勒系統(tǒng)的方向隔離。一些文獻(xiàn)[2;3] 表明，對一些CW 和PW 多普勒系統(tǒng)而言，45~50dB 的方向隔離可能就足夠了。由上述因素，當(dāng)HD2 低于40dBc 時(shí)，應(yīng)規(guī)定AFE 的線性輸入范圍。
影響圖像準(zhǔn)確性的串?dāng)_是超聲波系統(tǒng)需要考慮的另一個(gè)參數(shù)。超聲波系統(tǒng)的主要串?dāng)_是由一些以-30 ~-35dBc 排列的變送器陣列引起的，具體情況取決于變送器元件的間距、頻率、設(shè)計(jì)、材料等等。一般來說，IC 或PCB 的串?dāng)_大大低于-35dBc。因此，電路串?dāng)_就不會降低系統(tǒng)性能。
超聲波模擬前端
為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，超聲波AFE（例如：TI 的AFE5805）是理想的選擇。一流的BiCMOS 和CMOS 技術(shù)用于優(yōu)化功耗和噪聲性能。BiCMOS 工藝是AFE5805 VCA 部分的最佳選擇，因?yàn)槠渚哂械凸?、小芯片尺寸以及低閃爍噪聲的特點(diǎn)。CMOS 工藝非常適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器。相比同類解決方案，這些創(chuàng)新組合可縮小50% 的尺寸，降低20% 的功耗并降低40% 的噪聲。圖2 所示恒定噪聲性能涵蓋了整個(gè)工作頻率范圍。這樣，便攜式超聲波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便可以最低功耗獲得更高的圖像質(zhì)量。
圖2 卓越的噪聲性能
總結(jié)
未來幾年，全球各地區(qū)對于便攜式、低成本超聲波設(shè)備的需求有望快速增長。對于超聲波設(shè)備廠商來說，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)備廠商對性能進(jìn)行調(diào)整，以適用于各種系統(tǒng)尺寸?；趩蝹€(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。
參考文獻(xiàn)
[1] 《多普勒超聲波》，作者：Evans DH 和McDicken WN，約翰•威利父子出版公司(John Wiley & Sons, Ltd.)，2000 年版。
[2]《用于探測微循環(huán)血流量的高頻連續(xù)波多普勒超聲波系統(tǒng)》，作者：Christopher DA、Burns PN、Armstrong J 以及Foster FS，發(fā)表于《醫(yī)學(xué)與生物學(xué)超聲波(Ultrasound Med Biol)》，1996 年版，22:1191-1203 頁。
[3]《用于微循環(huán)血流量探測與成像的高頻脈沖波多普勒超聲波系統(tǒng)》，作者：Christopher DA、Burns PN、Starkoski BG 以及Foster FS，發(fā)表于《醫(yī)學(xué)與生物學(xué)超聲波(Ultrasound Med Biol)》，1997 年版，23:997-1015 頁。
[4] 如欲下載AFE5805 的產(chǎn)品說明書，敬請?jiān)L問：
http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/afe5805.html。
作者簡介
Xiaochen Xu 現(xiàn)任TI 醫(yī)療產(chǎn)品部系統(tǒng)兼應(yīng)用工程師。
Stephan Baier 現(xiàn)任TI 醫(yī)療產(chǎn)品部系統(tǒng)工程師。
Harish Venkataraman 現(xiàn)任TI 醫(yī)療產(chǎn)品部設(shè)計(jì)工程師。
Anand Udupa 現(xiàn)任TI 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品部設(shè)計(jì)工程師。