超聲成像系統(tǒng)的功能介紹及電子元件的設(shè)計(jì)選型

概述

通過發(fā)射超聲能量進(jìn)入人體，接收并處理返回的反射信號(hào)，相控陣超聲系統(tǒng)可以生成體內(nèi)器官和結(jié)構(gòu)的圖像，映射血液流動(dòng)和組織運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供高準(zhǔn)確度的血流速度信息。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，構(gòu)建這樣的成像系統(tǒng)需要大量的高性能相控陣發(fā)射器和接收器，使得車載設(shè)備體積龐大且價(jià)格昂貴。近年來，隨著集成工藝的進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員能夠獲得小尺寸、低成本而且高度便攜的成像系統(tǒng)方案，并可達(dá)到接近大型成像設(shè)備的性能指標(biāo)。而新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)依然存在，即在進(jìn)一步提高方案集成度的同時(shí)提高系統(tǒng)性能和診斷能力。

傳感器

成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件是超聲傳感器。典型的超聲成像系統(tǒng)需要使用各種傳感器支持特定的診斷要求。每個(gè)傳感器由一組壓電傳感器單元陣列構(gòu)成，它們集中能量并發(fā)射到人體內(nèi)部，然后接收相應(yīng)的反射信號(hào)。每個(gè)單元通過纖細(xì)的同軸電纜連接到超聲系統(tǒng)。通常，傳感器由32至512個(gè)單元構(gòu)成，工作頻率為1MHz至15MHz。多數(shù)超聲系統(tǒng)提供兩個(gè)至四個(gè)傳感器轉(zhuǎn)換接口，臨床醫(yī)生可根據(jù)不同的檢測類型方便地更換傳感器。

高壓復(fù)用開關(guān)

典型的相控陣超聲系統(tǒng)配備了32至256個(gè)發(fā)射器和接收器。多數(shù)情況下，系統(tǒng)配備的發(fā)射器和接收器的數(shù)量少于傳感器單元的數(shù)量。這些情況下，需要在傳感器或系統(tǒng)中安裝高壓開關(guān)，用于信號(hào)復(fù)用，開關(guān)連接在特定的傳感器單元和發(fā)送器/接收器(Tx/Rx)對之間。由此，系統(tǒng)能夠在所提供的傳感器陣列中動(dòng)態(tài)改變有效的傳感器孔徑。

成像系統(tǒng)對高壓開關(guān)的要求主要包括幾個(gè)方面：必須能夠承受電壓擺幅高達(dá)200VP-P且峰值電流高達(dá)2A的發(fā)射脈沖;開關(guān)必須能夠迅速切換，以快速調(diào)整有效孔徑、滿足圖像幀率的要求;最后，這些開關(guān)還必須具有極小的電荷注入，從而避免雜散傳輸以及相關(guān)的虛假圖像。

超聲成像系統(tǒng)功能框圖。

高壓發(fā)射機(jī)

數(shù)字發(fā)射波束成形器用于產(chǎn)生所要求的數(shù)字發(fā)射信號(hào)，以正確的時(shí)間和相位生成聚焦發(fā)射信號(hào)。高性能超聲系統(tǒng)可通過任意波形發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的發(fā)射波形，從而優(yōu)化圖像質(zhì)量。這些情況下，發(fā)射波束成形器以大約40MHz速率生成8位至10位數(shù)字字符，并以此產(chǎn)生所要求的發(fā)射波形。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)將數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過線性高壓放大器進(jìn)行放大，用于驅(qū)動(dòng)傳感器單元。由于這種發(fā)射技術(shù)占用較大體積，而且價(jià)格昂貴、需要消耗較高能量，所以，這種架構(gòu)只限于昂貴的非便攜設(shè)備。多數(shù)超聲系統(tǒng)并不使用這種發(fā)射波束成形技術(shù)，而是采用多級(jí)高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生需要發(fā)射的信號(hào)。在這種替代方案中，利用高集成度、高壓脈沖發(fā)生器快速切換傳感器單元至適當(dāng)?shù)目删幊谈邏弘娫?，產(chǎn)生發(fā)射波形。為了產(chǎn)生一個(gè)簡單的兩極發(fā)射波形，脈沖發(fā)生器需要交替地將傳感器單元切換到由數(shù)字波束成形器控制的正、負(fù)發(fā)射電壓。更復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以讓傳感器單元切換至多路電源和地，從而產(chǎn)生更復(fù)雜、性能更好的多重波形。

近幾年，隨著二次諧波成像的廣泛應(yīng)用，高壓脈沖發(fā)生器對于斜率和對稱性的要求越來越高。二次諧波成像利用了人體的非線性聲學(xué)特性。這些非線性特性傾向于將頻率fo的聲能轉(zhuǎn)變成2fo頻率。多種原因使得接收二次諧波信號(hào)能夠獲得更高的圖像質(zhì)量，因此，二次諧波成像得到了廣泛應(yīng)用。

二次諧波成像有兩種基本的實(shí)現(xiàn)方法。一種稱為標(biāo)準(zhǔn)諧波成像，盡可能抑制發(fā)射信號(hào)的二次諧波，從而使接收到的二次諧波主要源于人體的非線性。這種模式要求二次諧波的發(fā)射能量至少低于基波能量50dB。所以，發(fā)射脈沖的占空比要求是準(zhǔn)確的50%且誤差小于±0.2%。另一種方法稱為脈沖反相，利用反相后的發(fā)射脈沖產(chǎn)生同一圖像路徑的相位相反的兩路接收信號(hào)。在接收器中對這兩路反相接收信號(hào)求和，恢復(fù)由于人體非線性產(chǎn)生的諧波信號(hào)。這種脈沖反相的方法必須在疊加時(shí)盡可能抵消發(fā)射脈沖的反相成分。所以，高壓脈沖發(fā)生器的上升時(shí)間和下降時(shí)間必須嚴(yán)格一致。

成像通道接收機(jī)

超聲成像通道的接收機(jī)用于檢測二維(2D)信號(hào)以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號(hào)和頻譜PWD。接收機(jī)包括Tx/Rx開關(guān)、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(ADC)。

Tx/Rx開關(guān)

Tx/Rx開關(guān)可以保護(hù)低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時(shí)在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機(jī)。該開關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有高壓發(fā)射脈沖出現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)閉合或斷開。Tx/Rx開關(guān)必須具備很快的恢復(fù)時(shí)間，以保證接收機(jī)在發(fā)射一個(gè)脈沖后能夠立刻開啟。這些快速恢復(fù)時(shí)間對于淺埋成像和提供低導(dǎo)通電阻確保接收靈敏度至關(guān)重要。

低噪聲放大器(LNA)

接收機(jī)中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對于設(shè)計(jì)合理的接收機(jī)，LNA將決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。傳感器單元通過較長的同軸電纜連接到相應(yīng)的低阻抗LNA的輸入端。如果沒有適當(dāng)?shù)碾娎|終端匹配，電纜電容和傳感器單元的源阻抗將大大制約從寬帶傳感器接收信號(hào)的帶寬。傳感器電纜匹配至低阻，有助于降低這一濾波的影響，有效提高圖像質(zhì)量。不幸的是，這種端接也降低了LNA的輸入信號(hào)，因而降低接收靈敏度。由此可見，為LNA提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。

可變增益放大器(VGA)

VGA有時(shí)也稱為時(shí)間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個(gè)接收周期內(nèi)為接收機(jī)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲信號(hào)在體內(nèi)大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發(fā)射一個(gè)超聲脈沖后，可立即在LNA輸入接收到高達(dá)0.5VP-P的回波信號(hào)，該信號(hào)會(huì)快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號(hào)所要求的動(dòng)態(tài)范圍約為100dB至110dB，超出了實(shí)際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與ADC量程相當(dāng)?shù)男盘?hào)幅度。典型應(yīng)用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時(shí)間調(diào)整(即“時(shí)間增益控制”)，實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)態(tài)范圍。