利用高效半導(dǎo)體提高便攜式超聲波系統(tǒng)的圖像質(zhì)量

作者：Veronica Marques 和 Mark Nadeski，德州儀器 (TI)

便攜式超聲波系統(tǒng)是緊急護理點使用的功能較為強大的診斷工具之一。這種無創(chuàng)成像工具讓許多自然災(zāi)害（例如：地震、颶風和路側(cè)事故等）的受害者能夠快速地得到急救人員的診斷和治療。這種便攜式設(shè)備大小不一，從膝上型到手持式，重量為 10 磅甚至更輕，并且可以使用電池供電。由于得到新興超聲波市場的廣泛認可（例如：醫(yī)學急救、局部麻醉和遠程醫(yī)療等），其在較近幾年發(fā)展迅猛。

便攜式超聲波系統(tǒng)的重要特性與所有其他便攜式設(shè)備一樣：如尺寸、重量、電池使用壽命、成本和性能。開發(fā)便攜式超聲波系統(tǒng)時面臨的主要挑戰(zhàn)是在實現(xiàn)便攜性的同時保持卓越的圖像質(zhì)量。這種在便攜性和性能之間的權(quán)衡將使得半導(dǎo)體集成度更高、配置級別更多樣并使用多種新型構(gòu)架。

超聲波系統(tǒng)構(gòu)架

醫(yī)療超聲波系統(tǒng)通過將高頻聲能脈沖集中發(fā)射到人身體，然后對返回信號進行處理，以形成皮膚組織的圖像。圖 1 中的超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖顯示了便攜式超聲波系統(tǒng)的主要組件。變送器陣列與波束生成電路一起負責聚集超聲波。醫(yī)療變送器通常由 8 到 512 個元件組成。每個元件通常響應(yīng)一條發(fā)射/接收通道。

圖 1 便攜式超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超聲波成像始于波束生成器控制單元。發(fā)射波束生成器、高壓 (HV) 脈沖發(fā)生器和 HV 多路復(fù)用器形成發(fā)射路徑，主要負責發(fā)送器元件的脈沖激勵。發(fā)送器元件由壓電材料組成，它將高壓電脈沖轉(zhuǎn)換成聚焦高頻聲波，范圍為 1–15 MHz。這些聲波進入人身體，碰到不同皮膚組織之間的邊界時反射回發(fā)送器，然后被轉(zhuǎn)換成許多電信號。轉(zhuǎn)換后的電信號通過發(fā)射/接收 (T/R) 開關(guān)進入到接收路徑。T/R 開關(guān)從發(fā)射模式切換到接收模式，并防止高壓脈沖損壞接收電子元件。

電信號被放大、過濾，然后通過模擬前端 (AFE) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。AFE 由低噪聲放大器 (LNA)、壓控衰減器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、抗混淆濾波器 (AAF) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 組成。LNA 放大低噪聲，以獲得較好的靈敏度。VCA 和 PGA 是時間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統(tǒng)的動態(tài)范圍。它們還允許增益隨時間而增加，目的是在其通過人身體時對增加的信號衰減進行補償。然后對經(jīng)放大的信號進行過濾，以改善其信噪比 (SNR)。通過一個 ADC，將得到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，再由接收波束生成器進行處理。AFE 的性能可極大地改善超聲波系統(tǒng)的尺寸、重量、電池使用壽命和圖像質(zhì)量等特性。

根據(jù)其功能和性能的不同，超聲波系統(tǒng)呈現(xiàn)出差異化。功能差異化主要取決于系統(tǒng)的數(shù)字處理功能。一般而言，主要有三種超聲波系統(tǒng)運行模式：1）B 模式成像可生成灰度圖像，用于檢查組織結(jié)構(gòu)和器官；2）彩色多譜勒模式可生成彩色圖像，其比 B 模式灰度圖像更有層次感，色碼表示血液的流動方向和數(shù)量；3）頻譜多譜勒模式提供用戶指定位置的血液流速分布的滾動顯示。

除了這三種運行模式專用的算法以外，還有一些所有傳統(tǒng)超聲波系統(tǒng)都有的基本信號處理功能。這些功能包括濾波、檢測、日志壓縮和掃描轉(zhuǎn)換。濾波一般為帶通濾波，用于減少噪聲，并選擇使用基頻（提供更高的穿透力）還是第二次諧波（具有更高的分辨率，因為具備更好的組織區(qū)分屬性）進行成像。在超聲波處理中，檢測是一種信號包絡(luò)提取過程，通常涉及希爾伯特 (Hilbert) 轉(zhuǎn)換，或者使用一個復(fù)合轉(zhuǎn)子來解調(diào)低通濾波前面的信號。日志壓縮用于讓信號進入顯示的動態(tài)范圍內(nèi)。掃描轉(zhuǎn)換這個處理步驟可實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)到顯示使用坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，這樣才能準確地表示顯示數(shù)據(jù)。

根據(jù)具體的超聲波設(shè)備，在數(shù)字處理路徑中還實施了其他的一些算法，旨在提取更加清晰的圖像，從而提高診斷能力。這些算法包括匹配濾波、時間頻率補償、回聲線求平均、噪聲斑點抑制、幀平滑和邊緣檢測等等。系統(tǒng)擁有的數(shù)字處理能力越高，處理部分的靈活性就越高，系統(tǒng)產(chǎn)生高質(zhì)量超聲波圖像的功能也就越強。

優(yōu)化模擬前端以實現(xiàn)便攜性

對便攜式超聲波系統(tǒng)來說，AFE 組件的低功耗和集成度是電池使用壽命和尺寸優(yōu)化的重要標準。這些要求通常會與系統(tǒng)性能相矛盾，因此我們必須要做一些權(quán)衡。

必須做出的第一個權(quán)衡便是決定 AFE 的通道數(shù)量。通道數(shù)量越少，系統(tǒng)就越小、越緊湊，并擁有更長的電池使用壽命。不幸的是，通道數(shù)減少的同時，圖像質(zhì)量也開始降低。使用 16 到 64 條通道的系統(tǒng)，一般可以在便攜性和圖像質(zhì)量之間取得平衡。高度集成的 8 通道和 16 通道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC) 現(xiàn)已開始供貨。由于這些器件采用了更少的組件和更簡單的布局，因此其尺寸更小且成本也更低，同時也縮短了上市時間。（請參見圖 2）。

圖 2 便攜式超聲波系統(tǒng)更高的集成度和新型構(gòu)架

AFE組件的功耗是一個重要的方面，其對電池使用壽命有直接的影響。AFE 的總噪聲和線性性能與功耗密切相關(guān)。為了獲得卓越的噪聲性能，LNA 必須耗散一定量的功率。高線性或大輸入信號范圍推動了對更高電源電壓的需求，旨在避免信號削波，且同時保持動態(tài)范圍性能。更高的電源電壓會帶來更高的功耗。便攜式超聲波系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在擁有利用不同級別配置或新型構(gòu)架使設(shè)計更加靈活，從而優(yōu)化低功耗和低噪聲。下面的一些例子很好地解釋了性能和功耗之間的關(guān)系。

例如，市場上的一些 AFE 產(chǎn)品現(xiàn)在可以提供幾種運行模式，以實現(xiàn)噪聲/功耗優(yōu)化。這樣便讓系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用不同級別的配置，以獲得其系統(tǒng)中較佳的功耗/噪聲平衡。TI 的 AFE5804 是一款具有許多噪聲/功耗優(yōu)化選項的 8 通道AFE。系統(tǒng)設(shè)計人員通過使用寄存器可以配置其功耗和噪聲數(shù)。這種 AFE 可以配置為101mW/通道，以獲得 1.23nV/rtHz 的全鏈輸入等效噪聲 (IRN)；也可以配置為 112mW/通道，以獲得 0.89nV/rtHz 的 IRN。

另一個例子是使用新型構(gòu)架來實現(xiàn)功耗優(yōu)化。AFE5851 是一款沒有集成 LNA 的 16 通道 AFE。這便產(chǎn)生一種新的系統(tǒng)構(gòu)架。較佳解決方案是將 LNA 集成到變送器中。這樣，系統(tǒng)的噪聲數(shù)便得到極大改善，因為 LNA 前面的信號損耗被較小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。5.5nV/rtHz 全鏈 IRN 的噪聲性能由于變送器中集成了 LNA 而抵消。結(jié)果便是一種創(chuàng)新的新型便攜式系統(tǒng)構(gòu)架在保持噪聲性能的同時又滿足了較為嚴格的低功耗要求。

值得一提的是，接收/發(fā)射 (T/R) 信號路徑中的其他組件也可以降低功耗和尺寸。T/R 開關(guān)由保護二極管橋接和鉗位二極管組成，傳統(tǒng)上可以分開應(yīng)用。多通道、全集成 T/R 開關(guān)現(xiàn)在可以較小化尺寸。T/R 開關(guān)集成的一些權(quán)衡因素包括插損、電容和串擾——高端系統(tǒng)中較為常見并適合大多數(shù)便攜式應(yīng)用。集成的 T/R 開關(guān)解決方案可節(jié)省 50% 以上的面板空間時，便攜性的利便大于弊。T/R 開關(guān)通常保持開啟，以保護接收器路徑免受 HV 發(fā)射脈沖的損害。與二極管橋接相關(guān)的偏置電流不斷被下拉，從而影響功耗�？删幊唐�置電流是調(diào)節(jié)功耗的一種方法。例如，TI 的 TX810 是一款集成的 8 通道、6 mm x 6 mm T/R 開關(guān)，其包含一個 3 位接口，用于編程設(shè)置一個 7mA 范圍的偏置電流。利用這種組合，超聲波系統(tǒng)設(shè)計人員可以編程 7 種不同的電流設(shè)置，并且可以使用一種關(guān)斷模式來降低功耗。

盡管在 B 模式系統(tǒng)功耗中，由于其頻寬比較低， HV 脈沖發(fā)生器一般不是很受關(guān)注，但仍然有一些方法可以用來降低發(fā)射路徑的尺寸和噪聲。離散脈沖發(fā)生器將被集成到多通道 IC 中，從而通過使用更小和更少的組件來縮小發(fā)射路徑的尺寸。發(fā)射路徑的輸出為高壓、陽極和陰極對稱脈沖，其前后均為 0V。信號歸 0V 的能力是減少脈沖發(fā)生器帶來系統(tǒng)振鈴的關(guān)鍵，它被稱為阻尼功能。TI 的 TX734 是一款集成的、四通道、+/–90V 的脈沖發(fā)生器，采用 9 mm x 9 mm QFN 有源阻尼封裝，以降低便攜式超聲波系統(tǒng)的噪聲和尺寸。

數(shù)字處理實現(xiàn)便攜性的方法

依靠超聲波系統(tǒng)的數(shù)字處理元件實現(xiàn)便攜性，不外乎是選擇正確的處理元件組合。在便攜式系統(tǒng)中，設(shè)計人員常常誤認為組件越少越好，因此他們會尋找一款能夠完成所有任務(wù)的單處理器。實際上，將少數(shù)處理元件的處理任務(wù)分解開來而非強迫一顆單處理器完成其并不適合的任務(wù)通常能取得更好的效果。

例如，盡管對大多數(shù)數(shù)字處理而言 FPGA 在功耗和空間方面并不是一種高效的解決方案，但低成本的 FPGA 仍然非常有助于獲取 AFE 數(shù)據(jù)、完成波束形成以及連接到后端處理引擎。波束生成器之后，將其他處理移至數(shù)字信號處理器 (DSP) 通常為一種更好的方法，因為 DSP 的高可編程、實時構(gòu)架更加適合于超聲波處理的其他部分，從而產(chǎn)生一個功效更高、面積更小和靈活性更高的系統(tǒng)。

根據(jù)超聲波系統(tǒng)的功能，可以考慮使用數(shù)種 DSP。諸如 TI 的 TMS320C6455 等高性能 DSP 擁有強大的計算能力，可有效地執(zhí)行所有后端超聲波處理任務(wù)，而先進的片上系統(tǒng) (SOC) 具有可操作系統(tǒng) (OS) 、人機接口和驅(qū)動顯示器的高集成度的構(gòu)架。C6455 可用于各種處理器速度，包括一些系統(tǒng)的高端 1.2 GHz 版本，為這些系統(tǒng)實施額外的算法來提高圖像質(zhì)量或增加特性。就真正的便攜式系統(tǒng)而言，低成本的 FPGA 和單 SoC（例如：TI 的 OMAP3530 等）器件可能是所有必需的處理。在這種情況下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+? DSP 內(nèi)核會完成濾波、檢測、日志壓縮和掃描轉(zhuǎn)換，而 ARM? Cortex?-A8 則會運行 OS、圖形用戶界面 (GUI) 并驅(qū)動顯示器。

結(jié)論

便攜式超聲波系統(tǒng)的使用率和功能性不斷增長。如 TI 這樣的半導(dǎo)體公司同時擁有模擬和數(shù)字器件產(chǎn)品線，旨在幫助廣大開發(fā)人員在這方面改進其系統(tǒng)。隨著調(diào)諧半導(dǎo)體器件的不斷出現(xiàn)，便攜式超聲波系統(tǒng)將變得更小、更有用，從而給我們大家?guī)�來更好的醫(yī)療保健。

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