超聲成像系統(tǒng)的功能介紹及電子元件的設(shè)計(jì)選型

超聲接收機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會(huì)影響2D圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)檢測(cè)多普勒偏移(血液或組織的運(yùn)動(dòng))的能力，尤其是在二次諧波成像系統(tǒng)中，感興趣的二次諧波信號(hào)明顯低于發(fā)射信號(hào)的基波。對(duì)于小的多普勒信號(hào)同樣如此，多普勒信號(hào)頻率可能在1kHz以內(nèi)，幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于組織或血管壁的反射信號(hào)。因此，需要特別關(guān)注可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸捄徒d波SNR，這些參數(shù)通常是制約接收機(jī)性能的關(guān)鍵。

抗混疊濾波器(AAF)和ADC

抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常最大成像頻率范圍的信號(hào)，防止這些信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換混疊至基帶。設(shè)計(jì)中大多采用可調(diào)節(jié)的AAF，為了抑制混疊并保證信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)，濾波器需要對(duì)第一奈奎斯特頻率以外的信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。

典型應(yīng)用中采用12位ADC，采樣率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)某杀竞凸摹Ｔ谠O(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)慕邮掌髦?，ADC會(huì)限制接收通道的瞬態(tài)SNR。如上所述，性能差的VGA會(huì)限制整個(gè)接收通道的SNR指標(biāo)。

數(shù)字波束成形器

ADC的輸出信號(hào)通過(guò)高速LVDS串口傳輸給數(shù)字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了PCB的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和接口引腳數(shù)。波束成形器內(nèi)置上變頻低通濾波器或帶通數(shù)字濾波器，這些濾波器把有效采樣速率提高4倍，提高了系統(tǒng)波束成形的精度。上變頻信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，通過(guò)延遲系數(shù)加法器進(jìn)行疊加，得到合適的焦點(diǎn)。信號(hào)還進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)或“變跡”，在疊加之前進(jìn)行變跡，可以調(diào)節(jié)接收孔徑，降低旁瓣對(duì)接收波束的影響，提高圖像質(zhì)量。

波束成形的數(shù)字信號(hào)處理

接收到的波束成形數(shù)字超聲信號(hào)由DSP和基于PC的設(shè)備進(jìn)行處理，得到視頻和音頻輸出信號(hào)。這一過(guò)程通?？梢詣澐譃锽超或2D圖像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理，多普勒處理又分為脈沖多普勒(PWD)處理和連續(xù)波多普勒(CWD)處理。

B超處理

B超處理中，RF波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和檢波處理。檢測(cè)信號(hào)具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，B超處理器必須將這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮，使其達(dá)到顯示器規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍。

彩超流體信號(hào)處理

在彩超流體信號(hào)處理中，RF數(shù)字波束成形信號(hào)與正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)進(jìn)行混頻，得到I、Q基帶信號(hào)。每個(gè)接收通道采集的超聲信號(hào)都有對(duì)應(yīng)的幅度和相位。彩超流體信號(hào)處理中，8至16路超聲信號(hào)集中在一個(gè)成像通道，測(cè)量多普勒頻移。血液流動(dòng)或沿成像通道的組織移動(dòng)產(chǎn)生的反射信號(hào)具有一定的多普勒頻移，從而改變了I/Q基帶采樣信號(hào)的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的8至16路超聲信號(hào)的平均相移和時(shí)間關(guān)系。處理器還用彩色表示平均流速。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了血液或人體組織移動(dòng)的二維造影成像。

多普勒頻譜

頻譜處理中，波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，并通過(guò)正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)混頻至基帶信號(hào)，然后以發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(PRF)進(jìn)行采樣。利用復(fù)雜的快速傅里葉變換(FFT)獲得多普勒頻譜，以重現(xiàn)接收信號(hào)的速度信息。FFT輸出的每個(gè)二進(jìn)制信號(hào)幅度經(jīng)過(guò)計(jì)算和壓縮，使其達(dá)到顯示圖像所要求的動(dòng)態(tài)范圍。最終信號(hào)幅度作為時(shí)間函數(shù)，顯示在超聲設(shè)備的顯示屏上。

在連續(xù)波多普勒(CWD)成像系統(tǒng)中，信號(hào)處理的過(guò)程基本相同。除了處理這些顯示信號(hào)外，頻譜處理器還產(chǎn)生左、右聲道的立體聲音頻信號(hào)，表示正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)。DAC對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)外部揚(yáng)聲器和耳機(jī)。

顯示處理

顯示處理器進(jìn)行必要的計(jì)算，繪制極坐標(biāo)圖。B超中的聲音、圖像數(shù)據(jù)或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號(hào)。這一過(guò)程通常稱為R-θ變換，顯示處理器還提供空間圖像增強(qiáng)功能。

連續(xù)波多普勒(CWD)

多數(shù)的心臟檢查和一些通用的超聲成像系統(tǒng)中，常常使用連續(xù)波多普勒CWD以確保精確測(cè)量心臟內(nèi)高速流動(dòng)的血液。CWD模式下，超聲傳感器單元以傳感器孔徑為中心分割成對(duì)等的兩部分。一半單元用于發(fā)射，產(chǎn)生CWD聚焦波束;另一半單元用于接收，產(chǎn)生聚焦的接收波束。發(fā)射單元的驅(qū)動(dòng)波形為多普勒頻率的方波，頻率范圍通常為1MHz至7.5MHz。發(fā)射波形的抖動(dòng)必須足夠小，以防止相位噪聲對(duì)多普勒頻移檢測(cè)的影響。通過(guò)正確調(diào)整發(fā)射波形的相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束聚焦。類似地，通過(guò)正確調(diào)整接收波形的相位并進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)CWD接收信號(hào)聚焦。在此模式下，發(fā)射和接收同時(shí)進(jìn)行，有用的多普勒信號(hào)頻率和不移動(dòng)的人體組織在發(fā)射基波頻率下產(chǎn)生的強(qiáng)反射信號(hào)的頻率相差只有幾kHz。處理如此大的信號(hào)所需要的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)超出了圖像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的范圍。因此，CWD必須使用其它高動(dòng)態(tài)范圍接收解決方案。

CWD接收機(jī)通常使用兩種方法處理CWD信號(hào)。第一種方法是高性能超聲系統(tǒng)在LNA輸出端提取接收到的CWD信號(hào)。本振頻率等于發(fā)送頻率的混頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束成形，再混頻至基帶進(jìn)行處理。I/Q本振信號(hào)可以逐通道調(diào)整相位，對(duì)接收到的CWD信號(hào)相位進(jìn)行偏移?；祛l器輸出相疊加，經(jīng)帶通濾波器，最后進(jìn)入ADC進(jìn)行采樣。采樣得到的基帶波束信號(hào)處于音頻范圍(100Hz至50kHz)，采用工作在音頻頻率范圍的ADC對(duì)I和Q CWD信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。這些ADC需要出色的動(dòng)態(tài)范圍，以便處理運(yùn)動(dòng)組織產(chǎn)生的較大的低頻多普勒信號(hào)和血液產(chǎn)生的微弱信號(hào)。

另一種方法是使用延遲線接收CWD信號(hào)，該方法常用于低成本設(shè)備。在此方法中，信號(hào)還是從LNA輸出提取，然后轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)。通過(guò)一個(gè)交叉開(kāi)關(guān)對(duì)相同相位的通道進(jìn)行疊加，產(chǎn)生8至16路獨(dú)立輸出，具體由接收波束成形器決定。延遲線產(chǎn)生延遲，并將這些信號(hào)求和構(gòu)成一路波束成形RF信號(hào)，然后利用一個(gè)本振頻率等于發(fā)送頻率的I/Q混頻器將信號(hào)混頻至基帶，然后將基帶音頻信號(hào)濾波后，轉(zhuǎn)換至數(shù)字形式。