對更便攜、更低成本的醫(yī)療超聲成像設備的需求正在對其設計產生重大影響。本應用筆記回顧了使這些緊湊型超聲系統(tǒng)成為可能的模擬集成方面的一些最新進展，然后討論了與控制緊湊型系統(tǒng)中噪聲相關的一些設計挑戰(zhàn)以及適當的前期系統(tǒng)設計的重要性。

介紹

在過去的十年中，醫(yī)療超聲成像設備經歷了一場革命。集成電子技術的進步使設備制造商能夠顯著提高這種功能強大的醫(yī)療工具的便攜性和可負擔性。曾經重達數百磅并需要推車才能移動的東西，現(xiàn)在只有便攜式筆記本電腦的大小。毋庸置疑，這對醫(yī)學界和患者的影響是深遠的。在發(fā)達國家，超聲波現(xiàn)在用于患者的護理點，這降低了成本并改善了結果。在發(fā)展中國家，超聲成像現(xiàn)在可供其主要農村人口中的更大部分使用。這些新的、更便攜的低成本系統(tǒng)對全球醫(yī)療保健的影響是巨大的，并廣受好評。該技術的未來有望取得更多進步。

開發(fā)這些緊湊型成像解決方案的道路并不容易。隨著制造商努力使這些系統(tǒng)更便攜、更便宜、性能更高，這些設計已經并將繼續(xù)存在重大挑戰(zhàn)。本應用說明重點介紹了該設備設計人員面臨的一些更重要的設計挑戰(zhàn)。

高質量成像和太空溢價

緊湊型超聲系統(tǒng)的設計人員必須在可用的小空間內安裝產生高質量圖像所需的大量超聲收發(fā)器。這不是一項簡單的任務。當前最先進的系統(tǒng)通常擁有128個或更多的這些收發(fā)器。 典型的超聲收發(fā)器框圖如圖1所示。為了產生超聲圖像，收發(fā)器的高壓發(fā)射器產生適當定時的高壓脈沖，以激勵超聲換能器元件并產生聚焦的聲學傳輸。來自這種傳輸的聲能被患者體內的阻抗不連續(xù)性反射，由相同的元件接收，并路由回收發(fā)器的接收器部分。

圖1.超聲收發(fā)器框圖顯示了所需的各種功能。

接收器由發(fā)射/接收（T/R）開關、低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）和模數轉換器（ADC）組成。每個傳感器元件都通過T/R開關連接到LNA，該開關保護LNA輸入免受高壓發(fā)射信號的影響。LNA本身提供初始固定增益，以優(yōu)化接收器的噪聲性能。VGA用于補償體內超聲信號隨時間推移的衰減，從而降低了后續(xù)ADC的動態(tài)范圍要求。接收鏈中的AAF可防止超出正常最大成像頻率的任何高頻噪聲被ADC映射到接收頻段。放大和數字化的信號在超聲系統(tǒng)的數字波束形成器中被延遲和求和，以產生聚焦的接收波束成形信號。產生的數字信號用于生成2D圖像以及脈沖模式多普勒信息。

接收器在LNA之后還有一個單獨的連續(xù)波多普勒（CWD）接收器/波束形成器路徑。在CWD模式下，接收器的動態(tài)范圍要求非?？量?，超出了VGA/ADC信號路徑的范圍。CWD波束成形可以通過將接收信號與適當相位的本振（LO）混合并將產生的基帶信號相加來實現(xiàn)。因此，CWD接收器博克由高動態(tài)范圍模擬同相/正交相位（I/Q）混頻器和可編程LO發(fā)生器組成。

正如人們所看到的，典型的收發(fā)器具有重要的功能，將128個或更多的收發(fā)器裝入PC大小的收發(fā)器是一項設計挑戰(zhàn)。模擬IC制造商已經通過更高集成度的解決方案來應對這一挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)在常見的是采用小至10mm x 10mm封裝的包含LNA、VGA、AAF和ADC的八通道接收器。高壓脈沖發(fā)生器現(xiàn)在還提供小至 4mm x 8mm 的 10 通道和 10 通道單封裝配置。這些進步意義重大，在實現(xiàn)當前一代便攜式系統(tǒng)方面發(fā)揮了關鍵作用。然而，展望未來，有更多的整合機會。

MAX2082八通道收發(fā)器（圖2）是高集成度超聲解決方案最新進展的一個例子。它包括完整的接收器、T/R 開關、耦合電容器和 3 電平高壓脈沖發(fā)生器，采用單個 10mm x 23mm 封裝。這種單一收發(fā)器可節(jié)省大量空間，縮短設計時間，并降低整體系統(tǒng)成本。

圖2。MAX2082超聲收發(fā)器集成了完整的接收器、T/R開關、耦合電容和3電平高壓脈沖發(fā)生器。

這種高度集成的收發(fā)器可以節(jié)省大量空間。僅集成的T/R開關就可節(jié)省大量成本?？紤]大多數現(xiàn)有超聲系統(tǒng)中使用的典型分立式 T/R 開關（圖 3）。此 T/R 開關實現(xiàn)中有 128 個分立組件。在 1000 通道系統(tǒng)中，僅 T/R 開關功能就代表 <> 多個分立器件！

圖3.發(fā)送/接收 （T/R） 開關有 128 個分立元件。在 1000 通道系統(tǒng)中，僅這些開關中就有 <> 多個分立元件。

圖4所示為采用MAX2082進行128收發(fā)器通道配置的印刷電路板（PCB）布局。所需空間小于 10 平方英寸，不到使用單個八通道接收器 IC、八通道脈沖發(fā)生器 IC 和分立式 T/R 開關的當前解決方案所需空間的一半。

圖4.使用八通道收發(fā)器的 128 通道 PCB 布局。

收發(fā)器電源管理

在這些高度集成的設計中，功耗也是一個主要問題。這些超聲系統(tǒng)中有許多是便攜式的，并且在兩次充電之間必須使用電池運行一個小時或更長時間。熱管理也是個問題，因為元件密度非常高，PCB可以非?？拷?，幾乎沒有氣流空間。超聲收發(fā)器占整個系統(tǒng)功率預算的很大一部分，因此需要特別注意設計。

在過去的10年中，超聲波接收器的功率已經減少了一半。現(xiàn)在常見的是IC接收器解決方案包括LNA、VGA、AAF和ADC，每通道損耗低于150mW。這些新一代接收器還具有更靈活的功率控制功能，允許用戶在功耗與性能之間進行權衡，并在系統(tǒng)處于非成像模式時利用低功耗、快速喚醒“打盹”模式來節(jié)省功耗。

未來還有更多改進的機會。例如，T/R開關本身每通道的損耗可能超過80mW，因為需要很大的偏置電流來降低二極管的導通阻抗，以滿足必要的噪聲性能。這幾乎與接收器的其余部分一樣大！在上述MAX2082收發(fā)器等產品中，較新的專有集成T/R開關設計比這些分立設計具有更好的噪聲性能，每通道小于15mW。

平衡噪聲與小型化

高集成度和低功耗是便攜式超聲系統(tǒng)面臨的明顯設計挑戰(zhàn)。與該設備小型化相關的一些性能問題并不那么明顯。

將帶內噪聲降至最低

超聲系統(tǒng)對2MHz至15MHz范圍內的輻射和傳導帶內噪聲和干擾都非常敏感。單通道的輸入靈敏度可低至1nV/vHz。在典型的128通道系統(tǒng)中，施加到所有輸入的無用信號的處理增益高達21dB，具體取決于通道間波束成形延遲。因此，施加到小至0.09nV/√Hz的所有輸入的帶內噪聲信號是可見的，并在圖像中顯示為偽影。這些偽影發(fā)生得如此普遍，以至于它們通常被稱為“閃光”偽影;它們類似于相控陣圖像中心的一束光，其中系統(tǒng)對公共輸入信號具有最高的處理增益。這么小的信號很容易來自系統(tǒng)中的各種輻射或傳導干擾源。

超聲系統(tǒng)設計人員不遺余力地將嘈雜的數字電路與敏感的模擬電路物理隔離開來，并控制接地環(huán)路。不幸的是，便攜式超聲系統(tǒng)設計人員無法在物理上分離該電路，并且由于大多數PCB的空間和熱密度有限，屏蔽可能會有問題。因此，在這些設計中出現(xiàn)帶內噪聲問題是極其常見的，特別是當它們在物理上非常接近通常用于執(zhí)行許多計算和顯示任務的嘈雜單板PC時。因此，在設計過程的早期適當注意接地和屏蔽尤為重要。在原型評估階段的后期嘗試修改這些高度集成的設計可能非常困難且耗時。

最小化音頻噪音

在許多情況下，低頻音頻噪聲也可能是一個問題，事實上，通常更難解決。在超聲系統(tǒng)中，通過測量反射發(fā)射信號的小多普勒頻移來檢測血流。發(fā)射信號或來自靜止物體的接收信號的任何低頻調制都會產生噪聲邊帶，這可能會掩蓋感興趣的多普勒信號（圖5），或者在多普勒頻譜中產生不需要的“音調”。在脈沖多普勒應用中，發(fā)射信號功率與1kHz偏移時的噪聲之比需要小于140dBc/Hz。對于CWD，要求甚至更加苛刻：155dBc/Hz或更高。

這種低頻噪聲的來源很多，但最大和最常見的是低頻電源噪聲，這可能會導致許多多普勒問題。它會在敏感的數字發(fā)射和接收時鐘中引入抖動，進而限制接收器的動態(tài)范圍或產生不需要的多普勒音。它還會在VGA增益控制信號上產生低頻噪聲，該信號可以調制來自靜止組織的大接收信號，并可以消除微弱的相鄰多普勒信號。

音頻頻譜中的電源噪聲只能通過對電源進行有源調節(jié)來有效降低。傳統(tǒng)上，在大型推車系統(tǒng)中，功率低效的線性穩(wěn)壓器在整個系統(tǒng)中自由分布，以有效控制這種噪聲源。在更便攜的系統(tǒng)中，這種類型的解決方案通常是不可接受的。

圖5.多普勒近載波噪聲示例。

因此，設計人員必須利用分布式開關穩(wěn)壓器來提高效率。遺憾的是，這種類型的調節(jié)會引入顯著的RF帶內傳導和輻射開關噪聲，即使通過適當的旁路也難以控制。光譜多普勒對這種類型的噪聲特別敏感，因為離散開關頻率會導致多普勒光譜顯示器中的音調，這是這些系統(tǒng)中常見的偽影。確保此類噪聲不可見的一種方法是確保開關穩(wěn)壓器頻率與系統(tǒng)的主時鐘同步。通過這種方式，可以更容易地管理目標多普勒波段之外的開關噪聲，并且可以實現(xiàn)高水平的效率。在這些設計中，必須相當注意開關調節(jié)的使用，以保持低功耗并避免難以解決的多普勒偽像。

我們該何去何從？

設計工程師一致認為，設計便攜式超聲系統(tǒng)是一項重大挑戰(zhàn)。有限的空間、在不斷縮小的空間限制內管理電源以及對越來越高水平的性能的需求提出了新的、相當重要的問題需要克服。設計人員需要明智地使用已經高度集成、低功耗且滿足所需性能水平的模擬IC解決方案。他們還必須預測并執(zhí)行必要的詳細系統(tǒng)級設計工作，以避免這些高度緊湊的設計中固有的常見噪聲相關問題。

這些新的、更便攜的系統(tǒng)的好處是值得任何設計挑戰(zhàn)。我們已經看到了這些系統(tǒng)對全球醫(yī)療保健的積極影響。沒有理由相信這種趨勢不會持續(xù)下去——只要這些高度緊湊的醫(yī)療系統(tǒng)的設備設計人員能夠獲得更高集成度的模擬IC解決方案。

審核編輯：郭婷