集成多通道設備的進步正在降低用于醫療保健和工業應用的便攜式低功耗超聲系統的功耗、尺寸和成本。

在 1990 年代初期，現代筆記本電腦大小的“便攜式”電話（有時稱為“包式電話”）被廣泛使用。不到二十年后，口袋大小的手機可以發送電子郵件和短信，拍照，獲取股票報價，預約，當然，還可以打電話給世界上任何地方的任何人。同樣，在醫療領域，早期所謂的“便攜式”超聲系統是基于推車的，功率高，而且成本極高。幸運的是，多年來，超聲系統也受益于硅集成和功率縮放方面的突破。

這些突破產生了更便攜、更高效的超聲系統，具有改進的圖像性能和更多的功能。更高的動態范圍、更低的功耗和更緊湊的系統級IC可提供高質量的圖像，從而實現更好的診斷。未來的超聲系統很可能成為手持式，成為醫生的第二個“聽診器”。

超聲信號鏈

圖1顯示了超聲系統信號鏈的簡化圖。所有超聲系統在相對較長的電纜末端使用換能器，通常約為兩米。該電纜包含至少 8 根（多達 256 根）極細同軸電纜，是系統中最昂貴的部件之一。幾乎在每個系統中，傳感器元件直接驅動電纜。電纜電容會加載傳感器元件并導致明顯的信號衰減。這需要高度靈敏的接收器來保持動態范圍并產生最佳的系統性能。

圖1.典型超聲信號鏈。

在發射側（Tx路徑），波束形成器確定設置所需焦點的脈沖序列的延遲模式。然后，波束成形器的輸出由驅動換能器的高壓發射放大器放大。這些放大器可由數模轉換器（DAC）或高壓FET開關陣列控制，以塑造發射脈沖，以便更好地將能量傳輸到傳感器元件。在接收側，發送/接收（T/R）開關（通常是二極管橋）阻斷高壓Tx脈沖。某些陣列中使用高壓 （HV） 多路復用器/解復用器，以犧牲靈活性為代價來降低發送和接收硬件的復雜性。

時間增益控制 （TGC） 接收路徑由低噪聲放大器 （LNA）、可變增益放大器 （VGA） 和模數轉換器 （ADC） 組成。VGA通常具有線性dB增益控制，與反射超聲信號的衰減相匹配。在操作員的控制下，TGC路徑用于在掃描過程中保持圖像均勻性。低噪聲LNA對于最小化以下VGA的噪聲貢獻至關重要。有源阻抗控制優化了受益于輸入阻抗匹配的應用的噪聲性能。

VGA壓縮寬動態范圍輸入信號，以適應ADC的輸入范圍。LNA的輸入參考噪聲限制了最小可分辨輸入信號，而輸出參考噪聲（主要取決于VGA）限制了在特定增益控制電壓下可以處理的最大瞬時動態范圍。該限值根據量化本底噪聲設置，該噪聲本底由ADC分辨率決定。早期的超聲系統基于 10 位 ADC，但大多數現代系統使用 12 位或 14 位 ADC。

抗混疊濾波器（AAF）限制信號帶寬，并抑制ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。

波束成形應用于醫療超聲，定義為從公共源產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。在連續波多普勒（CWD）路徑中，接收器通道經過相移并相加以提取相干信息。波束成形有兩個功能：它賦予換能器方向性——增強其增益——并定義體內的一個焦點，從中得出返回回波的位置。

波束成形有兩種不同的方法：模擬波束成形 （ABF） 和數字波束成形 （DBF）。ABF 和 DBF 系統之間的主要區別在于波束成形的完成方式;兩者都需要極好的通道間匹配。在ABF中，使用模擬延遲塊和求和。只需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF系統是目前最常用的方法，采用“許多”高速、高分辨率ADC。DBF系統中的信號采樣盡可能靠近傳感器元件;然后，信號被延遲并以數字方式求和。DBF 架構的簡化示意圖如圖 2 所示。

圖2.數字波束成形 （DBF） 系統的簡化圖。

集成和分區策略

盡管技術取得了巨大進步，但超聲系統擁有如此多的通道和組件，是當今構建的最復雜的系統之一。與其他復雜系統一樣，存在許多系統分區方法。在本節中，將回顧幾種超聲分區策略。

早期的超聲系統利用模擬波束成形技術，需要大量的模擬組件。TGC和Rx/Tx路徑中的數字處理是通過定制ASIC完成的。在多通道VGA、ADC和DAC普及之前，這種方法很常見。ASIC具有大量門，其數字技術未針對模擬功能（如放大器和ADC）進行優化。使用ASIC的系統必須嚴重依賴供應商的可靠性。

使用 ASIC、FPGA 和 DBF 技術以及分立式 IC ADC 和 VGA 是邁向便攜性的第一步，但多通道四通道和八通道 TGC、ADC 和 DAC 的可用性使尺寸和功耗顯著降低成為可能。這些多通道組件允許設計人員將敏感的模擬電路與數字電路分開。這允許系統擴展和電子電路在許多平臺上的良好重用。

然而，互連四通道和八通道VGA以及具有高引腳數的ADC會使PCB走線布線變得困難，在某些情況下迫使設計人員使用較小的通道數器件，例如從八通道ADC轉移到四通道ADC。將大量這些多通道元件放置在小區域內也會出現熱問題。確定最佳分區可能成為一個挑戰。

通過多通道、多元件集成進一步集成完整的TGC路徑，使設計方法更容易，因為對PCB尺寸和功率的要求進一步降低。隨著更高級別的集成度變得越來越占主導地位，便攜式設備在成本、尺寸、功耗降低和更長的電池壽命方面再次具有優勢。

這種架構可以使用AD9271等超聲子系統構建，其中包括LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和用于8通道TGC的串行LVDS輸出。

終極超聲解決方案在探頭中集成了更多的電子功能，盡可能靠近換能器元件。請記住，來自探頭元件的電纜會阻礙動態范圍，并且成本高昂。如果前端電子器件離探頭更近，則電纜損耗的影響將降至最低，從而減輕對LNA的要求，從而降低功耗。一種方法是將LNA移動到探頭電子設備中。另一種方法是在探頭和PCB電子設備之間分配VGA控制。最終，該系統更接近于裝入超小型封裝。缺點是設計人員已經繞了一圈，現在必須定制探頭。換句話說，探頭/電子定制將導致現代設計人員遇到與使用數字ASIC的早期設計人員相同的問題。

使用現代 IC 進行功率/性能擴展

超聲波涵蓋了廣泛的不同應用，因此系統設計人員必須做出的權衡已經增加。每種診斷成像方式都有局限性，這些局限性通常由性能與功率來定義。如今，這些挑戰已經通過允許設計人員擴展IC內性能與功率比的組件來應對，從而縮短上市時間。同樣，尋找一個超聲子系統，它在IC內提供許多選項來調整輸入范圍、偏置電流、采樣速率和增益。根據所需的成像模式或探頭類型，系統設計人員可以實時適當地對設計進行系統擴展，以最小的功耗提供最大的性能。

設計人員還可以為這些器件使用配置設計工具，從而評估單個探頭和模態性能，如圖3所示。系統設計人員可以快速做出這些權衡，并直接在IC級別擴展系統設計。這消除了更改硬件和執行復雜的圖像處理測試來驗證這些權衡的需要。此外，配置工具將優化的配置參數轉換為數字設置，并生成一個文件，該文件可以復制系統的零件最終配置設置。

圖3.超聲子系統配置工具 圖形用戶界面。

結論

便攜式和低功率超聲系統在醫療和工業應用中的趨勢日益增長。所有這些系統都有類似的要求，并且近年來已通過集成和功率縮放創新實施。

如今，集成多通道設備的進步進一步降低了功耗、尺寸和成本。毫無疑問，新的創新產品和配置工具使系統設計人員的工作更輕松。這提供了一種開發多樣化超聲產品的方法，這些產品具有可配置和可擴展的性能與功耗，具體取決于成像模式。

大多數超聲制造商的知識產權（IP）在于探頭和波束成形技術。商用器件（包括四通道和八通道ADC）的多通道集成最大限度地減少了高成本模擬元件，并減少了在TGC路徑中進行耗時校準的需求。超聲系統的其他部分提供了進一步集成的可能性。集成更多的信號鏈部分將進一步降低功耗、尺寸和成本，并提高處理能力。

審核編輯：郭婷