在1990年代早期，尺寸與現(xiàn)代筆記本電腦接近的“便攜式”電話(有時也稱為“背包電話”)廣為使用。此后，不出二十年，口袋大小的手機(jī)已經(jīng)可以收發(fā)郵件和文字消息、拍照、查詢股票、預(yù)約，當(dāng)然還能給世界上任何地方的人打電話。與此類似，在醫(yī)療領(lǐng)域，早期所謂的“便攜式”超聲系統(tǒng)是推車式的，且在功耗較高、成本昂貴。幸運(yùn)的是，超聲系統(tǒng)近年來也得益于芯片集成和功耗調(diào)整技術(shù)的突破。
這些技術(shù)突破催生了更便攜、更高效的超聲系統(tǒng)，具有更佳的成像性能和更多的功能。更高的動態(tài)范圍、更低的功耗以及更緊湊的系統(tǒng)級IC提供了高質(zhì)量的圖像，可更好地進(jìn)行診斷。未來的超聲系統(tǒng)可能是手持式的，并成為醫(yī)師的第二個“聽診器”。
超聲信號鏈
圖1顯示了一個超聲系統(tǒng)信號鏈的簡化框圖。所有超聲系統(tǒng)都在相對較長電纜的末端使用換能器，電纜長度一般為兩米。此電纜至少包含8個——最多可達(dá)256個——微型同軸電纜，是系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。在幾乎所有系統(tǒng)中，換能器基元都直接驅(qū)動電纜。電纜電容成為換能器基元的負(fù)載，引起很大的信號衰減。它需要一個高度靈敏的接收器來保持動態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。
圖1. 典型超聲信號鏈
在發(fā)射端(Tx路徑)，波束成形器決定針對所需焦點(diǎn)而設(shè)定的脈沖序列延遲模式。然后，波束成形器的輸出由高壓發(fā)射放大器放大，以驅(qū)動換能器。這些放大器由數(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，以便更好地向換能器基元傳輸能量。在接收端，發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)(通常是一個二極管電橋)阻擋高壓Tx脈沖。某些陣列會使用高壓(HV)多路復(fù)用器/解復(fù)用器來降低發(fā)射和接收硬件復(fù)雜度，但這樣會犧牲靈活性。
時間增益控制(TGC)接收路徑由低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成。VGA通常提供線性dB增益控制，與超聲信號反射衰減匹配。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。低噪聲LNA對于盡可能降低隨后的VGA噪聲分配極為關(guān)鍵。在需要輸入阻抗匹配應(yīng)用中，有源阻抗控制使噪聲性能最佳。
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的折合到輸入端的噪聲限制了可分辨的最小輸入信號，而折合到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可以處理的最大瞬時動態(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化本底噪聲設(shè)定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。早期的超聲系統(tǒng)基于10位ADC，但多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)使用12或14位ADC。
抗混疊濾波器(AAF)限制了信號帶寬，同時也抑制了ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。
醫(yī)用超聲的波束成形是指信號的相位對準(zhǔn)和求和，這些信號由共同的信號源生成，但是由多基元超聲換能器在不同的時間點(diǎn)接收。在連續(xù)波多普勒(CWD)路徑中，對接收器通道進(jìn)行移相和求和，以提取相干信息。波束形成有兩個功能： 一個是為換能器定向，以提高其增益，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。
波束成形可以采用兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)：模擬波束成形(ABF)和數(shù)字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統(tǒng)之間的主要區(qū)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。ABF使用模擬延遲線和求和，僅需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF系統(tǒng)是目前最受歡迎的方法，它使用“很多”高速、高分辨率ADC。DBF系統(tǒng)中的信號應(yīng)盡可能靠近換能器基元進(jìn)行信號采樣，然后將信號延遲并對其進(jìn)行數(shù)字求和。DBF架構(gòu)的簡化框圖如圖2所示。
圖2. 數(shù)字波束成形(DBF)系統(tǒng)簡化框圖
集成和分割策略
超聲系統(tǒng)具有如此多的通道和元器件，雖然技術(shù)已經(jīng)有了極大的進(jìn)步，仍屬于目前最復(fù)雜的系統(tǒng)。就像其他復(fù)雜系統(tǒng)那樣，有很多方法可以進(jìn)行系統(tǒng)分割。本節(jié)將回顧一些超聲分割策略。
早期的超聲系統(tǒng)采用模擬波束成形技術(shù)，需要使用大量的模擬元器件。TGC和Rx/Tx路徑上的數(shù)字處理通過定制ASIC來實(shí)現(xiàn)。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這種方法很常見。ASIC具有大量柵極，其數(shù)字技術(shù)未針對模擬功能(比如放大器和ADC)優(yōu)化。使用ASIC的系統(tǒng)很大程度上必須依賴于供應(yīng)商產(chǎn)品的可靠性。
ASIC、FPGA和DBF技術(shù)與分立式IC ADC和VGA結(jié)合使用是實(shí)現(xiàn)便攜性的第一步，但使用多通道(四通道和八通道)
TGC、ADC以及DAC讓尺寸與功耗得到大幅下降。這些多通道元器件可讓設(shè)計(jì)人員從數(shù)字電路中將敏感模擬電路分割到獨(dú)立電路板上。這樣可以縮減系統(tǒng)尺寸，并且有利于在多個平臺上重復(fù)利用電子電路。
然而，以高引腳數(shù)互連四通道和八通道VGA與ADC會讓PCB走線路由變得困難，某些情況下會迫使設(shè)計(jì)人員使用通道數(shù)較少的器件，比如從八通道ADC轉(zhuǎn)而使用四通道ADC。將大量多通道元器件放置在小面積內(nèi)還會導(dǎo)致散熱問題。進(jìn)行最佳分割可能會變得很有挑戰(zhàn)性。
完整TGC路徑采用多通道、多器件的進(jìn)一步集成使設(shè)計(jì)變得更加容易，因?yàn)镻CB尺寸和功耗要求得以進(jìn)一步降低。隨著更高級集成方案的廣泛使用，成本、尺寸和功耗進(jìn)一步減小，便攜式系統(tǒng)的電池壽命更長。
這類架構(gòu)可以采用超聲子系統(tǒng)構(gòu)建(比如AD9271)，它包含LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和八個TGC
通道的串行LVDS輸出。
最終的超聲解決方案可在探頭里集成更多的電子功能，并盡可能靠近換能器基元。記住，探頭基元的電纜會限制動態(tài)范圍，且成本高昂。如果前端電子元件更靠近探頭，那么電纜損耗的影響就會更小，降低LNA要求并進(jìn)而降低功耗。一種方法是將LNA移至探頭電子器件中。另一種方法是分割探頭和PCB電子器件的VGA控制。最終，系統(tǒng)尺寸更小，足夠裝進(jìn)超小型封裝中。這樣做的不足之處是設(shè)計(jì)人員又回到了原點(diǎn)，需要定制探頭。換言之，探頭/電子器件定制將使現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員面臨以前使用數(shù)字ASIC的設(shè)計(jì)人員所面臨的同樣問題。
使用現(xiàn)代IC調(diào)節(jié)電源/性能
超聲涵蓋了范圍廣闊的各種應(yīng)用，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所需要做的權(quán)衡取舍也更多。每一種診斷成像模式都有不足之處，通常是性能與功耗的權(quán)衡?，F(xiàn)在，這些難題由可讓設(shè)計(jì)人員在IC內(nèi)部調(diào)節(jié)性能與功耗比的元器件所解決，從而縮短了產(chǎn)品上市時間。同樣，我們希望超聲子系統(tǒng)可以在IC內(nèi)部提供一系列選項(xiàng)，以便調(diào)節(jié)輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益。根據(jù)所要求的成像模式或探針類型，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員幾乎可以實(shí)時對設(shè)計(jì)的適用性進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)，并以最低的功耗提供最高的性能。
設(shè)計(jì)人員還可針對這些器件使用配置設(shè)計(jì)工具，從而可對各種單獨(dú)的探頭和圖像模式性能進(jìn)行評估，如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以快速做出這些權(quán)衡取舍，并直接在IC級別調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如此，便無需更改硬件并執(zhí)行復(fù)雜的圖像處理測試來驗(yàn)證這些權(quán)衡取舍。
圖3. 超聲子系統(tǒng)配置工具圖形用戶界面
此外，配置工具還可將最優(yōu)配置參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字設(shè)置，并生成一個文件，將該器件的最終配置復(fù)制到系統(tǒng)中。
結(jié)論
在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，超聲系統(tǒng)正在不斷向便攜性和低功耗發(fā)展。所有這類系統(tǒng)都具有相似的要求，并在近年來實(shí)現(xiàn)了集成和功耗調(diào)節(jié)創(chuàng)新。
集成式多通道器件的進(jìn)步體現(xiàn)在進(jìn)一步降低了功耗、尺寸和成本。無疑，最新的創(chuàng)新產(chǎn)品與配置工具可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更輕松。這便為根據(jù)具體成像模式開發(fā)可配置和可進(jìn)行性能與功耗調(diào)節(jié)的多樣化超聲產(chǎn)品提供了途徑。
大多數(shù)超聲設(shè)備制造商的知識產(chǎn)權(quán)(IP)都集中在探頭和波束成形技術(shù)上。多通道集成的常用器件包括四通道和八通道ADC，它們可以最大程度減少高成本模擬元器件的使用，并降低費(fèi)時費(fèi)力的TGC通道校準(zhǔn)要求。超聲系統(tǒng)的其他部分還可進(jìn)一步集成。對更多的信號鏈部分進(jìn)行集成將進(jìn)一步降低功耗、尺寸和成本，同時提升處理能力。