一種經改造的醫療超聲波系統設計

引言

　　由于其安全性、低成本和實時性能，超聲波成像堪稱是一種重要的醫療成像方法。傳統的超聲波成像系統使用 2～15MHz 的頻率，精度可精確到毫米。它們被廣泛地運用于對胎兒進行監測，以 及對諸如心臟、肝臟、膽囊、脾臟、胰臟、腎臟以及膀胱等人體內部器官的疾病進行診斷。由于超聲波系統的大通道數量和大信號處理要求，傳統的控制臺型超聲波系統在過去的 20 多年里主導了 醫療超聲波應用。老年人口、日益增長的醫療保健成本和新興經濟的需求導致了對創新型醫療解決方案需求的急劇增長。

　　具有更高性能以及更低價格的成熟的半導體技術（例如：數字信號處理器 (DSP)）不但大大地推動了醫療成像設備的發展，而且還促進了醫療超聲波成像系統的小型化。另外，縮小系統尺寸并 不意味著性能的降低。小型化的超聲波系統（即便攜式超聲波系統）可以實現和傳統控制臺型超聲波系統一樣的性能。目前的便攜式超聲波系統可提供較好的成像質量，以幫助醫生們進行準確、及時的診斷。因此，便攜式系統在諸如及時創傷診斷和急診及治療等應用中發揮著越來越重要的作用。由于越來越多的超聲波設備廠商致力于開發便攜式超聲波系統，因而只有那些能夠更為迅 速地推出產品的廠商才能獲得更多的市場份額。

　　超聲波模擬前端 (AFE) 和小尺寸、高性能 DSP 都是超聲波設備廠商所需要的。更為重要是，超聲波設備廠商們正迫切需要一種可以和各種系統共享的設計，以最短化它們的開發周期時間并 加速產品上市進程。

　　超聲波系統結構

　　超聲波系統因其功能和性能不同而各異。例如，3D、4D 和諧波成像模式通常被用于高端系統，而只有 2D B-模式成像和頻譜多普勒可能被用于一些低端系統。功能差異主要取決于數字后端。高 端超聲波系統要求更多和更快的計算能力，其需要具有接近實時信號處理的高端 DSP。很明顯，在高端便攜式系統之間實現共享信號處理單元是非常困難的。但是，在不考慮不同性能要求的情況 下，超聲波系統通常擁有相似的接收通道架構。

　　如圖 1 所示，超聲波系統的接收模擬前端由一些通用模塊組成，如：低噪聲放大器 (LNA)、時間增益控制 (TGC) 放大器、電壓控制放大器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、低通濾波器以及模數 轉換器 (ADC)。無論是哪種情況，AFE 的性能都會極大地影響整個系統的性能。因此，只要有能夠在一個引腳對引腳兼容的封裝中滿足不同性能要求的 AFE 產品，那么 AFE 設計就可以被標準化 并在各種系統中得到重復使用。這種標準化可以在中低端系統很容易地得到實現，這些系統中不需要特別的模擬信號調節。

圖 1 超聲波系統結構圖

　　但是，目前大多數的 AFE 產品都無法滿足超聲波廠商的這種需求。因此，我們必須選擇一些單獨的芯片來滿足袖珍式和控制臺式系統的不同性能要求。例如，雖然可以容忍控制臺式系統的高 功耗，但是必須要實現更低的噪聲，反之亦然，從而必須進行重新設計。

　　現在，市場上出現了一些新型的 AFE 器件，例如：TI 推出的 AFE5805，其允許超聲波廠商標準 AFE 設計。這些具有相同外引腳的器件主要用于從便攜式到控制臺式的各種超聲波系統。引腳對 引腳兼容意味著，超聲波設備廠商不但可以設計出創新的產品，同時能夠極大地節約成本并加速產品上市進程。

　　模擬前端特性與系統性能

　　設計超聲波系統是一項復雜的工作，且 AFE 的每一種特性都能影響到整個系統的性能。針對每一種系統類別平衡各種參數的能力無疑是一種藝術。

　　就便攜式超聲波系統而言，功耗是一個至關重要的考慮因素。低功耗就是說利用有限的電池電源可獲得更長的工作時間。雖然這些性能的降低通常是在便攜式（低端）系統可接受的范圍內，但 是其會影響到其他參數，如：輸入信號范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等。