Rob Reeder 和 Corey Petersen

醫療超聲系統是當今廣泛使用的更復雜的信號處理機器之一。雖然類似于雷達或聲納，但它們的射頻速度比雷達慢幾個數量級，比聲納快。自從早期基于推車的超聲系統開發以來，醫療行業已將這種實時技術用于早期發現健康問題和一般診斷程序。隨著時間的推移，超聲系統變得越來越便攜，有些甚至演變成超緊湊的手掌大小的設備。在不遠的將來，超聲系統可能會成為專門的個人數字助理（PDA），盡管不像醫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。

超聲系統架構

超聲系統中常用的圖像采集方法是數字波束成形（DBF）。波束成形應用于醫學超聲，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。通過對 16 到 32 個（或更多）接收器通道進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——并定義體內的焦點，從中得出返回回波的位置。在最簡單的狀態下，DBF 系統框圖如圖 1 所示。每個傳感器元件的輸出被放大，轉換為數字，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系統的簡化框圖。

DBF架構優于早期的模擬波束成形系統（ABF）（在轉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，就可以通過執行數字操作（如波束控制和相干信號求和）來提高其質量。使數字引擎更靠近超聲波傳感器，可以進行比模擬系統更精細的調整。DBF是當今最常用的架構，盡管重大挑戰包括高功耗（由于大量通道）和尺寸 - 由于采集和產生精確信號通常需要大量組件。

直到最近，大多數DBF系統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（作為深度的代理）;抗混疊濾波器 （AAF）;和一個模數轉換器 （ADC）。在常見的數字波束成形架構中，這些組件需要多個副本。增加通道數可以改善動態范圍，只要通道噪聲是隨機的或不相關的。64 至 256 個通道的范圍對于高端系統很常見，而 16 到 64 個通道的范圍對于便攜式中低端超聲系統更為常見。

為什么要推動便攜式？

許多要求苛刻的應用都可以實現提供實時掃描的輕量級便攜式緊湊型設備的優勢。顯然，現場緊急醫療服務（EMS）團隊將更快地接觸到患者，并能夠在到達急診室之前發送結果。如果旅程很長，醫生可以在急診室等待患者時進行遠程診斷。在例行的辦公室訪問期間，全科醫生可以對患者進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備的機會，以便在可能沒有可靠電力的偏遠地區和村莊提供更好的醫療服務。

獸醫發現便攜式超聲可用于大型動物和寵物的現場診斷。它在豬和牛牧場也可用于現場診斷。

超聲波在無損檢測和預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、工業機械中的軸承和石油管道的系統。可以降低檢測成本，避免昂貴設備的關鍵停機時間。工業廠房中的便攜式掃描設備對于在潛在災難性問題出現之前發現它們至關重要。

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

利用AD9271節省空間、功耗和資金

ADI公司的基本子系統AD14（圖14）是ADI公司為滿足緊湊性要求而設計的基本子系統，×1 mm×2.9271 mm，匯集了采集2個通道數據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），可根據應用進一步優化功耗和可配置性。

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）和模數轉換器。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點，但它缺乏傳統脈沖波系統中的深度和穿透力。由于每種方法都有其自身的優點和局限性，根據應用的不同，現代超聲系統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在連續波多普勒模式下工作。該交叉點開關允許將相似相位的通道相干地相加成組，以進行相位對齊和求和。AD9271支持低端系統的延遲塊，AD8339四通道解調器具有可編程相位調整功能，可實現最佳性能。AD8339允許對相位對齊和求和進行更精細的調整，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范圍的信號所需的更多信號鏈。

動態范圍和噪聲要求

當高頻聲學信號穿透人體時，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，所需的動態范圍接近119 dB。從這個角度來看，在 0 MHz 帶寬內具有 333.1nV/rt-Hz 本底噪聲的 4.10V p-p 滿量程信號意味著 88 dB 輸入動態范圍。通過使用多個通道[10 ×log（N通道）]可以實現額外的動態范圍，例如，128個通道將動態范圍增加21 dB。這為100 dB和120 dB之間的動態范圍設定了實際限制。

可實現的動態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范圍的ADC。這稱為時間增益補償（TGC）。LNA設置可映射到ADC的等效動態范圍。AD9271在88 MHz帶寬（10 dB/rt-Hz）內具有158 dB的等效動態范圍，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的滿量程應足夠大，以免近場信號飽和;本底噪聲越低，動態范圍越高。

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，必須在便攜式應用中做出一些妥協。雖然AD88的9271 dB動態范圍優于競爭解決方案，但仍低于AD8332等更高功率的VGA產品，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范圍。沒有一種方法是理想的。盡管數字處理是當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

結論

對于醫療和工業應用，便攜式超聲都有增長的趨勢。所有這些系統對偏遠地區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波多普勒系統的接收信號鏈的9271個通道，使便攜性越來越容易實現。AD<>注定將催生一系列產品，提供低功耗或更低噪聲的選項，在未來幾代產品中進一步突破界限。

審核編輯：郭婷