關(guān)于高壓模擬開關(guān)在醫(yī)學(xué)超聲成像的應(yīng)用的分析和介紹

醫(yī)學(xué)超聲成像是一種利用高頻聲波來檢查人體內(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的非侵入性方法。通過向人體發(fā)射聲波并接收聲波的回波，來生成超聲波圖像。鑒于人體的聲學(xué)特性，一般醫(yī)學(xué)超聲成像的最佳頻率范圍為1.0MHz ~ 12.0MHz。

為了產(chǎn)生聲波，需要使用到壓電換能器 (PZT) 。在PZT上施加電壓，PZT會發(fā)生物理上的膨脹和收縮，從而將電能轉(zhuǎn)換成聲能。PZT需要通過高壓脈沖信號來激發(fā)，信號發(fā)射器可以產(chǎn)生振幅高達±90V、電流達到±2.0A的脈沖信號。同時，PZT還用于將接收到的聲波回波轉(zhuǎn)換為電信號，即接收信號。通過對接收到的信號進行處理和分析，可以構(gòu)建出相應(yīng)的超聲影像。

為了更好地理解具體操作原理，我們先研究單通道PZT是如何工作的。

如圖1所示，在傳輸周期內(nèi)，信號發(fā)射器產(chǎn)生了一個5 MHZ的±90 V高壓脈沖信號，并作用在PZT上。從而，PZT會產(chǎn)生一個5MHz的聲波進入人體，然后接收器開始監(jiān)聽回聲。聲波在人體內(nèi)的傳播速度為平均1.54mm/μs。為了創(chuàng)建一個距離PZT 10mm的監(jiān)測對象的圖像， 聲波到達對象的時間計算公式為：10mm/ (1.54mm/μs) = 6.49μs。同樣，聲波回聲從監(jiān)控對象返回PZT還需要6.49μs。所以，對于一個距離PZT 10mm處的成像對象，接收到信號的時間為12.98μs。因此，當(dāng)成像對象遠離PZT時，接收周期的時間持續(xù)時間更長。一旦接收到所有的回波，就可以構(gòu)造出一行圖像。

圖1: 單通道壓電換能器（PZT）舉例

接收器是一種高性能、低噪聲的低壓設(shè)備，如果將發(fā)射器產(chǎn)生的高壓脈沖直接加到其輸入端，很容易損壞接收機。圖1中在Rx前端加入了一個T/R SW模塊，它是一個發(fā)射/接收開關(guān)，用于阻擋高壓發(fā)射脈沖，但允許低壓接收信號進入接收機的輸入。PZT變換出來的電壓通常幅值比較低, 小于±500 mv。

我們剛才介紹了一路PZT的成像原理，若想要創(chuàng)建一個二維圖像，就需要一個PZTs陣列。超聲波探頭就是用于放置PZTs陣列的。

實際應(yīng)用中，我們會看到許多不同類型的超聲探頭，比如：腹部探頭、心臟探頭和兒科探頭等，都是專門為不同應(yīng)用場景設(shè)計的。PZTs的數(shù)量可以根據(jù)探測類型的不同而變化，范圍從128 PZTs到512 PZTs。本文以192個PZTs陣列的探頭為示例。

圖2是一個典型的192通道PZTs的醫(yī)用超聲系統(tǒng)。理論上講，192路PZTs需要配192路發(fā)射器、接收器和T/R開關(guān)組。這樣設(shè)計的話，電路非常繁復(fù)，成本也非常高。所以，引入了高壓開關(guān)這個器件，高壓模擬開關(guān)的主要作用就是選擇和切換, 將發(fā)射器、接收器和T/R開關(guān)組復(fù)用到不同的PZT上。高壓模擬開關(guān)的使用，可以大大降低整體方案的成本，功率以及設(shè)備體積。

圖2：典型192通道PZTs的醫(yī)用超聲系統(tǒng)

在圖2的示例中，電路中有64組發(fā)射器、接收器和T/R開關(guān)，每組驅(qū)動三路PZT。模擬開關(guān)組對應(yīng)64組發(fā)射機、接收機和T/R開關(guān)，首先驅(qū)動PZT1到PZT64。64個發(fā)射器向PZT1到PZT64發(fā)送高壓脈沖，然后，系統(tǒng)等待接收所有從PZT1到PZT64的所有回波。在下一個周期中，模擬開關(guān)將64組發(fā)射機、接收機和T/R開關(guān)重新選擇，以驅(qū)動PZT2到PZT65。64個發(fā)射機向PZT2 - PZT65發(fā)送高壓脈沖，系統(tǒng)等待接收PZT2 - PZT65的所有回波。通過模擬開關(guān)，發(fā)射、接收和重新選擇這系列動作重復(fù)進行，每次都會更新一路PZT的增量。完成192個周期后，可以在50ms左右構(gòu)建一幀圖像。

傳統(tǒng)方案中，高壓模擬開關(guān)通常放在設(shè)備內(nèi)。現(xiàn)在一些方案中，也會把模擬開關(guān)放在探頭內(nèi)部。它的主要好處是可以大大減少同軸電纜的數(shù)量。比如：192路PZTs的超聲探頭，通過使用3組模擬開關(guān)，同軸電纜的數(shù)量可減少三分之二。與192根同軸電纜相比，PZTs只需要64根同軸電纜，同時，邏輯電源和I/O接口只需要10根或更少的同軸電纜。同軸電纜非常昂貴，同軸電纜數(shù)量的減少使得超聲探頭的成本大大降低。除了材料成本外，連接同軸電纜的人工成本也很高。

高壓開關(guān)放在探頭內(nèi)部的另一個好處是，探頭變得更容易操作，減少了探頭疲勞。探頭通常有嚴(yán)格的空間和散熱限制。外殼是防水的，同時它必須使用后浸泡在酒精中進行消毒，這使得很難去除探頭內(nèi)產(chǎn)生的熱量。高壓開關(guān)的使用，通過消除高壓電源，消除了同軸電纜上高壓直流線路的安全隱患。同時，降低了功率損耗，減少了探頭疲勞。

圖3顯示了傳統(tǒng)模擬開關(guān)與MPS模擬開關(guān)的基本區(qū)別。

傳統(tǒng)的高壓模擬開關(guān)電路額外需要+100V和-100V兩個高壓電源。通過模擬開關(guān)的脈沖信號必須在高壓電源的10V范圍以內(nèi)。比如：對于±100 V高壓電源, 脈沖信號的最大傳輸電壓±90V。這兩個高壓電源電路比較復(fù)雜，在電路中專供給傳統(tǒng)模擬開關(guān)使用，系統(tǒng)中其他地方并不需要它們。這兩路高壓電源由于電壓比較高，必須考慮保護電路，以消除各種故障情況下的沖擊風(fēng)險，如絕緣損壞。為了安全操作，需考慮通斷電順序。還必須對其進行監(jiān)控，如果高壓電源的電壓水平過低，還需調(diào)整發(fā)射器脈沖信號電壓。

圖3: 傳統(tǒng)模擬開關(guān) vs. MPS 模擬開關(guān)

MPS公司的產(chǎn)品----MP4816A，是一顆16通道高壓模擬開關(guān)，僅需使用10V電源而不是兩個高壓電源。這就消除了對兩種高壓電源的需求，大大降低了電源設(shè)計的復(fù)雜性，降低了功耗。與兩個高壓電源相關(guān)的輔助電路，如增壓器、降壓器和電壓監(jiān)視器也被取消。這提供了一個成本更低、體積更小、可靠性更高的系統(tǒng)。