超聲成像系統的功能介紹及電子元件的設計選型

概述

通過發射超聲能量進入人體，接收并處理返回的反射信號，相控陣超聲系統可以生成體內器官和結構的圖像，映射血液流動和組織運動，同時提供高準確度的血流速度信息。傳統設計中，構建這樣的成像系統需要大量的高性能相控陣發射器和接收器，使得車載設備體積龐大且價格昂貴。近年來，隨著集成工藝的進步，設計人員能夠獲得小尺寸、低成本而且高度便攜的成像系統方案，并可達到接近大型成像設備的性能指標。而新的設計挑戰依然存在，即在進一步提高方案集成度的同時提高系統性能和診斷能力。

傳感器

成像系統的關鍵器件是超聲傳感器。典型的超聲成像系統需要使用各種傳感器支持特定的診斷要求。每個傳感器由一組壓電傳感器單元陣列構成，它們集中能量并發射到人體內部，然后接收相應的反射信號。每個單元通過纖細的同軸電纜連接到超聲系統。通常，傳感器由32至512個單元構成，工作頻率為1MHz至15MHz。多數超聲系統提供兩個至四個傳感器轉換接口，臨床醫生可根據不同的檢測類型方便地更換傳感器。

高壓復用開關

典型的相控陣超聲系統配備了32至256個發射器和接收器。多數情況下，系統配備的發射器和接收器的數量少于傳感器單元的數量。這些情況下，需要在傳感器或系統中安裝高壓開關，用于信號復用，開關連接在特定的傳感器單元和發送器/接收器(Tx/Rx)對之間。由此，系統能夠在所提供的傳感器陣列中動態改變有效的傳感器孔徑。

成像系統對高壓開關的要求主要包括幾個方面：必須能夠承受電壓擺幅高達200VP-P且峰值電流高達2A的發射脈沖;開關必須能夠迅速切換，以快速調整有效孔徑、滿足圖像幀率的要求;最后，這些開關還必須具有極小的電荷注入，從而避免雜散傳輸以及相關的虛假圖像。

超聲成像系統功能框圖。

高壓發射機

數字發射波束成形器用于產生所要求的數字發射信號，以正確的時間和相位生成聚焦發射信號。高性能超聲系統可通過任意波形發生器產生復雜的發射波形，從而優化圖像質量。這些情況下，發射波束成形器以大約40MHz速率生成8位至10位數字字符，并以此產生所要求的發射波形。數/模轉換器(DAC)將數字波形轉換成模擬信號，通過線性高壓放大器進行放大，用于驅動傳感器單元。由于這種發射技術占用較大體積，而且價格昂貴、需要消耗較高能量，所以，這種架構只限于昂貴的非便攜設備。多數超聲系統并不使用這種發射波束成形技術，而是采用多級高壓脈沖發生器產生需要發射的信號。在這種替代方案中，利用高集成度、高壓脈沖發生器快速切換傳感器單元至適當的可編程高壓電源，產生發射波形。為了產生一個簡單的兩極發射波形，脈沖發生器需要交替地將傳感器單元切換到由數字波束成形器控制的正、負發射電壓。更復雜的設計可以讓傳感器單元切換至多路電源和地，從而產生更復雜、性能更好的多重波形。

近幾年，隨著二次諧波成像的廣泛應用，高壓脈沖發生器對于斜率和對稱性的要求越來越高。二次諧波成像利用了人體的非線性聲學特性。這些非線性特性傾向于將頻率fo的聲能轉變成2fo頻率。多種原因使得接收二次諧波信號能夠獲得更高的圖像質量，因此，二次諧波成像得到了廣泛應用。

二次諧波成像有兩種基本的實現方法。一種稱為標準諧波成像，盡可能抑制發射信號的二次諧波，從而使接收到的二次諧波主要源于人體的非線性。這種模式要求二次諧波的發射能量至少低于基波能量50dB。所以，發射脈沖的占空比要求是準確的50%且誤差小于±0.2%。另一種方法稱為脈沖反相，利用反相后的發射脈沖產生同一圖像路徑的相位相反的兩路接收信號。在接收器中對這兩路反相接收信號求和，恢復由于人體非線性產生的諧波信號。這種脈沖反相的方法必須在疊加時盡可能抵消發射脈沖的反相成分。所以，高壓脈沖發生器的上升時間和下降時間必須嚴格一致。

成像通道接收機

超聲成像通道的接收機用于檢測二維(2D)信號以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號和頻譜PWD。接收機包括Tx/Rx開關、低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和模/數轉換器(ADC)。

Tx/Rx開關

Tx/Rx開關可以保護低噪聲放大器免受高壓發射脈沖的影響，同時在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發射機。該開關一般采用一組正確偏置的二極管陣列實現，當有高壓發射脈沖出現時，它們會自動閉合或斷開。Tx/Rx開關必須具備很快的恢復時間，以保證接收機在發射一個脈沖后能夠立刻開啟。這些快速恢復時間對于淺埋成像和提供低導通電阻確保接收靈敏度至關重要。

低噪聲放大器(LNA)

接收機中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對于設計合理的接收機，LNA將決定整個接收機的噪聲性能。傳感器單元通過較長的同軸電纜連接到相應的低阻抗LNA的輸入端。如果沒有適當的電纜終端匹配，電纜電容和傳感器單元的源阻抗將大大制約從寬帶傳感器接收信號的帶寬。傳感器電纜匹配至低阻，有助于降低這一濾波的影響，有效提高圖像質量。不幸的是，這種端接也降低了LNA的輸入信號，因而降低接收靈敏度。由此可見，為LNA提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。

可變增益放大器(VGA)

VGA有時也稱為時間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個接收周期內為接收機提供足夠的動態范圍。超聲信號在體內大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發射一個超聲脈沖后，可立即在LNA輸入接收到高達0.5VP-P的回波信號，該信號會快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號所要求的動態范圍約為100dB至110dB，超出了實際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號轉換成與ADC量程相當的信號幅度。典型應用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時間調整(即“時間增益控制”)，實現所要求的動態范圍。