超聲成像系統的功能介紹及電子元件的設計選型

超聲接收機的瞬態動態范圍也很關鍵，它會影響2D圖像的質量和系統檢測多普勒偏移(血液或組織的運動)的能力，尤其是在二次諧波成像系統中，感興趣的二次諧波信號明顯低于發射信號的基波。對于小的多普勒信號同樣如此，多普勒信號頻率可能在1kHz以內，幅度遠遠低于組織或血管壁的反射信號。因此，需要特別關注可變增益放大器的帶寬和近載波SNR，這些參數通常是制約接收機性能的關鍵。

抗混疊濾波器(AAF)和ADC

抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常最大成像頻率范圍的信號，防止這些信號通過ADC轉換混疊至基帶。設計中大多采用可調節的AAF，為了抑制混疊并保證信號的時域響應，濾波器需要對第一奈奎斯特頻率以外的信號進行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。

典型應用中采用12位ADC，采樣率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的瞬態動態響應范圍，同時具有適當的成本和功耗。在設計得當的接收器中，ADC會限制接收通道的瞬態SNR。如上所述，性能差的VGA會限制整個接收通道的SNR指標。

數字波束成形器

ADC的輸出信號通過高速LVDS串口傳輸給數字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了PCB的設計復雜度和接口引腳數。波束成形器內置上變頻低通濾波器或帶通數字濾波器，這些濾波器把有效采樣速率提高4倍，提高了系統波束成形的精度。上變頻信號存儲在內存中，經過適當的延時，通過延遲系數加法器進行疊加，得到合適的焦點。信號還進行適當的加權或“變跡”，在疊加之前進行變跡，可以調節接收孔徑，降低旁瓣對接收波束的影響，提高圖像質量。

波束成形的數字信號處理

接收到的波束成形數字超聲信號由DSP和基于PC的設備進行處理，得到視頻和音頻輸出信號。這一過程通常可以劃分為B超或2D圖像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理，多普勒處理又分為脈沖多普勒(PWD)處理和連續波多普勒(CWD)處理。

B超處理

B超處理中，RF波束成形數字信號經過濾波和檢波處理。檢測信號具有極寬的動態范圍，B超處理器必須將這些信號進行數字壓縮，使其達到顯示器規定的動態范圍。

彩超流體信號處理

在彩超流體信號處理中，RF數字波束成形信號與正交本振信號(LO，頻率為發射頻率)進行混頻，得到I、Q基帶信號。每個接收通道采集的超聲信號都有對應的幅度和相位。彩超流體信號處理中，8至16路超聲信號集中在一個成像通道，測量多普勒頻移。血液流動或沿成像通道的組織移動產生的反射信號具有一定的多普勒頻移，從而改變了I/Q基帶采樣信號的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的8至16路超聲信號的平均相移和時間關系。處理器還用彩色表示平均流速。通過這種方法，實現了血液或人體組織移動的二維造影成像。

多普勒頻譜

頻譜處理中，波束成形數字信號經過數字濾波，并通過正交本振信號(LO，頻率為發射頻率)混頻至基帶信號，然后以發射脈沖重復頻率(PRF)進行采樣。利用復雜的快速傅里葉變換(FFT)獲得多普勒頻譜，以重現接收信號的速度信息。FFT輸出的每個二進制信號幅度經過計算和壓縮，使其達到顯示圖像所要求的動態范圍。最終信號幅度作為時間函數，顯示在超聲設備的顯示屏上。

在連續波多普勒(CWD)成像系統中，信號處理的過程基本相同。除了處理這些顯示信號外，頻譜處理器還產生左、右聲道的立體聲音頻信號，表示正向和負向運動。DAC對這些信號進行轉換，驅動外部揚聲器和耳機。

顯示處理

顯示處理器進行必要的計算，繪制極坐標圖。B超中的聲音、圖像數據或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號。這一過程通常稱為R-θ變換，顯示處理器還提供空間圖像增強功能。

連續波多普勒(CWD)

多數的心臟檢查和一些通用的超聲成像系統中，常常使用連續波多普勒CWD以確保精確測量心臟內高速流動的血液。CWD模式下，超聲傳感器單元以傳感器孔徑為中心分割成對等的兩部分。一半單元用于發射，產生CWD聚焦波束;另一半單元用于接收，產生聚焦的接收波束。發射單元的驅動波形為多普勒頻率的方波，頻率范圍通常為1MHz至7.5MHz。發射波形的抖動必須足夠小，以防止相位噪聲對多普勒頻移檢測的影響。通過正確調整發射波形的相位，實現發射波束聚焦。類似地，通過正確調整接收波形的相位并進行疊加，實現CWD接收信號聚焦。在此模式下，發射和接收同時進行，有用的多普勒信號頻率和不移動的人體組織在發射基波頻率下產生的強反射信號的頻率相差只有幾kHz。處理如此大的信號所需要的動態范圍已經超出了圖像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的范圍。因此，CWD必須使用其它高動態范圍接收解決方案。

CWD接收機通常使用兩種方法處理CWD信號。第一種方法是高性能超聲系統在LNA輸出端提取接收到的CWD信號。本振頻率等于發送頻率的混頻器對信號進行波束成形，再混頻至基帶進行處理。I/Q本振信號可以逐通道調整相位，對接收到的CWD信號相位進行偏移。混頻器輸出相疊加，經帶通濾波器，最后進入ADC進行采樣。采樣得到的基帶波束信號處于音頻范圍(100Hz至50kHz)，采用工作在音頻頻率范圍的ADC對I和Q CWD信號進行數字化。這些ADC需要出色的動態范圍，以便處理運動組織產生的較大的低頻多普勒信號和血液產生的微弱信號。

另一種方法是使用延遲線接收CWD信號，該方法常用于低成本設備。在此方法中，信號還是從LNA輸出提取，然后轉化成電流信號。通過一個交叉開關對相同相位的通道進行疊加，產生8至16路獨立輸出，具體由接收波束成形器決定。延遲線產生延遲，并將這些信號求和構成一路波束成形RF信號，然后利用一個本振頻率等于發送頻率的I/Q混頻器將信號混頻至基帶，然后將基帶音頻信號濾波后，轉換至數字形式。