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          超聲便攜式設(shè)備的系統(tǒng)劃分

          作者: 時間:2008-07-10 來源:ADI公司 收藏

            上世紀90年代初,電話風靡一時,隨著電子技術(shù)的長足發(fā)展,現(xiàn)今的手機除了可以發(fā)送電子郵件和短信,還能拍照、查詢股票價格、安排會議;當然,也可以同世界上任何地方的任何人通話。
                 
            同樣在醫(yī)療領(lǐng)域中,以前所謂的曾裝載在手推車上以便于拖拽;而今天的醫(yī)用也在持續(xù)向小型化發(fā)展,并且被醫(yī)生們稱為“新型聽診器”。
            
            趨勢
            
            由于超聲的優(yōu)異功用,市場對超聲系統(tǒng)的便攜性有很高的要求。便攜性的提升可以在無法提供可靠電源的遠程應(yīng)用中使用這些設(shè)備,如偏遠鄉(xiāng)村的臨床醫(yī)療、緊急醫(yī)療服務(wù)、大型動物飼養(yǎng)、以及橋梁、大型機械和輸油管線的檢驗等。
                
            超聲系統(tǒng)可以分為高、中、低端三類。高端超聲系統(tǒng)采用最新的技術(shù),滿足市場最新的要求,并且提供最佳的圖像質(zhì)量。中端超聲系統(tǒng)在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下,通常具有高端超聲系統(tǒng)的部分特性。而低端超聲系統(tǒng)的體積一般較小,一般應(yīng)用于臨床醫(yī)療等特定應(yīng)用。
            
            超聲信號鏈路
            
            醫(yī)用超聲的波束成形被定義為信號的相位對準和求和,該信號由共同的源生成,但是由多元超聲傳感器在不同的時間點接收。在CWD(連續(xù)多普勒)路徑中,對接收器通道進行移相和求和,以提取一致的信息。波束成形具有兩個功能:一個是向傳感器指明方向,即提高其增益;另一個是定義人體內(nèi)的焦點,由該焦點得到回波的位置(圖1)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/85532.htm

            對于波束成形,可以采用兩種截然不同的方法,即模擬波束成形(ABF)和數(shù)字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統(tǒng)之間的主要差別在于完成波束成形的方式,這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF中使用了“模擬延遲線”和求和的方式,其中僅需要一個(分辨率非常高的)高速ADC。而在DBF系統(tǒng)中,需要多個高速高分辨率ADC。有時候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對數(shù)放大器壓縮動態(tài)范圍。在DBF系統(tǒng)中,應(yīng)盡可能接近傳感器單元來采集信號,然后將信號延遲并對其進行數(shù)字求和。
            
            由于數(shù)字IC的性能以非常高的速度持續(xù)提高,在采集數(shù)據(jù)之后,數(shù)字存儲和求和是“完美的”,因此通道間的匹配也是完美的;通過對FIFO中不同位置的數(shù)據(jù)求和,可以容易地形成多個波束而更加靈活,出于以上優(yōu)勢,大部分現(xiàn)代圖像采集超聲系統(tǒng)常采用DBF,此外模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差,延遲抽頭的數(shù)目也受到限制,且必須使用微調(diào)電路。

            然而另一方面,ABF和DBF之間的優(yōu)缺點也是相對的。相對于ABF,DBF需要多個高速高分辨率ADC(脈寬多普勒需要約60 dB的動態(tài)范圍,因此至少需要10 bit的ADC),而ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調(diào)節(jié)的準確度,采樣速率越高,相位延遲就越精細;另外由于使用多個ADC和數(shù)字波束成形,因此功耗較高。
            
            系統(tǒng)劃分策略
            
            雖然已存在許多先進的電子技術(shù),但是超聲系統(tǒng)的設(shè)計仍然十分復雜。許多年來,制造商通過設(shè)計定制來實現(xiàn)復雜的系統(tǒng)。該解決方案通常包括兩個,其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分,如圖2所示。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前,這一方法非常常見。該定制電路允許設(shè)計人員加入一些廉價的、靈活的功能。由于集成大部分的信號鏈路,減少了系統(tǒng)中使用外部元件的數(shù)目,因此該解決方案成本較低;但是其缺點在于,隨著時間的推移,光刻技術(shù)的發(fā)展使得這些ASIC已不能滿足進一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門電路,它們的數(shù)字技術(shù)不能針對集成模擬功能進行優(yōu)化;而且僅有有限的供應(yīng)商可以定制ASIC器件,這將導致設(shè)計者面臨一些瓶頸。

            超聲系統(tǒng)的便攜性是有局限的,但的確是可行的。即便這樣,這也是解決系統(tǒng)劃分問題的重要的第一步。便攜性不僅指產(chǎn)品體積,而且也表現(xiàn)在電池壽命方面,因為這些電路對功耗的要求非常高。隨著四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出現(xiàn),體積和功耗得到進一步減小,也隨之產(chǎn)生了解決便攜性問題的新型的系統(tǒng)方法。多通道器件允許設(shè)計人員在構(gòu)造系統(tǒng)時,將敏感電路放置在兩個或更多的電路板上,可以減小系統(tǒng)體積,并且有利于在多個開發(fā)平臺上重復利用該電路。但是這一方法也存在缺點,系統(tǒng)體積減小也依賴于系統(tǒng)劃分,多通道器件可能使PCB的布線極為繁瑣,迫使設(shè)計人員使用通道數(shù)目較少的器件,例如從八通道ADC變?yōu)樗耐ǖ繟DC,而且如果系統(tǒng)體積較小,還會帶來散熱的問題。
            
            隨著完整的TGC路徑的進一步集成,多通道、多元件的集成使設(shè)計變得更加容易,這是因為它們對PCB尺寸和功耗的要求進一步降低。隨著更高級的集成方案的廣泛使用,可以進一步減少成本、供應(yīng)商數(shù)量、系統(tǒng)體積和功耗。系統(tǒng)散熱量有效降低,可延長便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統(tǒng)為滿足緊湊性要求而設(shè)計,它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝,每個完整的TGC通道在40 MSps下功耗僅為150 mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數(shù)目,因此使每個通道的總面積至少減少1/3,功耗至少降低25%。

            但是AD9271不可能滿足每個超聲系統(tǒng)設(shè)計人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中,或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是:連接探針單元的電纜會對動態(tài)范圍有些不良影響,而且成本較高。如果前端電子元件比較接近探針,那么就可以減少影響信號靈敏度的探針損耗,允許設(shè)計人員降低系統(tǒng)對LNA的要求。也可將LNA集成到探針單元中;或?qū)GA控制放在探針和電路板上的元件之間。隨著器件的尺寸不斷縮小,系統(tǒng)也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點在于,設(shè)計人員需要對探針進行全定制設(shè)計。換言之,探針/電子器件的定制設(shè)計將使設(shè)計人員回到ASIC實例中存在的技術(shù)瓶頸,而且供應(yīng)商是有限的。
            
            現(xiàn)今大部分超聲系統(tǒng)公司將其大部分知識產(chǎn)權(quán)(IP)應(yīng)用于探針和波束成形技術(shù),使用多通道集成的常用器件,包括四通道和八通道ADC來完成系統(tǒng),消除了對高成本元器件的需要,而且簡化了獨立TGC路徑的調(diào)整和優(yōu)化。此外,也可以考慮進一步集成超聲系統(tǒng)的其它部分。在生產(chǎn)能力許可且市場導向目標適當?shù)那疤嵯拢@些其它信號鏈路部分的集成將是有利的。
            
            結(jié)論
            
            技術(shù)早期用于檢測大型水下船體和潛艇,也可檢驗結(jié)構(gòu)制造中的裂縫,目前超聲技術(shù)已走入日常生活,其進一步的廣泛應(yīng)用也僅僅是一個時間問題。醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用對便攜式超聲系統(tǒng)的需求日益增長,各種系統(tǒng)對設(shè)備的緊湊性和便攜性都有著類似的要求。隨著技術(shù)的不斷進步,相信在不久的將來,用戶就可以利用手機發(fā)送胎兒的掃描圖像了。



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