便攜超聲系統(tǒng)低功耗高性能的挑戰(zhàn)

世界人口數(shù)目不斷飆升，老齡化問題日益嚴(yán)峻，令醫(yī)療診斷及護(hù)理設(shè)備的需求持續(xù)上漲。目前的醫(yī)療設(shè)備都較為笨重、價(jià)格昂貴，且能耗巨大，醫(yī)護(hù)人員需要外型小巧、能源效率較高且極具成本效益的醫(yī)療診斷設(shè)備。

在全球各地，便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備的需求不斷增加。預(yù)期在2050 年之前世界人口將增加23 億，他們大部分集中在發(fā)展中國(guó)家，且多數(shù)都無法負(fù)擔(dān)昂貴的醫(yī)療費(fèi)用，在這些發(fā)展中國(guó)家，急需大量低成本高性能的便攜醫(yī)療診斷設(shè)備；即便在發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)，有統(tǒng)計(jì)表明，其人口之中有20%前往鄉(xiāng)鎮(zhèn)診所看病，而這些診所需要的都是小型的便攜式醫(yī)療設(shè)備；另外，救護(hù)車、急救人員、戰(zhàn)地、災(zāi)區(qū)及其他欠缺醫(yī)療服務(wù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)都需要便攜式診斷設(shè)備，這些因素都促使便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備的需求不斷上升。其中，便攜式超聲系統(tǒng)是最普遍采用的一種有效快速的診斷設(shè)備。

目前醫(yī)院常提供的B超和彩超都是超聲診斷系統(tǒng)，一般都是臺(tái)式設(shè)備，外型龐大。要想設(shè)計(jì)出便攜式超聲診斷系統(tǒng)，必須克服功耗和性能的挑戰(zhàn)：采用電池供電的便攜式超聲系統(tǒng)必須盡量降低能耗，但同時(shí)必須確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)電池由始至終都能提供充足的供電；同時(shí)，小型的設(shè)備也必須確保極高的影像分辨率，即使在現(xiàn)場(chǎng)操作也能發(fā)揮卓越的性能，幫助醫(yī)生作出正確的診斷。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司前不久推出了一款專為便攜式超聲波系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的8通道超聲波發(fā)射/接收芯片組，這款PowerWise芯片組采用創(chuàng)新電路架構(gòu)，讓工程師可以設(shè)計(jì)電池壽命更長(zhǎng)、且影像分辨率可媲美大型超聲波掃描機(jī)的便攜式超聲波系統(tǒng)。

圖 PowerWise8通道超聲波發(fā)射/接收芯片組方案

這款8通道芯片組由4顆芯片組成，內(nèi)置了一切必要的電路，其中包括接收系統(tǒng)模擬前端電路（AFE）（LM96511）、發(fā)射/接收系統(tǒng)開關(guān)（LM96530）、發(fā)射系統(tǒng)脈沖發(fā)生器（LM96550）及可配置發(fā)射系統(tǒng)波束成形器（LM96570）。其高度集成的特性令系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以利用該芯片組來開發(fā)小巧輕盈、影像更清晰、更易據(jù)此作出準(zhǔn)確診斷的128通道便攜式超聲波系統(tǒng)。

并且，4顆芯片間協(xié)同工作令芯片組可實(shí)現(xiàn)超高性能及效率。例如，只要重新配置發(fā)射系統(tǒng)波束成形器，便可校準(zhǔn)電路板走線之間的延遲誤差以及脈沖發(fā)生器的延遲誤差。這樣可大幅改善失真情況，而且還可讓系統(tǒng)進(jìn)行第二次諧波成像。發(fā)射/接收系統(tǒng)開關(guān)也讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)上有更大的靈活性，他們可以為偏壓電流靈活地選擇不同的設(shè)置值，以便在功耗與性能之間做出適當(dāng)?shù)娜∩帷?/p>

該模擬前端電路采用非常獨(dú)特的架構(gòu)，不但能確保出眾的影像質(zhì)量，還可將B模式的功耗盡量降低。這顆模擬前端電路還內(nèi)置業(yè)界最高分辨率的數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃鳎―VGA）及低功耗的連續(xù)時(shí)間Sigma-delta (CTSD) 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。此外，數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃鬟€具有多個(gè)傳統(tǒng)模擬可變?cè)鲆娣糯笃魉鶝]有的優(yōu)點(diǎn)，例如，各通道之間可以更好地校準(zhǔn)并具有更好的信號(hào)頻譜性能。連續(xù)時(shí)間Sigma-delta ADC本身還有磚墻式混疊信號(hào)濾除功能。相比之下，采用傳統(tǒng)流水線式ADC的模擬前端電路不但功耗較高，而且濾除混疊信號(hào)的能力也較低。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體為便攜式超聲波系統(tǒng)提供一個(gè)全方位的信號(hào)路徑解決方案，其中包括時(shí)鐘電路及電源管理芯片。同時(shí)，為這款芯片組提供了全套評(píng)估套件、參考電路圖及設(shè)計(jì)工具，讓用戶可以仔細(xì)評(píng)估芯片性能，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。