前端组件选择在超声系统是重要的考虑因素

简介

在设计超声波前端电路时需要考虑一些主要的权衡因素。前端电路组件中的性能参数会影响诊断性能 - 相反，系统配置和目标会影响组件的选择。

设计人员必须了解特别重要的规范及其影响关于系统性能，以及它们如何受到集成电路（IC）设计权衡的影响 - 在集成和半导体工艺技术方面 - 这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。我们从高级系统概述开始，然后更详细地描述超声系统的工作原理。

系统介绍

医用超声波机器是最复杂的信号处理机器之一今天用。与任何复杂的机器一样，由于性能要求，物理和成本的原因，在实现中存在许多权衡。为了充分了解所需的前端IC功能和性能水平，有必要进行一些系统级的理解，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）。

在超声波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，几乎不可能将它们移除。当然，这是任何接收信号处理链中的一般问题，无论是超声波还是无线。

有趣的是，超声波基本上是雷达或声纳系统，但它的运行速度很快与数量不同的数量级。典型的超声系统在概念上与商用和军用飞机上以及军用船上的相控阵雷达系统几乎相同。雷达工作在GHz范围内，声纳范围为kHz，超声波工作在MHz范围内。超声设计者采用并扩展了使用相控阵的转向光束原理，这是由雷达系统设计者提出的。今天，这些系统涉及一些最复杂的信号处理设备。

图1显示了超声系统的简化图。在所有这样的系统中，在相对长（约2米）的电缆的末端存在多元件换能器。该电缆包含48至256根微同轴电缆，是该系统中最昂贵的部件之一。在大多数系统中，几个不同的传感器探头（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装置）可以连接到系统，允许操作员选择合适的传感器用于最佳成像。手柄通过高压（HV）继电器选择，这为电缆增加了大的寄生电容。

HV复用器/解复用器用于某些阵列，以降低发送和接收硬件的复杂性，但代价是灵活性。最灵活的系统是相控阵数字波束形成器系统 - 由于需要对所有通道进行全电子控制，它们也往往是成本最高的系统。然而，今天最先进的前端IC，如AD8332可变增益放大器（VGA）和AD9238 12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，也正在引入所有元件的全电子控制。

在发送（Tx）侧，Tx波束形成器确定设置所需的延迟模式和脉冲序列。传输焦点。然后，通过驱动换能器的高压发射放大器放大波束形成器的输出。这些放大器可以由数模转换器（DAC）控制，以对发射脉冲进行整形，以便更好地将能量传递到换能器元件。通常，使用多个发射聚焦区域（区域） - 即，通过将发射能量聚焦在身体中逐渐更深的点处来加深要成像的场。多个区域的主要原因是，对于身体较深的点，发射能量需要更大，因为信号在进入体内时会衰减（并且当它返回时）。

On在接收（Rx）侧，有一个T / R开关，通常是一个二极管桥，它阻止高压Tx脉冲。接下来是低噪声放大器（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），有时还有变迹（空间“窗口”以减少波束中的旁瓣）功能。时间增益控制 - 为身体较深处的信号提供增加的增益（因此随后到达） - 受操作员控制并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。除了连续波（CW）多普勒处理之外，它在现代系统中主要是数字的，其动态范围仍然太大而不能通过与图像相同的通道进行处理。最后，处理Rx光束以显示灰度图像，2-D图像上的彩色流叠加和/或多普勒输出。

超声系统挑战

要充分了解超声波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正在努力实现的目标。首先，它应该准确地表示人体的内部器官，其次，通过多普勒信号处理，它确定体内的运动（例如，血流）。根据这些信息，医生可以对心脏瓣膜或血管的正确功能做出结论。

采集模式

有三种主要的超声波采集模式：B模式（灰色） - 成像; 2D）; F模式（彩色血流或多普勒成像;血流）;和D模式（频谱多普勒）。 B模式创造了传统的灰度图像; F模式是B模式显示器上的彩色覆盖图，显示血流量; D模式是多普勒显示，可能显示血流速度及其频率。 （还有一个M模式，它显示一个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，而静脉心血管机使用的频率高达40 MHz。原则上更高的频率是更理想的，因为它们提供更高的分辨率 - 但是组织衰减限制了对于给定的穿透距离可以有多高的频率。然而，由于信号经历约1dB / cm / MHz的衰减，因此不能任意增加超声频率以获得更精细的分辨率。即，对于10-MHz超声信号和5cm的穿透深度，往返信号已经衰减5 3 2 3 10 = 100 dB！要在任何位置处理大约60 dB的瞬时动态范围，所需的动态范围将为160 dB（电压动态范围为1亿到1）！这种幅度的动态范围不能直接实现;因此，必须支付高度复杂系统的成本并在前端进行权衡 - 无论是穿透深度（由于允许的最大发射功率而受到安全规定的限制）还是图像分辨率（使用较低的超声频率）。 / p>

接收信号的大动态范围是最严峻的挑战。前端电路必须同时具有非常低的噪声和大信号处理能力 - 对于在通信需求方面经验丰富的任何人来说都是熟悉的。电缆不匹配和损耗直接增加了系统的噪声系数。例如，如果特定频率的电缆损耗为2 dB，则NF降低2 dB。这意味着电缆之后的第一个放大器必须具有比无损电缆所需的噪声系数低2 dB的噪声系数。解决此问题的一种可能方法是将放大器置于换能器手柄中。但是，存在严重的尺寸和功率限制;此外，对高压发射脉冲的保护需要使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声阻抗不匹配。声阻抗不匹配需要匹配层（类似于电阻抗匹配RF电路）以有效地传输能量。这通常包括在手柄中的换能器元件前面的几个匹配层，接着是透镜，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，但这些脉冲中的一小部分泄漏到开关上足以使前端电路过载。较差的过载恢复会使接收器“失明”直至其恢复，直接影响皮肤表面的接近程度。

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，具有由矩形限定的扫描线的图片是图像的实际表示，如将在显示监视器上看到的。这里示出了单个换能器的机械运动（在箭头所示的方向上）以便于理解图像生成;但是没有机械运动的线性阵列可以产生相同类型的图像。在线性扫描的例子中，换能器元件在水平方向上移动;对于每条扫描线（图像中显示的线），发送Tx脉冲并记录来自不同深度的反射信号并进行扫描转换以显示在视频显示器上。在图像采集期间如何移动单个换能器确定图像的形状。这直接转换为线性阵列换能器的形状，即，对于线性扫描，阵列将是直的，而对于弧扫描，阵列将是凹的。

步骤从机械单换能器系统到电子系统所需要的也可以通过检查图2中的线性扫描来轻松解释。如果单个换能器元件被分成许多小块，那么如果一次激励一个元件并且记录来自身体的反射，一个也获得如图所示的矩形图像，现在只需要移动换能器元件。由此可以看出，弧扫描可以由具有凹形的线性阵列构成;扇形扫描将由具有凸形的线性阵列组成。

尽管上面的例子解释了B模式超声图像生成的基础知识，但在现代系统中，一次使用多个元素来生成扫描线，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显示了如何对线性阵列和相控阵进行此操作;主要区别在于，在相控阵中，所有元素同时使用，而在线性阵列中，仅使用总阵列元素的子集。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。相控阵是不同的;因为它的馅饼形状，非常小的换能器可以在远场中成像大面积。这就是为什么相控阵换能器是心脏成像等应用中的首选换能器，其中必须处理肋骨之间的小空间，通过这些空间需要对更大的心脏进行成像。

阵列中的激励沿扫描线引导，由一组旨在同时到达焦点的脉冲的延迟分布确定。脉冲（图3）由阵列上方垂直时间线上的“波浪形”（阴影颜色）表示 - 随着时间从阵列表面垂直增加。图3中的线性阶梯式阵列将向一组元件（孔径）提供成形激励，然后通过添加前导元件并使尾部元件掉落来使孔径步进。在每个步骤中，通过脉冲的同时到达形成一条扫描线（光束）。在相控阵中，所有传感器同时处于活动状态。在所示的示例中，黑暗线是扫描线，用于对由代表性脉冲图形产生的反射数据进行成像。

模拟与数字波束成形

模拟波束成形（ABF）和数字在波束成形（DBF）超声系统中，为每个信道存储从特定焦点沿波束反射的接收脉冲，然后在时间上对齐，并且相干求和 - 这提供空间处理增益，因为信道的噪声是不相关的。图像可以形成一系列模拟电平，用模拟延迟线延迟，求和，并在求和（ABF）后转换成数字 - 或者通过采样尽可能接近换能器元件的模拟电平进行数字处理，将它们存储在存储器（FIFO），然后以数字方式对它们求和（DBF）。

图4和5显示了ABF和DBF系统的基本相应框图。两种类型的系统都需要完美的通道到通道匹配。请注意，两种实现都需要可变增益放大器（VGA），并且将继续处于数字情况，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率提供。请注意，ABF成像系统只需要一个非常高分辨率和高速的ADC，但DBF系统需要许多高速，高分辨率的ADC。有时在ABF系统中使用对数放大器来压缩ADC之前的动态范围。

动态范围

在前端电路中， LNA的本底噪声决定了接收信号的微弱程度。但同时 - 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）。注意，这些相同的条件适用于任何接收器通信应用，最靠近天线的电路也不具有大量滤波的优点;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所有信号的最大动态范围 - 在CW期间，正弦波连续传输一半的换能器阵列，而另一半正在接收。 Tx信号很有可能泄漏到Rx侧;并且还有来自靠近表面的静止身体部位的强烈反射。这往往会干扰检查身体深处静脉中的血流，伴随着非常微弱的多普勒信号。

在目前的技术水平下，CW多普勒信号不能通过数字波束形成（DBF）系统中的主成像（B模式）和PW多普勒（F模式）路径来处理;因此，图1中的CW多普勒处理表示模拟波束形成器（ABF）.ABF具有更大的动态范围。当然，DBF超声中的“圣杯”是通过DBF链处理的所有模式（实际成本），并且有很多关于如何到达那里的研究。

功率

由于超声波系统需要多个通道，所有前端组件的功耗 - 从T / R开关，通过LNA，VGA和ADC，到波束形成器的数字电路 - 非常关键规范。如上所述，总是需要增加前端动态范围，以便最终将所有超声模式集成到一个波束形成器中 - 这种趋势将导致增加系统中的功率。然而，相应地需要使超声系统永远更小 - 具有降低功率的趋势。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来说，这不一定是正确的。此外，考虑到降低的模拟“净空”倾向于降低动态范围这一事实，电源电压可以达到的极低程度将会受到限制，并且仍能达到所需的动态范围。

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操作来向这里展示超声前端IC所需的权衡。本文的更完整版本 1 可用于提供其他详细信息。

1 Brunner，Eberhard，“超声系统注意事项及其对前端组件的影响”，ADI公司，2002年。