對(duì)可獲得的醫(yī)療保健的需求不斷增長(zhǎng)。世界人口正在快速增長(zhǎng)和老齡化，增加了醫(yī)療保健的成本。醫(yī)療從業(yè)者需要小型，節(jié)能且經(jīng)濟(jì)的診斷設(shè)備。非常需要能夠以具有成本效益的方式提高醫(yī)療質(zhì)量的便攜式診斷設(shè)備。除了解決產(chǎn)科，婦科，放射學(xué)，心臟病學(xué)和血管應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)成像應(yīng)用外，便攜式超聲成像還可以在點(diǎn)照顧。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單地將控制臺(tái)縮小為便攜式或手持式設(shè)備并不能保證足夠的電池壽命或診斷圖像質(zhì)量。

波束成形技術(shù)

系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新，加上模擬和混合信號(hào)電子，基于FPGA算法和控制，或基于CPU和GPU的圖像處理使緊湊系統(tǒng)具有高度診斷相關(guān)性。超聲系統(tǒng)使用焦點(diǎn)成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單通道方法可實(shí)現(xiàn)的性能。使用發(fā)射器和接收器陣列，可以通過(guò)時(shí)移，縮放，相干求和回波能量和相位來(lái)構(gòu)建高清晰度圖像，如圖1中的相控陣超聲系統(tǒng)所示。移位，定相和縮放的概念通常來(lái)自相同的往復(fù)換能器陣列的發(fā)射和接收信號(hào)被稱為波束形成。它提供了通過(guò)動(dòng)態(tài)聚焦和集中能量在掃描區(qū)域中的點(diǎn)來(lái)形成圖像的能力。

基于門陣列的解決方案，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的八通道超聲波發(fā)射/接收芯片組，與基于DSP的解決方案相比具有許多優(yōu)勢(shì)。最重要的是更高的靈活性，更低的成本和更低的功耗。

發(fā)射波束形成器提供延遲模式和輪廓，以設(shè)置換能器的所需焦點(diǎn)。 LM96570可配置發(fā)射波束形成器在主控制引擎和脈沖發(fā)生器之間提供無(wú)縫接口，允許可編程脈沖圖形輪廓具有良好的延遲分辨率。延遲分辨率為1μs/1280μs，與傳統(tǒng)的FPGA波束成形相比，抖動(dòng)性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1：相控陣超聲系統(tǒng)。

脈沖發(fā)生器需要提供高壓脈沖到換能器。正負(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)換期間的振鈴會(huì)影響圖像質(zhì)量。對(duì)稱方波脈沖改善二次諧波成像。通常，僅僅可視化異常組織可能是不夠的。諧波成像提高了空間分辨率，并對(duì)異常進(jìn)行了診斷。

LM96550的對(duì)稱脈沖可用于B模式或連續(xù)波（CW）多普勒模式。片上有源阻尼器可最大限度地減少振鈴。需要發(fā)送接收（T/R）開(kāi)關(guān)來(lái)保護(hù)接收路徑放大器免受高壓發(fā)送脈沖的影響。 LM96530T/R開(kāi)關(guān)允許通過(guò)菊花鏈SPI接口獨(dú)立控制每個(gè)通道。 FPGA只需要三個(gè)引腳即可控制系統(tǒng)中的任何通道。這顯著簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中每個(gè)芯片都需要專用引腳。偏置電流調(diào)整允許高性能或低功耗模式。

時(shí)間增益控制

對(duì)于具有高空間分辨率的深穿透，期望低接收器噪聲基底。在設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)中，低噪聲放大器（LNA）設(shè)置每個(gè)通道的性能。可變?cè)鲆娣糯笃?/u>（VGA）的目的是將LNA輸出信號(hào)映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的滿量程范圍，因?yàn)閬?lái)自身體的返回信號(hào)隨著深度和時(shí)間變?nèi)?。該過(guò)程稱為時(shí)間增益控制（TGC）或深度增益控制（DGC）。與對(duì)數(shù)放大器或分段線性模擬VGA相比，高分辨率數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃鳎―VGA）提供更好的增益匹配，增益平坦度和近距離相位噪聲。此外，DVGAs的增益誤差相對(duì)較低且在整個(gè)可變?cè)鲆娣秶鷥?nèi)保持一致。模擬VGA通常在較低和較高的增益極值處存在嚴(yán)重誤差，從而減少了可用范圍的數(shù)量。