MAX11905 ADC在超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

本應(yīng)用筆記討論了MAX11905 ADC在超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。它還討論了ADC所需的性能，以便為人體血液的速度測(cè)量提供最佳結(jié)果。

介紹

近年來(lái)，超聲接收器的性能有了顯著提高。這些先進(jìn)的技術(shù)得益于高信噪比（SNR）和低功耗ADC技術(shù)，使用戶能夠使用高分辨率20位或更高ADC，如MAX11905。此外，低輸入電壓噪聲密度放大器可用于驅(qū)動(dòng)這些ADC，并與它們配對(duì)以提供最佳性能。當(dāng)這些高SNR ADC與低噪聲驅(qū)動(dòng)器放大器耦合時(shí)，總SNR和總諧波失真（THD）將得到極大改善。新的高信噪比和低THDADC顯著增強(qiáng)了醫(yī)療超聲系統(tǒng)中的CWD性能。本應(yīng)用筆記概述了如何使用超聲測(cè)量血流量，并討論了CWD超聲系統(tǒng)應(yīng)用中使用的ADC為實(shí)現(xiàn)所需成像解決方案所需的性能。

概述

圖1顯示了超聲成像系統(tǒng)的典型框圖。該系統(tǒng)通常由換能器、高壓多路復(fù)用、高壓發(fā)射器、圖像路徑接收器、數(shù)字波束成形器、波束成形數(shù)字信號(hào)處理和顯示處理組成。相控陣超聲系統(tǒng)可以生成內(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的圖像，測(cè)量CWD部分的血流量，并通過(guò)將聲能傳輸?shù)襟w內(nèi)并接收和處理返回的反射來(lái)提供高度準(zhǔn)確的血流速度信息。毫無(wú)疑問(wèn)，超聲成像是最常執(zhí)行和最可靠的醫(yī)學(xué)成像程序之一，包括使用CWD測(cè)量血流，CWD連續(xù)分析從換能器發(fā)射并反射回來(lái)的超聲波。然后可以根據(jù)滴管效應(yīng)計(jì)算血流速度，類似于雷達(dá)速度探測(cè)器中使用的技術(shù)，并由治安官員用來(lái)確定車輛的移動(dòng)速度。

圖1.超聲成像系統(tǒng)的典型框圖。

圖2顯示了袖珍多普勒BV-520T雙向手持式血流速度檢測(cè)儀。

多普勒效應(yīng)

根據(jù)眾所周知的多普勒效應(yīng)，聲波或光波從聲源傳播的頻率與它們到達(dá)觀察者的頻率之間存在明顯的差異，這是由觀察者和波源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。當(dāng)超聲波源靜止時(shí)，檢測(cè)到的頻率與發(fā)射頻率相同。但是，如果波源在運(yùn)動(dòng)中，則觀察到的頻率會(huì)發(fā)生變化。如果觀察者向靜態(tài)源移動(dòng)，則會(huì)檢測(cè)到頻率增加。同樣，如果觀察者遠(yuǎn)離靜態(tài)源，則會(huì)看到頻率降低。然后可以根據(jù)該頻率的變化計(jì)算速度，如公式1所示，該公式在治安官員廣泛用于檢查移動(dòng)車輛速度的速度檢測(cè)器中實(shí)現(xiàn)。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱多普勒效應(yīng)。

VH= fD× C / （2 × fT)

其中，
VH： 車速
fD： 多普勒頻移頻率
C： 光
速 fT：發(fā)射頻率

基于這種著名的多普勒效應(yīng)的相同技術(shù)也用于超聲醫(yī)療應(yīng)用，例如CWD，這是大多數(shù)心臟和通用超聲成像系統(tǒng)中可用的方法，用于精確測(cè)量通常在心臟中發(fā)現(xiàn)的血流速度。多普勒效應(yīng)是一種非常靈敏和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。因此，它不僅可以用于研究血流，還可以用于測(cè)量組織運(yùn)動(dòng)。CWD的工作原理是超聲波的持續(xù)發(fā)射和接收，這可以通過(guò)兩個(gè)專用于發(fā)送和接收超聲波信號(hào)的換能器元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。此外，多普勒?qǐng)D像也是實(shí)時(shí)生成的，這使得它們對(duì)超聲應(yīng)用非常有用。

對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，變送器的來(lái)源是超聲波，而不是等式2所示的光。

VB= fD× Vs/ （2 × fT)

其中，
VB： 血流速度
fD： 多普勒頻移頻率
VS： 超聲波
速度 fT：發(fā)射頻率

在S= 1540米/秒和華氏度T= 2MHz至18MHz是典型的已知值。因此，一旦獲得多普勒頻移頻率，就可以確定血流速度VB。MAX11905專門設(shè)計(jì)用于測(cè)量這種頻率偏移。

例如，如果 VS=1540米/秒，F(xiàn)T=2MHz 和 fD=500Hz （由MAX11905 ADC測(cè)量），血流速度測(cè)定如下：

在B= fD× VS/ （2 × fT)
在B= 500 × 1540 / （2 × 2 × 106)
在B= 19.25厘米/秒

使用MAX11905進(jìn)行精密頻率測(cè)量

CWD接收器通常采用圖1所示的兩種方式之一。在一種方法中，高性能超聲系統(tǒng)通常在低噪聲放大器（LNA）輸出端提取接收到的CWD信號(hào)。然后，使用本振（LO）頻率等于發(fā)射頻率的復(fù)數(shù)混頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束成形，并將其混頻到基帶進(jìn)行處理。I/Q LO的相位可以逐通道調(diào)整，以改變接收到的CWD信號(hào)的相位。然后對(duì)這些混頻器的輸出信號(hào)求和，帶通濾波，并由ADC轉(zhuǎn)換。由此產(chǎn)生的基帶波束成形信號(hào)頻率范圍通常為100Hz至50kHz。因此，采用該輸入頻率范圍設(shè)計(jì)的ADC（如MAX11905）可以接受高于100KHz的輸入頻率，用于對(duì)I和Q CWD信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。這些ADC需要以下特性才能獲得最佳性能：

精密測(cè)量：為了精確測(cè)量頻率，需要具有16位分辨率或更高分辨率且采樣速率至少為最大信號(hào)頻率10倍的ADC，例如MAX11905 20位、1.6Msps ADC。此外，為了提供最佳的輸入信號(hào)調(diào)理，使用高速和低噪聲放大器（如MAX4430）來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC。

低功耗：超聲CWD接收器是便攜式的，如圖2所示。此外，一個(gè)典型的系統(tǒng)有多達(dá)幾百個(gè)發(fā)射器和接收器。因此，低功耗非常重要。

高動(dòng)態(tài)范圍：ADC需要較大的動(dòng)態(tài)范圍來(lái)處理來(lái)自移動(dòng)組織的大多普勒信號(hào)和來(lái)自血液的較小信號(hào)。此外，人體非線性過(guò)程產(chǎn)生的諧波信號(hào)，特別是二次諧波信號(hào)很強(qiáng)。因此，ADC必須能夠抑制這些諧波。

高信噪比：ADC需要高信噪比來(lái)平衡人體中的高信號(hào)衰減。

小尺寸：超聲CWD接收器是便攜式的。因此，尺寸確實(shí)很重要。

MAX11905專門設(shè)計(jì)用于滿足這五個(gè)要求，使其成為可靠、精密超聲應(yīng)用的理想ADC。

MAX11905為20位、1.6Msps、單通道、全差分逐次逼近寄存器（SAR）ADC，內(nèi)置基準(zhǔn)緩沖器。該器件采用超低功耗設(shè)計(jì)，可直接隨采樣速率進(jìn)行縮放，在 9.1Msps 時(shí)僅 6mW，如圖 3 所示。此外，該ADC還提供出色的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，高SNR約為98.4dB，低THD約為-123dB，如圖4所示。此外，MAX11905采用4mm x 4mm小封裝。

圖3.MAX11905電流消耗與采樣速率的關(guān)系

圖4.MAX11905 THD性能維護(hù)應(yīng)用

結(jié)論

為了準(zhǔn)確測(cè)量醫(yī)療超聲系統(tǒng)中的血流量，需要MAX11905等精密ADC。該器件具有20位分辨率和1.6Msps的高采樣率，專門設(shè)計(jì)用于精確捕獲和測(cè)量來(lái)自CWD接收器的頻率信號(hào)。此外，MAX11905 ADC可接受大于100KHz的輸入信號(hào)頻率，可提供出色的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，設(shè)計(jì)用于接受全差分輸入信號(hào)，以提供所需的高SNR。此外，MAX11905具有極低的功耗和小封裝，這對(duì)于便攜式醫(yī)療系統(tǒng)至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷