一種經(jīng)改造的醫(yī)療超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　由于其安全性、低成本和實(shí)時(shí)性能，超聲波成像堪稱是一種重要的醫(yī)療成像方法。傳統(tǒng)的超聲波成像系統(tǒng)使用 2～15MHz 的頻率，精度可精確到毫米。它們被廣泛地運(yùn)用于對(duì)胎兒進(jìn)行監(jiān)測，以 及對(duì)諸如心臟、肝臟、膽囊、脾臟、胰臟、腎臟以及膀胱等人體內(nèi)部器官的疾病進(jìn)行診斷。由于超聲波系統(tǒng)的大通道數(shù)量和大信號(hào)處理要求，傳統(tǒng)的控制臺(tái)型超聲波系統(tǒng)在過去的 20 多年里主導(dǎo)了 醫(yī)療超聲波應(yīng)用。老年人口、日益增長的醫(yī)療保健成本和新興經(jīng)濟(jì)的需求導(dǎo)致了對(duì)創(chuàng)新型醫(yī)療解決方案需求的急劇增長。

　　具有更高性能以及更低價(jià)格的成熟的半導(dǎo)體技術(shù)（例如：數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)）不但大大地推動(dòng)了醫(yī)療成像設(shè)備的發(fā)展，而且還促進(jìn)了醫(yī)療超聲波成像系統(tǒng)的小型化。另外，縮小系統(tǒng)尺寸并 不意味著性能的降低。小型化的超聲波系統(tǒng)（即便攜式超聲波系統(tǒng)）可以實(shí)現(xiàn)和傳統(tǒng)控制臺(tái)型超聲波系統(tǒng)一樣的性能。目前的便攜式超聲波系統(tǒng)可提供較好的成像質(zhì)量，以幫助醫(yī)生們進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的診斷。因此，便攜式系統(tǒng)在諸如及時(shí)創(chuàng)傷診斷和急診及治療等應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于越來越多的超聲波設(shè)備廠商致力于開發(fā)便攜式超聲波系統(tǒng)，因而只有那些能夠更為迅 速地推出產(chǎn)品的廠商才能獲得更多的市場份額。

　　超聲波模擬前端 (AFE) 和小尺寸、高性能 DSP 都是超聲波設(shè)備廠商所需要的。更為重要是，超聲波設(shè)備廠商們正迫切需要一種可以和各種系統(tǒng)共享的設(shè)計(jì)，以最短化它們的開發(fā)周期時(shí)間并 加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。

　　超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　超聲波系統(tǒng)因其功能和性能不同而各異。例如，3D、4D 和諧波成像模式通常被用于高端系統(tǒng)，而只有 2D B-模式成像和頻譜多普勒可能被用于一些低端系統(tǒng)。功能差異主要取決于數(shù)字后端。高 端超聲波系統(tǒng)要求更多和更快的計(jì)算能力，其需要具有接近實(shí)時(shí)信號(hào)處理的高端 DSP。很明顯，在高端便攜式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)共享信號(hào)處理單元是非常困難的。但是，在不考慮不同性能要求的情況 下，超聲波系統(tǒng)通常擁有相似的接收通道架構(gòu)。

　　如圖 1 所示，超聲波系統(tǒng)的接收模擬前端由一些通用模塊組成，如：低噪聲放大器 (LNA)、時(shí)間增益控制 (TGC) 放大器、電壓控制放大器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、低通濾波器以及模數(shù) 轉(zhuǎn)換器 (ADC)。無論是哪種情況，AFE 的性能都會(huì)極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，只要有能夠在一個(gè)引腳對(duì)引腳兼容的封裝中滿足不同性能要求的 AFE 產(chǎn)品，那么 AFE 設(shè)計(jì)就可以被標(biāo)準(zhǔn)化 并在各種系統(tǒng)中得到重復(fù)使用。這種標(biāo)準(zhǔn)化可以在中低端系統(tǒng)很容易地得到實(shí)現(xiàn)，這些系統(tǒng)中不需要特別的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)。

圖 1 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　但是，目前大多數(shù)的 AFE 產(chǎn)品都無法滿足超聲波廠商的這種需求。因此，我們必須選擇一些單獨(dú)的芯片來滿足袖珍式和控制臺(tái)式系統(tǒng)的不同性能要求。例如，雖然可以容忍控制臺(tái)式系統(tǒng)的高 功耗，但是必須要實(shí)現(xiàn)更低的噪聲，反之亦然，從而必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

　　現(xiàn)在，市場上出現(xiàn)了一些新型的 AFE 器件，例如：TI 推出的 AFE5805，其允許超聲波廠商標(biāo)準(zhǔn) AFE 設(shè)計(jì)。這些具有相同外引腳的器件主要用于從便攜式到控制臺(tái)式的各種超聲波系統(tǒng)。引腳對(duì) 引腳兼容意味著，超聲波設(shè)備廠商不但可以設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的產(chǎn)品，同時(shí)能夠極大地節(jié)約成本并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。

　　模擬前端特性與系統(tǒng)性能

　　設(shè)計(jì)超聲波系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，且 AFE 的每一種特性都能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。針對(duì)每一種系統(tǒng)類別平衡各種參數(shù)的能力無疑是一種藝術(shù)。

　　就便攜式超聲波系統(tǒng)而言，功耗是一個(gè)至關(guān)重要的考慮因素。低功耗就是說利用有限的電池電源可獲得更長的工作時(shí)間。雖然這些性能的降低通常是在便攜式（低端）系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)，但 是其會(huì)影響到其他參數(shù)，如：輸入信號(hào)范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等。