超声系统考虑因素如何影响前端组件选择

在设计超声前端电路时，需要考虑主要的权衡取舍。前端电路组件的性能参数会影响诊断性能，相反，系统配置和目标也会影响组件的选择。

设计人员必须了解特别重要的规格、它们对系统性能的影响，以及它们如何受到集成电路（IC）设计权衡（在集成和半导体工艺技术方面）的影响，这些权衡将限制用户的设计选择。了解这些考虑因素将有助于设计人员实现最有利的系统分区。我们从高层次的系统概述开始，然后更详细地描述超声系统的工作原理。

系统介绍

医用超声机是当今广泛使用的最复杂的信号处理机器之一。与任何复杂机器一样，由于性能要求、物理场和成本，在实现过程中需要权衡取舍。为了充分理解所需的前端IC功能和性能水平，需要一些系统级的理解，特别是对于：低噪声放大器（LNA）;时间增益补偿放大器（TGC）;和模数转换器 （ADC）。

在超声前端以及许多其他复杂的电子系统中，这些模拟信号处理组件是决定整体系统性能的关键因素。前端组件特性定义了系统性能的限制;一旦引入噪声和失真，几乎不可能消除它们。当然，这是任何接收信号处理链中的普遍问题，无论是超声波还是无线。

有趣的是，超声波基本上是一种雷达或声纳系统，但它的运行速度与这些系统相差几个数量级。典型的超声系统在概念上与商用和军用飞机以及军用飞机上的相控阵雷达系统几乎相同。雷达在GHz范围内工作，声纳在kHz范围内工作，超声波在MHz范围内工作。超声设计人员采用并扩展了使用相控阵的转向波束原理，该原理由雷达系统设计人员发起。今天，这些系统涉及一些最先进的信号处理设备。

图1显示了超声系统的简化图。在所有此类系统中，在相对较长（约2米）电缆的末端都有一个多晶探头。该电缆包含 48 至 256 根极细同轴电缆，是系统中最昂贵的部件之一。在大多数系统中，几种不同的探头探头（也称为手柄——手柄是包含传感器元件并通过电缆连接到系统的单元）可以连接到系统，允许操作员选择合适的探头以实现最佳成像。手柄通过高压 （HV） 继电器选择，这在电缆上增加了大的寄生电容。

图1.超声系统框图。

某些阵列中使用高压多路复用器/解复用器来降低发送和接收硬件的复杂性，但以牺牲灵活性为代价。最灵活的系统是相控阵数字波束成形器系统——由于需要对所有通道进行全电子控制，它们也往往是最昂贵的系统。然而，当今最先进的前端IC，如AD8332可变增益放大器（VGA）和AD923812位模数转换器（ADC）正在不断降低每通道成本，因此即使在中低成本系统中，现在也引入了对所有元件的全电子控制。

在发射（Tx）侧，Tx波束形成器确定设置所需发射焦点的延迟模式和脉冲序列。然后，波束成形器的输出由驱动换能器的高压发射放大器放大。这些放大器可能由数模转换器（DAC）控制，以塑造发射脉冲，以便更好地将能量传输到换能器元件。通常，使用多个传输焦点区域（区域），也就是说，通过将传输能量集中在身体中逐渐更深的点来加深要成像的场。多区域的主要原因是，对于身体深处的点，传输能量需要更大，因为信号在进入体内（和返回）时会衰减。

在接收（Rx）侧，有一个T/R开关，通常是二极管桥，用于阻止高压Tx脉冲。其次是低噪声放大器（LNA）和一个或多个可变增益放大器（VGA），它们实现时间增益补偿（TGC），有时还实现切趾（空间“窗口化”以减少波束中的旁瓣）功能。时间增益控制 - 为来自身体深处的信号提供增加的增益（因此稍后到达） - 在操作员的控制下，用于保持图像均匀性。

放大后，执行波束成形，以模拟（ABF）或数字（DBF）形式实现。在现代系统中，它大多是数字的，除了连续波（CW）多普勒处理，其动态范围仍然太大，无法通过与图像相同的通道进行处理。最后，对Rx光束进行处理以显示灰度图像，2-D图像上的Colorflow叠加和/或多普勒输出。

超声系统挑战

为了充分了解超声的挑战及其对前端组件的影响，重要的是要记住这种成像模式试图实现的目标。首先，它应该准确表示人体的内部器官，其次，通过多普勒信号处理，它是确定体内的运动（例如，血流）。根据这些信息，医生可以得出有关心脏瓣膜或血管正确功能的结论。

采集模式

有三种主要的超声采集模式：B模式（灰度成像;2D）;F模式（彩色流或多普勒成像;血流）;和 D 模式（光谱多普勒）。B模式创建传统的灰度图像;F 模式是 B 模式显示屏上显示血流的颜色叠加层;D 模式是多普勒显示器，可以显示血流速度及其频率。（还有一个 M 模式，它显示单个 B 模式时间线。

医疗超声的工作频率在 1 MHz 至 40 MHz 范围内，外部成像机通常使用 1 MHz 至 15 MHz 的频率，而静脉心血管机器使用的频率高达 40 MHz。 原则上，更高的频率更可取，因为它们提供更高的分辨率，但组织衰减限制了给定穿透距离的频率。但是，不能任意增加超声波频率以获得更精细的分辨率，因为信号会经历约1 dB / cm / MHz的衰减;即，对于 10 MHz 超声波信号和 5 cm 的穿透深度，往返信号已衰减 5 3 2 3 10 = 100 dB！为了在任何位置处理约60 dB的瞬时动态范围，所需的动态范围为160 dB（电压动态范围为1亿比1）！这种幅度的动态范围是无法直接实现的;因此，人们必须支付高度复杂系统的成本，并在前端进行权衡 - 穿透深度（由于允许的最大发射功率而受到安全法规的限制）或图像分辨率（使用较低的超声频率）。

接收信号的大动态范围是最严重的挑战。前端电路必须同时具有极低噪声和大信号处理能力，这是任何有通信需求经验的人都熟悉的要求。电缆不匹配和损耗直接增加了系统的噪声系数。例如，如果电缆在特定频率下的损耗为 2 dB，则 NF 会降低 2 dB。这意味着电缆之后的第一个放大器的噪声系数必须比无损电缆所需的噪声系数低2 dB。解决这个问题的一种潜在方法是在换能器手柄中放置一个放大器。但是，存在严重的尺寸和功率限制;此外，由于需要高压发射脉冲保护，因此这种解决方案难以实现。

另一个挑战是换能器元件和主体之间的大声阻抗不匹配。声阻抗失配需要匹配层（类似于电阻抗匹配RF电路）才能有效地传输能量。这通常由手柄中换能器元件前面的几个匹配层组成，然后是透镜，然后是耦合凝胶。凝胶与身体建立了良好的声学接触，因为空气是一种非常好的声学反射器。

接收电路的另一个重要问题是快速过载恢复。尽管T/R开关应该保护接收器免受大脉冲的影响，但这些脉冲中泄漏开关的一小部分足以使前端电路过载。过载恢复不良会使接收器在恢复之前“失明”，直接影响图像与皮肤表面的距离。

如何生成超声图像—B 模式

图 2 显示了如何生成不同的扫描图像。在所有四次扫描中，扫描线以矩形为界的图像是图像的实际表示，因为它将在显示器上看到。此处显示了单个换能器的机械运动（沿箭头指示的方向），以方便理解图像生成;但是相同类型的图像可以由线性阵列生成，而无需机械运动。在线性扫描示例中，换能器元件沿水平方向移动;对于每条扫描线（图像中显示的线），发送一个Tx脉冲，并记录来自不同深度的反射信号并对其进行扫描转换以显示在视频显示器上。单个换能器在图像采集过程中的移动方式决定了图像的形状。这直接转化为线性阵列探头的形状，即对于线性扫描，阵列将是直的，而对于电弧扫描，阵列将是凹形的。

图2.单传感器图像生成。

从机械单传感器系统到电子系统所需的步骤也可以通过检查图2中的线性扫描轻松解释。如果将单个换能器元件分成许多小块，那么如果一次激发一个元件并记录来自身体的反射，则也会得到如图所示的矩形图像，只是现在不需要移动换能器元件。由此可以看出，弧形扫描可以由具有凹形的线性阵列组成;扇形扫描将由具有凸形的线性阵列组成。

尽管上面的示例解释了B模式超声图像生成的基础知识，但在现代系统中，一次使用多个晶片来生成扫描线，因为它允许改变系统的孔径。改变光圈就像改变光学中焦点的位置一样，它有助于创建更清晰的图像。图3显示了线性阵列和相控阵是如何做到这一点的;主要区别在于，在相控阵中同时使用所有晶片，而在线性阵列中仅使用总阵列晶片的子集。使用较少数量的元件具有节省电子硬件的优点;但它增加了对给定视野进行成像的时间。相控阵则不同;由于其饼形，非常小的换能器可以对远场中的大面积区域进行成像。这就是为什么相控阵探头是心脏成像等应用中的首选探头，在这些应用中，人们必须处理肋骨之间的小空间，需要通过这些空间对大得多的心脏进行成像。

图3.线性成像与相控阵成像。

阵列中的激励沿着扫描线定向，由一组脉冲的延迟曲线决定，这些脉冲旨在同时到达焦点。脉冲（图3）由阵列上方垂直时间线上的“波浪线”表示（阴影色），时间从阵列表面垂直增加。图3中的线性步进阵列将向一组晶片（孔径）提供成形激发，然后通过添加一个超前元件并放下一个尾随晶片来步进孔径。在每个步骤上，由脉冲同时到达形成一条扫描线（光束）。在相控阵中，所有探头同时处于活动状态。在所示示例中，暗线是成像由代表性脉冲图案产生的反射数据的扫描线。

模拟与数字波束成形

在模拟波束成形（ABF）和数字波束成形（DBF）超声系统中，从特定焦点沿波束反射的接收脉冲被存储到每个通道，然后及时对齐，并相干相加 - 这提供了空间处理增益，因为通道的噪声是不相关的。图像可以形成为一系列模拟电平，这些电平使用模拟延迟线延迟，求和并转换为数字求和后（ABF），或者通过尽可能靠近传感器元件的模拟电平采样，将它们存储在存储器中（FIFO），然后以数字方式求和（DBF）。

图 4 和图 5 显示了 ABF 和 DBF 系统的基本框图。这两种类型的系统都需要完美的通道间匹配。请注意，两种实现方案都需要可变增益放大器（VGA），并将继续采用数字模式，直到具有足够大动态范围的ADC以合理的成本和足够低的功耗提供。请注意，ABF成像系统只需要一个非常高分辨率的高速ADC，但DBF系统需要许多高速、高分辨率ADC。有时，ABF系统中使用对数放大器来压缩ADC之前的动态范围。

图4.ABF系统的简化框图。

图5.DBF系统的简化框图。

动态范围

在前端电路中，LNA的本底噪声决定了信号的接收强度。但与此同时，特别是在CW多普勒信号处理期间，LNA还必须能够处理非常大的信号。因此，最大化LNA的动态范围至关重要（通常，由于噪声限制，不可能在LNA之前实现任何滤波）。请注意，这些相同的条件适用于任何接收器——在通信应用中，最靠近天线的电路也不具有大量滤波的优势;因此，它需要应对最大的动态范围。

CW多普勒在超声系统中具有最大的动态范围 - 在CW期间，正弦波与换能器阵列的一半连续传输，而另一半则接收。Tx信号有强烈的泄漏到Rx侧的趋势;并且还有来自靠近表面的静止身体部位的强烈反射。这往往会干扰检查，例如，身体深处静脉中的血流，伴随非常弱的多普勒信号。

在当前技术水平下，CW多普勒信号无法通过数字波束成形（DBF）系统中的主成像（B型）和PW多普勒（F型）路径进行处理;因此，图1中为CW多普勒处理提供了模拟波束成形器（ABF）。ABF具有更大的动态范围。当然，DBF超声中的“圣杯”是通过DBF链处理所有模式（以实际成本），并且关于如何到达那里的大量正在进行的研究。

权力

由于超声系统需要多个通道，因此所有前端组件（从T/R开关到LNA、VGA和ADC，再到波束成型器的数字电路）的功耗是一个非常关键的规格。如上所述，总会有人推动增加前端动态范围，以便最终将所有超声模式集成到一个波束成型器中，这种趋势将导致增加系统的功率。然而，相应地需要使超声系统永远更小，并有降低功率的趋势。数字电路中的功率通常随电源电压而降低;但对于模拟和混合信号电路，情况并不一定如此。此外，考虑到模拟“裕量”减小往往会减小动态范围，电源电压可以达到的低程度以及仍能达到所需的动态范围是有限制的。

结论

我们试图通过首先解释这种系统的基本操作，然后指出需要哪些特定的性能参数来确保最佳系统运行，从而展示超声前端IC所需的权衡取舍。本文的更完整版本1可用于提供更多详细信息。

审核编辑：郭婷