AD9271—便携式超声的革命性解决方案

Rob Reeder 和 Corey Petersen

医疗超声系统是当今广泛使用的更复杂的信号处理机器之一。虽然类似于雷达或声纳，但它们的射频速度比雷达慢几个数量级，比声纳快。自从早期基于推车的超声系统开发以来，医疗行业已将这种实时技术用于早期发现健康问题和一般诊断程序。随着时间的推移，超声系统变得越来越便携，有些甚至演变成超紧凑的手掌大小的设备。在不远的将来，超声系统可能会成为专门的个人数字助理（PDA），尽管不像医生的听诊器那么普遍。我们将在这里讨论紧凑性的一些必要成分。

超声系统架构

超声系统中常用的图像采集方法是数字波束成形（DBF）。波束成形应用于医学超声，定义为从公共源产生但由多元件超声换能器在不同时间接收的信号的相位对齐和求和。通过对 16 到 32 个（或更多）接收器通道进行相移并相加以提取相干信息的阵列，波束成形具有两个功能：它赋予换能器方向性——增强其增益——并定义体内的焦点，从中得出返回回波的位置。在最简单的状态下，DBF 系统框图如图 1 所示。每个传感器元件的输出被放大，转换为数字，并按顺序排列。多个通道在空间上相加以显影图像。

图1.典型DBF系统的简化框图。

DBF架构优于早期的模拟波束成形系统（ABF）（在转换前使用可变延迟块和模拟求和），因为它们往往具有更好的通道间匹配特性，并且更灵活。一旦信号被采集，就可以通过执行数字操作（如波束控制和相干信号求和）来提高其质量。使数字引擎更靠近超声波传感器，可以进行比模拟系统更精细的调整。DBF是当今最常用的架构，尽管重大挑战包括高功耗（由于大量通道）和尺寸 - 由于采集和产生精确信号通常需要大量组件。

直到最近，大多数DBF系统都是由许多组件组装而成的，使用分立解决方案和多个IC。接收（Rx）信号链主要由低噪声放大器（LNA）组成，其用作前置放大器;可变增益放大器（VGA），用作时间增益放大器，以补偿身体组织对返回信号的衰减作为时间的函数（作为深度的代理）;抗混叠滤波器 （AAF）;和一个模数转换器 （ADC）。在常见的数字波束成形架构中，这些组件需要多个副本。增加通道数可以改善动态范围，只要通道噪声是随机的或不相关的。64 至 256 个通道的范围对于高端系统很常见，而 16 到 64 个通道的范围对于便携式中低端超声系统更为常见。

为什么要推动便携式？

许多要求苛刻的应用都可以实现提供实时扫描的轻量级便携式紧凑型设备的优势。显然，现场紧急医疗服务（EMS）团队将更快地接触到患者，并能够在到达急诊室之前发送结果。如果旅程很长，医生可以在急诊室等待患者时进行远程诊断。在例行的办公室访问期间，全科医生可以对患者进行扫描作为检查的一部分，而无需专家。

便携性的提高提供了使用这些设备的机会，以便在可能没有可靠电力的偏远地区和村庄提供更好的医疗服务。

兽医发现便携式超声可用于大型动物和宠物的现场诊断。它在猪和牛牧场也可用于现场诊断。

超声波在无损检测和预防性维护中也是一个不断增长的市场。示例包括部署用于扫描桥梁梁、工业机械中的轴承和石油管道的系统。可以降低检测成本，避免昂贵设备的关键停机时间。工业厂房中的便携式扫描设备对于在潜在灾难性问题出现之前发现它们至关重要。

采用便携式超声波当然需要付出代价，无论是购买这些诊断、扫描和分析的设备，还是培训这些新设备的用户。但在很多这样的案例中，收益远远超过成本。

利用AD9271节省空间、功耗和资金

ADI公司的基本子系统AD14（图14）是ADI公司为满足紧凑性要求而设计的基本子系统，×1 mm×2.9271 mm，汇集了采集2个通道数据所需的所有信号链模块，大幅减少了电路板空间和功耗。与采用分立元件的解决方案相比，AD9271将每通道总面积减小1/3以上，功耗降低25%以上，在150 MSPS时每通道功耗仅为40 mW。AD9271还提供多种定制选项（可通过串行端口接口获得），可根据应用进一步优化功耗和可配置性。

图2.AD9271原理框图

AD9271采用8通道信号链，每个通道包括低噪声放大器（LNA）、可变增益放大器（VGA）、抗混叠滤波器（AAF）和模数转换器。这是通常用于处理脉冲波模式下返回脉冲的接收链：用于灰度成像的B模式扫描和用于显示血流的F模式（B模式显示器上的彩色叠加层）。在脉冲波模式下，换能器在发射和接收之间交替，以形成周期性更新的二维图像。

另一种常见的成像形式是连续波（CW）多普勒或D模式，用于显示血流速度及其频率。顾名思义，图像是使用连续生成的信号生成的，其中一半换能器通道在传输，另一半在接收。CW具有精确测量高速血流的优点，但它缺乏传统脉冲波系统中的深度和穿透力。由于每种方法都有其自身的优点和局限性，根据应用的不同，现代超声系统通常同时使用这两种模式，而AD9271适用于这两种模式。特别是，它允许用户通过使用集成的交叉点开关在连续波多普勒模式下工作。该交叉点开关允许将相似相位的通道相干地相加成组，以进行相位对齐和求和。AD9271支持低端系统的延迟块，AD8339四通道解调器具有可编程相位调整功能，可实现最佳性能。AD8339允许对相位对齐和求和进行更精细的调整，以提高镜像精度。该器件可轻松与外部连接，允许用户压缩需要非常大动态范围的信号所需的更多信号链。

动态范围和噪声要求

当高频声学信号穿透人体时，它们会衰减约1 dB/cm/MHz。例如，对于8 MHz探头和4厘米深度穿透（并考虑出线和返回衰减），来自内部组织的信号幅度变化将与表面附近的反射相差64 dB（或4 × 8 × 2）[延伸阅读2]。增加50 dB的成像分辨率，并考虑到骨头、电缆和其他不匹配造成的损耗，所需的动态范围接近119 dB。从这个角度来看，在 0 MHz 带宽内具有 333.1nV/rt-Hz 本底噪声的 4.10V p-p 满量程信号意味着 88 dB 输入动态范围。通过使用多个通道[10 ×log（N通道）]可以实现额外的动态范围，例如，128个通道将动态范围增加21 dB。这为100 dB和120 dB之间的动态范围设定了实际限制。

可实现的动态范围受到前端组件的限制。由于不需要在所有时刻都要求整个动态范围，因此可以通过扫描VGA的增益来匹配接收到的反射随时间推移的衰减（与穿透深度成比例），从而使用小于全动态范围的ADC。这称为时间增益补偿（TGC）。LNA设置可映射到ADC的等效动态范围。AD9271在88 MHz带宽（10 dB/rt-Hz）内具有158 dB的等效动态范围，使其能够处理来自被扫描组织的非常小和大的信号（回波），如图3所示。LNA的满量程应足够大，以免近场信号饱和;本底噪声越低，动态范围越高。

图3.12位ADC的TGC增益要求。

由于必须提高功率要求以处理较低的噪声水平，因此由于功率限制，必须在便携式应用中做出一些妥协。虽然AD88的9271 dB动态范围优于竞争解决方案，但仍低于AD8332等更高功率的VGA产品，其折合到输入端的噪声为0.72 nV/rt-Hz，如表1所示。请注意，AD8332具有所示解决方案中最低的折合到输入端的噪声和最高的输入动态范围。没有一种方法是理想的。尽管数字处理是当今所有解决方案的基本特征，但组件的具体实施和选择是每个超声制造商专有的。

表 1.使用ADI公司元件的解决方案比较

产品	液化天然气输入范围	液化放大器输入噪声	总通道输入噪声（无ADC）	通道 输入动态范围 （@10-MHz 带宽）
AD8332	550 mV 峰峰值	0.74 nV/RT-Hz	0.82 nV/RT-Hz	97分贝
AD8335	625 mV 峰峰值	1.2 nV/RT-Hz	1.3 nV/RT-Hz	95分贝
AD9271	400 mV 峰峰值 333 mV 峰峰值 250 mV 峰峰值	1.4 nV/RT-Hz 1.2 nV/RT-Hz 1.1 nV/RT-Hz	1.65 nV/RT-Hz 1.44 nV/RT-Hz 1.31 nV/RT-Hz	89分贝 88分贝 87分贝

结论

对于医疗和工业应用，便携式超声都有增长的趋势。所有这些系统对偏远地区的紧凑性和便携性都有类似的要求。AD9271在微型IC封装中集成了适用于脉冲波和连续波多普勒系统的接收信号链的9271个通道，使便携性越来越容易实现。AD<>注定将催生一系列产品，提供低功耗或更低噪声的选项，在未来几代产品中进一步突破界限。

审核编辑：郭婷