超聲成像中的模擬和混合信號組件的研究

簡介

現(xiàn)代技術(shù)正在推動醫(yī)療超聲波機(jī)器達(dá)到新的性能高度，從而使圖像具有更高的清晰度和分辨率。超聲用于心臟，產(chǎn)科和許多其他診斷區(qū)域的成像。即使機(jī)器的能力增加，機(jī)器的成本也會降低。雖然超聲波在很大程度上依賴于數(shù)字處理，但其性能的關(guān)鍵在于高度模擬技術(shù)。我們將在這里研究超聲成像中使用的模擬和混合信號組件的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，由于每個元素本身都需要一個章節(jié)或一本書來為系統(tǒng)設(shè)計者提供完全有用的信息，因此本文旨在提供概述并提供對醫(yī)學(xué)超聲結(jié)構(gòu)的基本了解。

獲取圖像

圖像是通過以下方式獲得的：將一束狹窄的聲能掃入生物體內(nèi)，并分析身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)反射回來的能量模式，就像搜索雷達(dá)一樣。由于接收換能器處理模擬信號，但分析是以數(shù)字方式進(jìn)行的，因此信號必須數(shù)字化。將電脈沖施加到壓電陶瓷元件以產(chǎn)生2到20MHz的發(fā)射頻率的能量。使用的頻率取決于應(yīng)用。較高的頻率提供最佳分辨率但穿透較少，因為它們在信號穿過身體時衰減得更快。高頻脈沖的強(qiáng)度有限，因為過量的電量對患者來說是不健康的。最常用的頻率范圍為2到7 MHz。

返回電平范圍從身體表面附近的1-V回波到身體深處的圖像小于10μV。信號通過電纜傳導(dǎo)到手持件中的陶瓷元件和從前端電子器件傳導(dǎo)到前端電子器件，該電纜將受到噪聲和衰減。寬范圍的信號必須放大到2 V，以驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器。為此，使用時間增益補(bǔ)償（ TGC ）放大器。它將通過指數(shù)因子放大信號來補(bǔ)償指數(shù)信號衰減，該指數(shù)因子取決于機(jī)器等待返回脈沖的時間。

功率電平，使用的頻率，放大和光束聚焦決定了圖像的清晰度。這些東西由超聲醫(yī)師（技師）控制，與系統(tǒng)的固有屬性相互作用。

使用的成像模式

1。 灰度 - 生成基本的黑白圖像。它將解決小至1毫米的偽影。通過發(fā)射能量脈沖并分析返回能量（如上所述）來進(jìn)行顯示。

2。 多普勒 - 醫(yī)學(xué)多普勒超聲的最佳類比是彩色多普勒天氣雷達(dá)。顧名思義，多普勒模式通過跟蹤返回信號的頻移來檢測運(yùn)動中物體的速度。這些原理適用于檢查體內(nèi)血液或其他流體。它是通過將連續(xù)波傳輸?shù)襟w內(nèi)并產(chǎn)生返回的快速傅立葉變換（FFT）來實現(xiàn)的。計算過程將確定來自身體的信號的頻率分量以及它們作為流體速度的函數(shù)的關(guān)系。一個箱包含基本發(fā)射頻率，而其他箱包含多普勒頻移。通常采用4倍過采樣。

3。 靜脈和動脈模式 - 他們將多普勒與灰度模式結(jié)合使用。首先，將找到靜脈或動脈的圖像。操作員將在其周圍的小光標(biāo)窗口中撥號。然后，多普勒接合在光標(biāo)區(qū)域內(nèi)。如上所述，將測量發(fā)射信號的多普勒頻移。音頻也將與光標(biāo)圖像一起使用。靜脈流產(chǎn)生嘩嘩的聲音（如瀑布），而脈搏的砰砰聲則表示動脈血流。同時，血流速度將顯示在數(shù)字讀數(shù)上。竇性心律將在屏幕上顯示為X-Y圖。通過處理來自多普勒頻移的音頻信號獲得速度和節(jié)奏顯示。

整個系統(tǒng)

框圖（圖1）顯示了系統(tǒng)的元素：傳感器，多路復(fù)用器，發(fā)射器及其波束形成裝置，發(fā)射/接收（T / R）開關(guān)，低噪聲放大器，信號和圖像處理顯示器，音頻，A / D轉(zhuǎn)換器及其驅(qū)動器，TGC放大器。在目前的技術(shù)水平下，機(jī)器可以使用多達(dá)256個通道（包括256個陶瓷元件，放大器，ADC等）

探頭及其傳輸信號

每個通道的探頭都有一個陶瓷元件（最多256個）。這些元件由壓電陶瓷材料制成，例如鋯鈦酸鉛。

在某些設(shè)計中，每當(dāng)脈沖發(fā)出約100 ns的短發(fā)射脈沖時，脈沖就會以幾個周期的脈沖串振（“ping和環(huán)”）。激發(fā)脈沖幅度大約為100 V.脈沖的大小將決定射入患者體內(nèi)的能量。

為了使失真最小化，一些系統(tǒng)發(fā)送高斯脈沖。圖2對比了寬帶脈沖在體內(nèi)反彈后的失真頻譜。它的光譜與發(fā)射脈沖的光譜幾乎沒有相似之處?；蚊}沖將顯示諧波失真和不需要的偽造偽像。另一方面，對發(fā)射的高斯脈沖頻譜的響應(yīng)看起來與沒有旁瓣的情況大致相同。

激勵脈沖可能是DAC的輸出，通過數(shù)字合成器給出所需形狀的信號。然后，低幅度脈沖將被放大到所需的幅度（大約100 V）。

接收器必須具有寬帶寬，以適應(yīng)DSP的FFT計算中必須處理的各種復(fù)雜頻率。快速邊緣速率增加了對帶寬的需求。

波束轉(zhuǎn)向和聚焦

在雷達(dá)的舊時代，盤子或香蕉形天線會旋轉(zhuǎn)，尋找所有目標(biāo)方向。當(dāng)它慢慢地掃過時，磁控管會向天空發(fā)射能量脈沖。以光速行進(jìn)，在天線不同步之前，反射的能量將返回到接收器。如今，旋轉(zhuǎn)是由相控陣產(chǎn)生的。通過改變天線輻射器之間信號的相位和功率來操縱光束，并且光束在沒有任何移動部件的情況下掃過天空。

這與醫(yī)學(xué)超聲掃描光束的方法相同。身體周圍的聲能。在傳遞到換能器頭中排列的壓電元件的能量脈沖之間將存在編程的相位和幅度偏移。這將導(dǎo)致沿著線進(jìn)入體內(nèi)的入射能量束。光束會像天空中的雷達(dá)一樣在身體中來回掃過。

Mux和T / R開關(guān)

要傳輸?shù)男盘柋仨殢?a href="http://wenjunhu.com/tags/功率放大器/" target="_blank">功率放大器傳遞到陶瓷，接收信號從陶瓷傳遞到接收器。由于100 V發(fā)送和微伏級接收信號必須通過同一根電纜，因此需要一個T / R開關(guān)（發(fā)送/接收）和多路復(fù)用器（多路復(fù)用器）來控制信號。

接收器光束形成

通過延遲每個通道來聚焦光束，以便來自焦點(diǎn)（或 區(qū)域的返回脈沖>）同時到達(dá)處理器（參見圖3）。機(jī)器將建立由操作員設(shè)定的焦點(diǎn)區(qū)域。波束形成目前使用模擬和/或數(shù)字技術(shù)完成。機(jī)器將調(diào)整焦點(diǎn)計算掃描線位置所需的延遲。它將通過使用每個通道聚焦圖像所需的延遲來計算顯示器的相應(yīng)像素。較新的機(jī)器具有多個聚焦區(qū)域。

時間增益控制（TGC）

TGC（時間增益補(bǔ)償）放大器是超聲信號路徑中的關(guān)鍵鏈路。它必須具有放大信號的能力，范圍從幾微伏到1伏，高達(dá)一到兩伏的ADC。沿每條發(fā)送/接收掃描線，該增益將呈指數(shù)增加。在楔形的近端，增益將非常低。在100 V陶瓷激勵脈沖之后，它必須立即處理1-V返回信號。隨著激勵脈沖通過后的時間，增益將被掃描到非常高的水平。這必須在保持非常低的噪聲的同時完成，以避免掩蓋來自身體深處的低電平信號。操作員將調(diào)整TGC放大器控制以改善圖像質(zhì)量。 AD604可變增益放大器廣泛應(yīng)用于此應(yīng)用，具有兩個通道，可接受線性時間掃描，并在48 dB范圍內(nèi)產(chǎn)生指數(shù)增加的增益（功率比接近100,000：1）。

A / D轉(zhuǎn)換器

ADC的輸入端存在許多噪聲源，包括人體組織，增益級和電纜噪聲。作為鏈中的最后一環(huán)，重要的是ADC本身具有低噪聲。不得將其噪聲與來自其他組件的幸存信號混淆。通過使用更高分辨率的轉(zhuǎn)換器來改善量化噪聲。許多超聲系統(tǒng)使用10位轉(zhuǎn)換器，理論量化噪聲為-61.7dB。較新的機(jī)器正在使用12位轉(zhuǎn)換器，這使理論量化噪聲降至<73dB。

許多超聲設(shè)計人員都關(guān)注諧波失真和接近基波的頻率下的偽像。與測量超速本田速度時處理大頻移的州警察多普勒雷達(dá)不同，超聲系統(tǒng)測量靜脈或動脈血液速度的多普勒模式產(chǎn)生的移位僅為幾赫茲。在FFT圖中，基頻尖峰基極附近的區(qū)域必須非常安靜，并且沒有通常由ADC或系統(tǒng)時鐘抖動引起的雜散信號，以免掩蓋這種偏移。轉(zhuǎn)換器的線性度對多普勒超聲的質(zhì)量也很重要。

ADC中的低互調(diào)失真將有助于防止多普勒的各種諧波偽影從混合返回形成別名或增加形成大雜散。身體內(nèi)部的反射信號可以被認(rèn)為是多音信號。如果ADC具有較差的諧波失真特性，則音調(diào)將與ADC的諧波相結(jié)合，這可能使低幅度返回信號相形見絀。

許多超聲波制造商使用4倍過采樣來改善信噪比降低抗混疊濾波器的復(fù)雜性。然而，12 MHz乳腺X射線攝影機(jī)需要優(yōu)于48 MHz以適應(yīng)系統(tǒng)。過采樣率取決于信號處理鏈處理數(shù)據(jù)流的能力。

顯示

掃描點(diǎn)后，必須顯示它們現(xiàn)在考慮機(jī)器如何放置屏幕上的圖像。它將基于手持件中陶瓷行中元素與元素之間的時間延遲來計算屏幕上目標(biāo)的位置。它根據(jù)信號從每個陶瓷元件返回的時間來判斷深度。像素值將從存儲器中讀出并調(diào)制CRT跡線。

機(jī)器必須計算每個陶瓷元件的位置。指向并添加顏色。也許它會將幾個接收的掃描平均在一起。然后它將在扇形顯示器的頂部開始CRT掃描。

諧波成像

從更高頻率獲得更高的分辨率，同時改善深度的困境穿透與能量水平，使用諧波成像。諧波成像通過處理基本發(fā)射脈沖的二次諧波來收集增加的分辨率。諧波由組織本身或注射到組織中的造影劑的使用產(chǎn)生。該技術(shù)將對放大器和ADC施加壓力，通過保持低諧波失真來最大限度地減少額外的諧波。

未來組件要求

對低功耗組件的持續(xù)需求。在醫(yī)院的早期階段，便攜式設(shè)備意味著笨重的機(jī)器有大輪子，并且它可以由醫(yī)院房間的120V / 15安培插座供電，而不是放射學(xué)中的220V / 30-A插座。如今，人們越來越關(guān)注在緊急車輛中安裝超聲波并使其真正便攜。組件設(shè)計的趨勢支持這種動力。例如，之前的高速10位ADC的功耗> 400mW。當(dāng)近距離有256個轉(zhuǎn)換器時，這是很大的功率。相比之下，10位，40 MSPS AD9203的功耗僅為75 mW。

成本比幾年前降低了2到3倍。這樣可以實現(xiàn)更高分辨率，更快速的ADC，例如低成本，12位65 MHz AD9226。