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          AD9271在全數字超聲成像系統(tǒng)中的應用*

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          作者:中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程所 羅琛 王曉春 李穗 李川 王延群 時間:2007-12-28 來源:電子產品世界 收藏

            摘要: 本文介紹了在全數字超聲系統(tǒng)上的應用。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/75807.htm

            關鍵詞: ;;

            前言

            隨著電子計算機、現(xiàn)代信號處理技術的不斷發(fā)展,超聲成像系統(tǒng)逐漸向全數字化方向發(fā)展。全數字超聲成像技術在接收前端將回波信號轉變?yōu)閿底至?,通過設計專用ASIC系統(tǒng)替代傳統(tǒng)模擬處理電路,實現(xiàn)信號的延遲、疊加及信號處理,使圖像更清晰、更準確,分辨率更高,提高了超聲診斷設備的質量。

            是ADI公司針對全數字超聲系統(tǒng)推出的8通道單芯片模擬前端。其極高的集成度允許醫(yī)療設備設計師將超聲系統(tǒng)的信號通道尺寸減少50%,電路板占用面積減少約40%,順應了當今超聲儀器向小型化、便攜式方向發(fā)展的趨勢。同時,可大大降低儀器的噪聲水平,各項性能指標得到顯著提高,在實現(xiàn)小型化的同時保證了圖像的高質量,提高了醫(yī)學超聲影像診斷的準確性。

            基于AD9271的全數字超聲成像系統(tǒng)

            圖1為基于AD9271的全數字超聲成像系統(tǒng)框圖。發(fā)射電路產生發(fā)射脈沖,通過陣元選通電路激勵線陣換能器生成超聲波。超聲波遇被探查物體所產生的回波信號傳至AD9271。AD9271可獨立完成前置放大、抗混疊濾波、高速A/D變換等模擬信號處理過程,替代了傳統(tǒng)全數字B超系統(tǒng)中前端IC電路多芯片分立的設計方案。獲得的數字信號通過,完成信號和圖像的處理,包括波束形成、動態(tài)聚焦、動態(tài)濾波、可變增益放大、對數放大、檢波和DSC;最后將處理完的圖像傳入顯示器進行顯示。

          圖1 基于AD9271的全數字超聲成像系統(tǒng)

            線陣換能器

            本系統(tǒng)中采用80陣元16通道的線陣探頭,其內部包含陣元選通電路。陣元選通電路由10片8通道高壓模擬開關芯片組成。80通道高壓模擬開關一端分別與80個陣元相連,另一端則每5個一組分別與16個輸入輸出通道相連,由輸入控制碼實現(xiàn)換能器陣元的選通。

            發(fā)射電路

            本系統(tǒng)共有16路發(fā)射電路,單路發(fā)射電路如圖2所示,其是在現(xiàn)有超聲診斷儀的發(fā)射電路[1]為基礎進行適當改進而得到的。FPGA發(fā)出的控制脈沖需要首先通過一個功率觸發(fā)器,將脈沖的幅值提高到12V后,作為激勵脈沖送入場效應管的柵極。當無激勵脈沖時,作為電子開關的場效應管斷開,電源通過限流電阻R1向隔直流電容C充電到VH。當出現(xiàn)激勵脈沖時,開關打開。由于電容兩端電壓不能瞬時改變,因此在電容C的右端在理論上會出現(xiàn)-VH的電壓脈沖,通過電纜加到換能器上。兩個二極管可以隔離高頻振蕩,減小噪聲干擾。

          圖2 超聲發(fā)射電路

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            AD9271

            AD9271是首例將8信道的放大器電路和A/D轉換器集成在1枚芯片上的產品。每個通道包括常規(guī)超聲信號模式和連續(xù)多普勒信號模式兩種,通過控制信號進行選擇使用。其中常規(guī)超聲信號模式由低噪聲前置放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混迭濾波器(AAF)和采樣速度為10MSPS~50MSPS的12位A/D轉換器(ADC)組成[2]。

            AD9271集成度高、尺寸小,功耗低。在以10 MSPS和50 MSPS采樣速率工作時,其每通道功耗分別為115 mW和175 mW,與其它近似解決方案相比,功耗降低25%,從而允許增加通道數而不必加大電源功率。此外在實際應用中,還可以關閉不使用通道的電源,減少了功率的損耗,對小型化儀器有著重要的意義。

            在此系統(tǒng)中,使用AD9271的常規(guī)超聲信號通道模式,其控制是由FPGA通過接口輸入控制碼實現(xiàn)的。接口由串行時鐘端口(SCLK)、串行數據輸入輸出口(SDIO)和片選端口(CSB)組成。SCLK輸入串行位移時鐘,用于保證輸入及輸出數據與AD9271同步;SDIO為一雙向端口,用于輸入輸出數據;CSB為SPI的使能端,控制SPI接口的開閉,其中CSB為低電平時SPI有效。三個端口的時序如圖3所示[3]。

          圖3 SCLK、SDIO、CSB時序圖

            當CSB變?yōu)榈碗娖綍r,SDIO開始跟隨SCLK輸入輸出數據。首先輸入的是一16位指示碼,其中第一位為輸入輸出控制位,低電平為輸入,高電平為輸出;第二、三位控制傳送的字節(jié)數;第四位到第十六位為輸入輸出數據的起始地址,當傳送的數據多于一個字節(jié)時,數據地址以起始地址為準按序定址。指示碼傳送完畢后開始傳送控制碼。AD9271的內部寄存器大致可以分為芯片配置寄存器、片選及模式轉換寄存器、程序寄存器三部分,將控制碼存入相應的寄存器以實現(xiàn)相應的功能。此外,F(xiàn)PGA還為發(fā)射接收電路和AD9271提供時鐘,以保證它們的同步性。

            AD9271輸出的數字信號將傳送到FPGA中進行后期的信號、圖像處理。

            圖4為此超聲成像系統(tǒng)對正常眼部組織進行檢查所得的超聲回波信號。圖中左端雜亂的多個飽和、高衰減波峰為始波,這是探頭本身、探頭與皮膚接觸產生的回波。始波后平段表示無回聲界面的玻璃體。始波后約25mm,可見玻璃體-視網膜波峰,其后高低不等的波峰是球后軟組織回聲。

          圖4 正常眼部組織超聲波信號全貌

            結語

            AD9271接口簡單,使用方便、靈活。其極高的集成程度及低功耗在便攜式超聲醫(yī)療儀器等應用中具有很強的實用性。

            參考文獻:

            1. 馮若、劉忠齊、姚錦鐘等,超聲診斷設備原理與設計,中國醫(yī)藥科技出版社,1993.442

            2. AD9271, Octal LNA/VGA/AAF/ADC and Crosspoint Switch. Analog Devices, Inc.2007

            3. Interfacing to High Speed ADCs via SPI. Analog Devices, Inc.

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