AD9271—便攜式超聲的革命性解決方案

Rob Reeder 和 Corey Petersen

醫(yī)療超聲系統(tǒng)是當(dāng)今廣泛使用的更復(fù)雜的信號處理機器之一。雖然類似于雷達(dá)或聲納，但它們的射頻速度比雷達(dá)慢幾個數(shù)量級，比聲納快。自從早期基于推車的超聲系統(tǒng)開發(fā)以來，醫(yī)療行業(yè)已將這種實時技術(shù)用于早期發(fā)現(xiàn)健康問題和一般診斷程序。隨著時間的推移，超聲系統(tǒng)變得越來越便攜，有些甚至演變成超緊湊的手掌大小的設(shè)備。在不遠(yuǎn)的將來，超聲系統(tǒng)可能會成為專門的個人數(shù)字助理（PDA），盡管不像醫(yī)生的聽診器那么普遍。我們將在這里討論緊湊性的一些必要成分。

超聲系統(tǒng)架構(gòu)

超聲系統(tǒng)中常用的圖像采集方法是數(shù)字波束成形（DBF）。波束成形應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲，定義為從公共源產(chǎn)生但由多元件超聲換能器在不同時間接收的信號的相位對齊和求和。通過對 16 到 32 個（或更多）接收器通道進(jìn)行相移并相加以提取相干信息的陣列，波束成形具有兩個功能：它賦予換能器方向性——增強其增益——并定義體內(nèi)的焦點，從中得出返回回波的位置。在最簡單的狀態(tài)下，DBF 系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。每個傳感器元件的輸出被放大，轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并按順序排列。多個通道在空間上相加以顯影圖像。

圖1.典型DBF系統(tǒng)的簡化框圖。

DBF架構(gòu)優(yōu)于早期的模擬波束成形系統(tǒng)（ABF）（在轉(zhuǎn)換前使用可變延遲塊和模擬求和），因為它們往往具有更好的通道間匹配特性，并且更靈活。一旦信號被采集，就可以通過執(zhí)行數(shù)字操作（如波束控制和相干信號求和）來提高其質(zhì)量。使數(shù)字引擎更靠近超聲波傳感器，可以進(jìn)行比模擬系統(tǒng)更精細(xì)的調(diào)整。DBF是當(dāng)今最常用的架構(gòu)，盡管重大挑戰(zhàn)包括高功耗（由于大量通道）和尺寸 - 由于采集和產(chǎn)生精確信號通常需要大量組件。

直到最近，大多數(shù)DBF系統(tǒng)都是由許多組件組裝而成的，使用分立解決方案和多個IC。接收（Rx）信號鏈主要由低噪聲放大器（LNA）組成，其用作前置放大器;可變增益放大器（VGA），用作時間增益放大器，以補償身體組織對返回信號的衰減作為時間的函數(shù)（作為深度的代理）;抗混疊濾波器 （AAF）;和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。在常見的數(shù)字波束成形架構(gòu)中，這些組件需要多個副本。增加通道數(shù)可以改善動態(tài)范圍，只要通道噪聲是隨機的或不相關(guān)的。64 至 256 個通道的范圍對于高端系統(tǒng)很常見，而 16 到 64 個通道的范圍對于便攜式中低端超聲系統(tǒng)更為常見。

為什么要推動便攜式？

許多要求苛刻的應(yīng)用都可以實現(xiàn)提供實時掃描的輕量級便攜式緊湊型設(shè)備的優(yōu)勢。顯然，現(xiàn)場緊急醫(yī)療服務(wù)（EMS）團隊將更快地接觸到患者，并能夠在到達(dá)急診室之前發(fā)送結(jié)果。如果旅程很長，醫(yī)生可以在急診室等待患者時進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。在例行的辦公室訪問期間，全科醫(yī)生可以對患者進(jìn)行掃描作為檢查的一部分，而無需專家。

便攜性的提高提供了使用這些設(shè)備的機會，以便在可能沒有可靠電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)和村莊提供更好的醫(yī)療服務(wù)。

獸醫(yī)發(fā)現(xiàn)便攜式超聲可用于大型動物和寵物的現(xiàn)場診斷。它在豬和牛牧場也可用于現(xiàn)場診斷。

超聲波在無損檢測和預(yù)防性維護中也是一個不斷增長的市場。示例包括部署用于掃描橋梁梁、工業(yè)機械中的軸承和石油管道的系統(tǒng)。可以降低檢測成本，避免昂貴設(shè)備的關(guān)鍵停機時間。工業(yè)廠房中的便攜式掃描設(shè)備對于在潛在災(zāi)難性問題出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)它們至關(guān)重要。

采用便攜式超聲波當(dāng)然需要付出代價，無論是購買這些診斷、掃描和分析的設(shè)備，還是培訓(xùn)這些新設(shè)備的用戶。但在很多這樣的案例中，收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過成本。

利用AD9271節(jié)省空間、功耗和資金

ADI公司的基本子系統(tǒng)AD14（圖14）是ADI公司為滿足緊湊性要求而設(shè)計的基本子系統(tǒng)，×1 mm×2.9271 mm，匯集了采集2個通道數(shù)據(jù)所需的所有信號鏈模塊，大幅減少了電路板空間和功耗。與采用分立元件的解決方案相比，AD9271將每通道總面積減小1/3以上，功耗降低25%以上，在150 MSPS時每通道功耗僅為40 mW。AD9271還提供多種定制選項（可通過串行端口接口獲得），可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化功耗和可配置性。

圖2.AD9271原理框圖

AD9271采用8通道信號鏈，每個通道包括低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這是通常用于處理脈沖波模式下返回脈沖的接收鏈：用于灰度成像的B模式掃描和用于顯示血流的F模式（B模式顯示器上的彩色疊加層）。在脈沖波模式下，換能器在發(fā)射和接收之間交替，以形成周期性更新的二維圖像。

另一種常見的成像形式是連續(xù)波（CW）多普勒或D模式，用于顯示血流速度及其頻率。顧名思義，圖像是使用連續(xù)生成的信號生成的，其中一半換能器通道在傳輸，另一半在接收。CW具有精確測量高速血流的優(yōu)點，但它缺乏傳統(tǒng)脈沖波系統(tǒng)中的深度和穿透力。由于每種方法都有其自身的優(yōu)點和局限性，根據(jù)應(yīng)用的不同，現(xiàn)代超聲系統(tǒng)通常同時使用這兩種模式，而AD9271適用于這兩種模式。特別是，它允許用戶通過使用集成的交叉點開關(guān)在連續(xù)波多普勒模式下工作。該交叉點開關(guān)允許將相似相位的通道相干地相加成組，以進(jìn)行相位對齊和求和。AD9271支持低端系統(tǒng)的延遲塊，AD8339四通道解調(diào)器具有可編程相位調(diào)整功能，可實現(xiàn)最佳性能。AD8339允許對相位對齊和求和進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)整，以提高鏡像精度。該器件可輕松與外部連接，允許用戶壓縮需要非常大動態(tài)范圍的信號所需的更多信號鏈。

動態(tài)范圍和噪聲要求

當(dāng)高頻聲學(xué)信號穿透人體時，它們會衰減約1 dB/cm/MHz。例如，對于8 MHz探頭和4厘米深度穿透（并考慮出線和返回衰減），來自內(nèi)部組織的信號幅度變化將與表面附近的反射相差64 dB（或4 × 8 × 2）[延伸閱讀2]。增加50 dB的成像分辨率，并考慮到骨頭、電纜和其他不匹配造成的損耗，所需的動態(tài)范圍接近119 dB。從這個角度來看，在 0 MHz 帶寬內(nèi)具有 333.1nV/rt-Hz 本底噪聲的 4.10V p-p 滿量程信號意味著 88 dB 輸入動態(tài)范圍。通過使用多個通道[10 ×log（N通道）]可以實現(xiàn)額外的動態(tài)范圍，例如，128個通道將動態(tài)范圍增加21 dB。這為100 dB和120 dB之間的動態(tài)范圍設(shè)定了實際限制。

可實現(xiàn)的動態(tài)范圍受到前端組件的限制。由于不需要在所有時刻都要求整個動態(tài)范圍，因此可以通過掃描VGA的增益來匹配接收到的反射隨時間推移的衰減（與穿透深度成比例），從而使用小于全動態(tài)范圍的ADC。這稱為時間增益補償（TGC）。LNA設(shè)置可映射到ADC的等效動態(tài)范圍。AD9271在88 MHz帶寬（10 dB/rt-Hz）內(nèi)具有158 dB的等效動態(tài)范圍，使其能夠處理來自被掃描組織的非常小和大的信號（回波），如圖3所示。LNA的滿量程應(yīng)足夠大，以免近場信號飽和;本底噪聲越低，動態(tài)范圍越高。

圖3.12位ADC的TGC增益要求。

由于必須提高功率要求以處理較低的噪聲水平，因此由于功率限制，必須在便攜式應(yīng)用中做出一些妥協(xié)。雖然AD88的9271 dB動態(tài)范圍優(yōu)于競爭解決方案，但仍低于AD8332等更高功率的VGA產(chǎn)品，其折合到輸入端的噪聲為0.72 nV/rt-Hz，如表1所示。請注意，AD8332具有所示解決方案中最低的折合到輸入端的噪聲和最高的輸入動態(tài)范圍。沒有一種方法是理想的。盡管數(shù)字處理是當(dāng)今所有解決方案的基本特征，但組件的具體實施和選擇是每個超聲制造商專有的。

表 1.使用ADI公司元件的解決方案比較

結(jié)論

對于醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，便攜式超聲都有增長的趨勢。所有這些系統(tǒng)對偏遠(yuǎn)地區(qū)的緊湊性和便攜性都有類似的要求。AD9271在微型IC封裝中集成了適用于脈沖波和連續(xù)波多普勒系統(tǒng)的接收信號鏈的9271個通道，使便攜性越來越容易實現(xiàn)。AD<>注定將催生一系列產(chǎn)品，提供低功耗或更低噪聲的選項，在未來幾代產(chǎn)品中進(jìn)一步突破界限。

審核編輯：郭婷