AD9271在全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　前言

　　隨著電子計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲成像系統(tǒng)逐漸向全數(shù)字化方向發(fā)展。全數(shù)字超聲成像技術(shù)在接收前端將回波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，通過(guò)設(shè)計(jì)專用ASIC系統(tǒng)替代傳統(tǒng)模擬處理電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的延遲、疊加及信號(hào)處理，使圖像更清晰、更準(zhǔn)確，分辨率更高，提高了超聲診斷設(shè)備的質(zhì)量。

　　AD9271是ADI公司針對(duì)全數(shù)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(shè)備設(shè)計(jì)師將超聲系統(tǒng)的信號(hào)通道尺寸減少50%，電路板占用面積減少約40%，順應(yīng)了當(dāng)今超聲儀器向小型化、便攜式方向發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，可大大降低儀器的噪聲水平，各項(xiàng)性能指標(biāo)得到顯著提高，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)保證了圖像的高質(zhì)量，提高了醫(yī)學(xué)超聲影像診斷的準(zhǔn)確性。

　　基于AD9271的全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)

　　圖1為基于AD9271的全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)框圖。發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射脈沖，通過(guò)陣元選通電路激勵(lì)線陣換能器生成超聲波。超聲波遇被探查物體所產(chǎn)生的回波信號(hào)傳至AD9271。AD9271可獨(dú)立完成前置放大、抗混疊濾波、高速A/D變換等模擬信號(hào)處理過(guò)程，替代了傳統(tǒng)全數(shù)字B超系統(tǒng)中前端IC電路多芯片分立的設(shè)計(jì)方案。獲得的數(shù)字信號(hào)通過(guò)FPGA，完成信號(hào)和圖像的處理，包括波束形成、動(dòng)態(tài)聚焦、動(dòng)態(tài)濾波、可變?cè)鲆娣糯?、?duì)數(shù)放大、檢波和DSC;最后將處理完的圖像傳入顯示器進(jìn)行顯示。

　　圖1 基于AD9271的全數(shù)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(nèi)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(kāi)關(guān)芯片組成。80通道高壓模擬開(kāi)關(guān)一端分別與80個(gè)陣元相連，另一端則每5個(gè)一組分別與16個(gè)輸入輸出通道相連，由FPGA輸入控制碼實(shí)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(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)而得到的。FPGA發(fā)出的控制脈沖需要首先通過(guò)一個(gè)功率觸發(fā)器，將脈沖的幅值提高到12V后，作為激勵(lì)脈沖送入場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。當(dāng)無(wú)激勵(lì)脈沖時(shí)，作為電子開(kāi)關(guān)的場(chǎng)效應(yīng)管斷開(kāi)，電源通過(guò)限流電阻R1向隔直流電容C充電到VH。當(dāng)出現(xiàn)激勵(lì)脈沖時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)。由于電容兩端電壓不能瞬時(shí)改變，因此在電容C的右端在理論上會(huì)出現(xiàn)-VH的電壓脈沖，通過(guò)電纜加到換能器上。兩個(gè)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

　　AD9271

　　AD9271是首例將8信道的放大器電路和A/D轉(zhuǎn)換器集成在1枚芯片上的產(chǎn)品。每個(gè)通道包括常規(guī)超聲信號(hào)模式和連續(xù)多普勒信號(hào)模式兩種，通過(guò)控制信號(hào)進(jìn)行選擇使用。其中常規(guī)超聲信號(hào)模式由低噪聲前置放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、抗混迭濾波器(AAF)和采樣速度為10MSPS~50MSPS的12位A/D轉(zhuǎn)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(shí)，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(shù)而不必加大電源功率。此外在實(shí)際應(yīng)用中，還可以關(guān)閉不使用通道的電源，減少了功率的損耗，對(duì)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(hào)通道模式，其控制是由FPGA通過(guò)SPI接口輸入控制碼實(shí)現(xiàn)的。SPI接口由串行時(shí)鐘端口(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸入輸出口(SDIO)和片選端口(CSB)組成。SCLK輸入串行位移時(shí)鐘，用于保證輸入及輸出數(shù)據(jù)與AD9271同步;SDIO為一雙向端口，用于輸入輸出數(shù)據(jù);CSB為SPI的使能端，控制SPI接口的開(kāi)閉，其中CSB為低電平時(shí)SPI有效。三個(gè)端口的時(shí)序如圖3所示[3]。

　　圖3 SCLK、SDIO、CSB時(shí)序圖

　　當(dāng)CSB變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，SDIO開(kāi)始跟隨SCLK輸入輸出數(shù)據(jù)。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(shù);第四位到第十六位為輸入輸出數(shù)據(jù)的起始地址，當(dāng)傳送的數(shù)據(jù)多于一個(gè)字節(jié)時(shí)，數(shù)據(jù)地址以起始地址為準(zhǔn)按序定址。指示碼傳送完畢后開(kāi)始傳送控制碼。AD9271的內(nèi)部寄存器大致可以分為芯片配置寄存器、片選及模式轉(zhuǎn)換寄存器、程序寄存器三部分，將控制碼存入相應(yīng)的寄存器以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。此外，F(xiàn)PGA還為發(fā)射接收電路和AD9271提供時(shí)鐘，以保證它們的同步性。

　　AD9271輸出的數(shù)字信號(hào)將傳送到FPGA中進(jìn)行后期的信號(hào)、圖像處理。

　　圖4為此超聲成像系統(tǒng)對(duì)正常眼部組織進(jìn)行檢查所得的超聲回波信號(hào)。圖中左端雜亂的多個(gè)飽和、高衰減波峰為始波，這是探頭本身、探頭與皮膚接觸產(chǎn)生的回波。始波后平段表示無(wú)回聲界面的玻璃體。始波后約25mm，可見(jiàn)玻璃體-視網(wǎng)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(hào)全貌

　　結(jié)語(yǔ)

　　AD9271接口簡(jiǎn)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(yīng)用中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 馮若、劉忠齊、姚錦鐘等，超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計(jì)，中國(guó)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.