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上世紀90年代初，便攜式電話風靡一時，隨著電子技術的長足發展，現今的手機除了可以發送電子郵件和短信，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。同樣在醫療領域中，以前所謂的便攜式超聲系統曾裝載在手推車上以便于拖拽；而今天的醫用超聲系統也在持續向小型化發展，并且被醫生們稱為“新型聽診器”。 超聲系統的便攜式趨勢 由于超聲的優異功用，市場對超聲系統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用中使用這些設備，如偏遠鄉村的臨床醫療、緊急醫療服務、大型動物飼養、以及橋梁、大型機械和輸油管線的檢驗等。 超聲系統可以分為高、中、低端三類。高端超聲系統采用最新的技術，滿足市場最新的要求，并且提供最佳的圖像質量。中端超聲系統在不犧牲圖像質量的前提下，通常具有高端超聲系統的部分特性。而低端超聲系統的體積一般較小，一般應用于臨床醫療等特定應用。 超聲信號鏈路 醫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的焦點，由該焦點得到回波的位置（圖1）。 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）和數字波束成形（DBF）。ABF和DBF系統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系統中，需要多個高速高分辨率ADC。有時候在ABF系統的ADC之前使用對數放大器壓縮動態范圍。在DBF系統中，應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字求和。 由于數字IC的性能以非常高的速度持續提高，在采集數據之后，數字存儲和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的；通過對FIFO中不同位置的數據求和，可以容易地形成多個波束而更加靈活，出于以上優勢，大部分現代圖像采集超聲系統常采用DBF，此外模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差，延遲抽頭的數目也受到限制，且必須使用微調電路。 然而另一方面，ABF和DBF之間的優缺點也是相對的。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節的準確度，采樣速率越高，相位延遲就越精細；另外由于使用多個ADC和數字波束成形ASIC，因此功耗較高。 系統劃分策略 雖然已存在許多先進的電子技術，但是超聲系統的設計仍然十分復雜。許多年來，制造商通過設計定制ASIC來實現復雜的系統。該解決方案通常包括兩個ASIC，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，減少了系統中使用外部元件的數目，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，光刻技術的發展使得這些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，它們的數字技術不能針對集成模擬功能進行優化；而且僅有有限的供應商可以定制ASIC器件，這將導致設計者面臨一些瓶頸。 超聲系統的便攜性是有局限的，但的確是可行的。即便這樣，這也是解決系統劃分問題的重要的第一步。便攜性不僅指產品體積，而且也表現在電池壽命方面，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，體積和功耗得到進一步減小，也隨之產生了解決便攜性問題的新型的系統方法。多通道器件允許設計人員在構造系統時，將敏感電路放置在兩個或更多的電路板上，可以減小系統體積，并且有利于在多個開發平臺上重復利用該電路。但是這一方法也存在缺點，系統體積減小也依賴于系統劃分，多通道器件可能使PCB的布線極為繁瑣，迫使設計人員使用通道數目較少的器件，例如從八通道ADC變為四通道ADC，而且如果系統體積較小，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、供應商數量、系統體積和功耗。系統散熱量有效降低，可延長便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統為滿足緊湊性要求而設計，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設計人員的要求。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，允許設計人員降低系統對LNA的要求。也可將LNA集成到探針單元中；或將VGA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，系統也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點在于，設計人員需要對探針進行全定制設計。換言之，探針/電子器件的定制設計將使設計人員回到ASIC實例中存在的技術瓶頸，而且供應商是有限的。 現今大部分超聲系統公司將其大部分知識產權（IP）應用于探針和波束成形技術，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，消除了對高成本元器件的需要，而且簡化了獨立TGC路徑的調整和優化。此外，也可以考慮進一步集成超聲系統的其它部分。在生產能力許可且市場導向目標適當的前提下，這些其它信號鏈路部分的集成將是有利的。 結論 脈沖回波技術早期用于檢測大型水下船體和潛艇，也可檢驗結構制造中的裂縫，目前超聲技術已走入日常生活，其進一步的廣泛應用也僅僅是一個時間問題。醫療和工業應用對便攜式超聲系統的需求日益增長，各種系統對設備的緊湊性和便攜性都有著類似的要求。隨著技術的不斷進步，相信在不久的將來，用戶就可以利用手機發送胎兒的掃描圖像了。 |
