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

　　除了功耗以外，AFE 噪聲是超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮的第二個(gè)問題。來自超聲波變送器接收信號(hào)的振幅可能會(huì)為介于 10uVPP 到 1VPP [1] 不等。能夠被探測(cè)到的信號(hào)越小，系統(tǒng)的靈敏度 就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度。通常，我們?yōu)楦叨说降投说南到y(tǒng)選擇 0.7 nV/rt(Hz)~1.5 nV/rt(Hz) (RTI)的噪聲參數(shù)。經(jīng)在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中證實(shí)，這些噪聲參數(shù)足以產(chǎn)生高 質(zhì)量的圖像。鑒于輸入等效電流噪聲以及來自發(fā)送/接收 (T/R) 開關(guān)的噪聲，我們甚至可以使用一個(gè)更低噪聲的放大器，但是我們不會(huì)看到最終超聲波圖像的質(zhì)量有較大提高。除了輸入等效電壓噪 聲以外，閃爍噪聲（即 1/f 噪聲）也是成像應(yīng)用中一個(gè)非常重要的考慮因素。在存在混頻的連續(xù)波 (CW) 模式中，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關(guān)頻率時(shí)的信噪比 (SNR)。由于其寬泛的 工作頻率，我們將首選具有白噪聲性能的放大器。

　在一些超聲波應(yīng)用中，增益控制范圍在獲得圖像的動(dòng)態(tài)范圍中發(fā)揮了重要的作用。當(dāng) VCA 擁有一個(gè)更高的增益控制范圍時(shí)，最終圖像就擁有一個(gè)更寬的動(dòng)態(tài)范圍，從而實(shí)現(xiàn)更佳的圖像質(zhì)量。 結(jié)合 ADC 的 SNR，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可以由下式計(jì)算得出：

動(dòng)態(tài)范圍=SNR+增益控制范圍 （公式 1）

　　例如，一個(gè)包含了 12-位、70dB SNR 和 40dB 增益控制范圍 VCA 的系統(tǒng)可以獲得 110dB 的動(dòng)態(tài)范圍。換句話就是說，鑒于人體中 0.7dB/cmMHz 的衰減系數(shù)、10cm 的成像深度以及 7.5MHz 的傳 感器，所以 105dB 的動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算公式為 10*2*0.7*7.5。在現(xiàn)有超聲波系統(tǒng)中，10~15MHz 的探針常常被用于對(duì)身體的較小部位進(jìn)行成像。因此，我們通常會(huì)需要 100dB 以上的動(dòng)態(tài)范圍。從系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的角度來看，一個(gè)具有較大增益控制范圍的 AFE 是首選的解決方案。另外，一個(gè)具有更高總體增益的 AFE 是探測(cè)小信號(hào)和對(duì)由其他電路引起的插入損耗（例如：無源高階濾波器的插入損耗） 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N附加需要。

　　放大器飽和與過載恢復(fù)也是重要的系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)這兩種參數(shù)一起評(píng)估和測(cè)定要比單個(gè)進(jìn)行更有價(jià)值?；旧蟻碚f，一個(gè)放大器的理想輸入信號(hào)范圍受其線性輸出電壓（即電源電壓）及增益的 限制：

　　因此，較低的增益和較高的電源電壓對(duì)該參數(shù)非常有益。但是，較低的增益會(huì)降低輸入等效電壓噪聲，同時(shí)較高的電源電壓會(huì)增加總功耗，因此必須采取一種折中的方法。我們常常為一些便 攜式和中端系統(tǒng)選擇 200～400mVPP 的參數(shù)。超聲波放大器飽和通常是由高壓脈沖泄漏或聲阻抗變化極大的近表面物體反射大信號(hào)引起的。具體的例子包括存在較少臨床信息的表面組織或者骨 骼。在大多數(shù)情況下，這些區(qū)域的信息丟失可能不會(huì)影響到臨床診斷。但是，如果放大器不能及時(shí)地恢復(fù)，那么重要的信息便會(huì)丟失。AFE 的快速過載恢復(fù)確保了超聲波系統(tǒng)能夠盡可能多地捕獲 有價(jià)值的信息。可以用 ADC 的時(shí)鐘周期數(shù)來確定 AFE 的過載恢復(fù)時(shí)間，一個(gè)時(shí)鐘周期負(fù)載恢復(fù)時(shí)間為理想的時(shí)間。

　　放大器飽和的另一個(gè)影響是會(huì)引起諧波失真的增加。由于普通造影劑的使用，越來越多的系統(tǒng)（甚至是便攜式系統(tǒng)）在整個(gè)系統(tǒng)中都要求較低的二次諧波失真，以確保成功的諧波成像。通常， 根據(jù)造影劑的聲屬性、發(fā)送器電壓以及組織特點(diǎn)的不同組合，變送器接收到的諧波信號(hào)可高達(dá) 40dB，比基礎(chǔ)信號(hào)要低。因此，放大器的 HD2 應(yīng)該低于 40dBc。這就使得系統(tǒng)能夠獲得滿意的諧波圖 像。另外，由于高 HD2，可能會(huì)出現(xiàn)人為多普勒移動(dòng)頻率。在一些臨床中，這種人為現(xiàn)象會(huì)影響準(zhǔn)確的診斷。在最終的多普勒?qǐng)D像中，人為多普勒移動(dòng)頻率有助于系統(tǒng)的定向分離。一些文獻(xiàn) [請(qǐng)參 見參考書目 2 和 3] 表明，對(duì) CW 和 PW 多普勒系統(tǒng)而言，45~50dB 的定向分離已經(jīng)足夠了?？紤]到上述因素，當(dāng) HD2 低于 40dBc 時(shí)，我們應(yīng)該規(guī)定 AFE 的線性輸入范圍。

　　影響圖像精確度的干擾是超聲波系統(tǒng)的另外一個(gè)需要考慮的參數(shù)。根據(jù)變送器件間距、頻率、設(shè)計(jì)、材料等的不同，超聲波系統(tǒng)的主要是由以 –30 ~–35dBc 順序排列的陣列變送器引起的。一般 而言，IC 和 PCB 的干擾大大低于 –35dBc。因此，電路的干擾并不會(huì)降低系統(tǒng)的性能。

　超聲波的模擬前端

　　為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，我們需要一個(gè)超聲波 AFE（例如 TI 的 AFE5805）。最為先進(jìn)的 BiCMOS 和 CMOS 技術(shù)用于對(duì)功耗和噪聲性能進(jìn)行優(yōu)化。由于其低功耗、小芯片尺寸以及較低的閃爍噪聲， BiCMOS 工藝是 AFE5805 VCA 部分的理想之選。CMOS 工藝非常適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與同類解決方案相比，這些綜合的創(chuàng)新使尺寸縮小了 50%，功耗降低了 20%，噪聲減少了 40%。圖 2 所示的恒 定噪聲性能涵蓋了整個(gè)工作頻率范圍。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的便攜式超聲波系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)卓越的圖像質(zhì)量以及最低的功耗。

圖 2 卓越的噪聲性能

　　小結(jié)

　　未來幾年，全球各地區(qū)對(duì)于便攜式、低成本超聲波設(shè)備的需求有望快速增長。對(duì)于那些超聲波設(shè)備廠商來說，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。新型超聲波模擬前端的先進(jìn)技術(shù)，允許超聲波設(shè)備廠商對(duì)性能 進(jìn)行調(diào)整，以適用于各種系統(tǒng)尺寸?；趩蝹€(gè)設(shè)計(jì)，廠商便可發(fā)布多款產(chǎn)品，極大地節(jié)省了便攜式設(shè)備和高通道密度中端超聲波系統(tǒng)的開發(fā)成本和時(shí)間。