再塑超聲波成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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 的每一個特性都會影響整個系統(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，最終圖像也就擁有一個更寬泛的動態(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)范圍可由以下方程式計(jì)算得出：

　　動態(tài)范圍=SNR+增益控制范圍(方程式 1)

　　例如，一個包含了 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，將這兩個參數(shù)放在一起進(jìn)行評估和計(jì)算更為有價(jià)值?；旧蟻碚f，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。

　　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)時間可以用　ADC 時鐘周期數(shù)量表示。一個時鐘周期的過載恢復(fù)時間較為理想。