利用高效半导体提高便携式超声波系统的图像质量

作者：Veronica Marques 和 Mark Nadeski，德州仪器 (TI)

便携式超声波系统是紧急护理点使用的功能较为强大的诊断工具之一。这种无创成像工具让许多自然灾害（例如：地震、飓风和路侧事故等）的受害者能够快速地得到急救人员的诊断和治疗。这种便携式设备大小不一，从膝上型到手持式，重量为 10 磅甚至更轻，并且可以使用电池供电。由于得到新兴超声波市场的广泛认可（例如：医学急救、局部麻醉和远程医疗等），其在较近几年发展迅猛。

便携式超声波系统的重要特性与所有其他便携式设备一样：如尺寸、重量、电池使用寿命、成本和性能。开发便携式超声波系统时面临的主要挑战是在实现便携性的同时保持卓越的图像质量。这种在便携性和性能之间的权衡将使得半导体集成度更高、配置级别更多样并使用多种新型构架。

超声波系统构架

医疗超声波系统通过将高频声能脉冲集中发射到人身体，然后对返回信号进行处理，以形成皮肤组织的图像。图 1 中的超声波系统结构图显示了便携式超声波系统的主要组件。变送器阵列与波束生成电路一起负责聚集超声波。医疗变送器通常由 8 到 512 个元件组成。每个元件通常响应一条发射/接收通道。

图 1 便携式超声波系统结构图

超声波成像始于波束生成器控制单元。发射波束生成器、高压 (HV) 脉冲发生器和 HV 多路复用器形成发射路径，主要负责发送器元件的脉冲激励。发送器元件由压电材料组成，它将高压电脉冲转换成聚焦高频声波，范围为 1–15 MHz。这些声波进入人身体，碰到不同皮肤组织之间的边界时反射回发送器，然后被转换成许多电信号。转换后的电信号通过发射/接收 (T/R) 开关进入到接收路径。T/R 开关从发射模式切换到接收模式，并防止高压脉冲损坏接收电子元件。

电信号被放大、过滤，然后通过模拟前端 (AFE) 转换为数字格式。AFE 由低噪声放大器 (LNA)、压控衰减器 (VCA)、可编程增益放大器 (PGA)、抗混淆滤波器 (AAF) 和模数转换器 (ADC) 组成。LNA 放大低噪声，以获得较好的灵敏度。VCA 和 PGA 是时间增益控制 (TGC) 模块的组成部分，可改善系统的动态范围。它们还允许增益随时间而增加，目的是在其通过人身体时对增加的信号衰减进行补偿。然后对经放大的信号进行过滤，以改善其信噪比 (SNR)。通过一个 ADC，将得到的信号转换为数字格式，再由接收波束生成器进行处理。AFE 的性能可极大地改善超声波系统的尺寸、重量、电池使用寿命和图像质量等特性。

根据其功能和性能的不同，超声波系统呈现出差异化。功能差异化主要取决于系统的数字处理功能。一般而言，主要有三种超声波系统运行模式：1）B 模式成像可生成灰度图像，用于检查组织结构和器官；2）彩色多谱勒模式可生成彩色图像，其比 B 模式灰度图像更有层次感，色码表示血液的流动方向和数量；3）频谱多谱勒模式提供用户指定位置的血液流速分布的滚动显示。

除了这三种运行模式专用的算法以外，还有一些所有传统超声波系统都有的基本信号处理功能。这些功能包括滤波、检测、日志压缩和扫描转换。滤波一般为带通滤波，用于减少噪声，并选择使用基频（提供更高的穿透力）还是第二次谐波（具有更高的分辨率，因为具备更好的组织区分属性）进行成像。在超声波处理中，检测是一种信号包络提取过程，通常涉及希尔伯特 (Hilbert) 转换，或者使用一个复合转子来解调低通滤波前面的信号。日志压缩用于让信号进入显示的动态范围内。扫描转换这个处理步骤可实现原始数据坐标系统到显示使用坐标系统的转换，这样才能准确地表示显示数据。

根据具体的超声波设备，在数字处理路径中还实施了其他的一些算法，旨在提取更加清晰的图像，从而提高诊断能力。这些算法包括匹配滤波、时间频率补偿、回声线求平均、噪声斑点抑制、帧平滑和边缘检测等等。系统拥有的数字处理能力越高，处理部分的灵活性就越高，系统产生高质量超声波图像的功能也就越强。

优化模拟前端以实现便携性

对便携式超声波系统来说，AFE 组件的低功耗和集成度是电池使用寿命和尺寸优化的重要标准。这些要求通常会与系统性能相矛盾，因此我们必须要做一些权衡。

必须做出的第一个权衡便是决定 AFE 的通道数量。通道数量越少，系统就越小、越紧凑，并拥有更长的电池使用寿命。不幸的是，通道数减少的同时，图像质量也开始降低。使用 16 到 64 条通道的系统，一般可以在便携性和图像质量之间取得平衡。高度集成的 8 通道和 16 通道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC) 现已开始供货。由于这些器件采用了更少的组件和更简单的布局，因此其尺寸更小且成本也更低，同时也缩短了上市时间。（请参见图 2）。

图 2 便携式超声波系统更高的集成度和新型构架

AFE组件的功耗是一个重要的方面，其对电池使用寿命有直接的影响。AFE 的总噪声和线性性能与功耗密切相关。为了获得卓越的噪声性能，LNA 必须耗散一定量的功率。高线性或大输入信号范围推动了对更高电源电压的需求，旨在避免信号削波，且同时保持动态范围性能。更高的电源电压会带来更高的功耗。便携式超声波系统设计人员现在拥有利用不同级别配置或新型构架使设计更加灵活，从而优化低功耗和低噪声。下面的一些例子很好地解释了性能和功耗之间的关系。

例如，市场上的一些 AFE 产品现在可以提供几种运行模式，以实现噪声/功耗优化。这样便让系统设计人员可以使用不同级别的配置，以获得其系统中较佳的功耗/噪声平衡。TI 的 AFE5804 是一款具有许多噪声/功耗优化选项的 8 通道AFE。系统设计人员通过使用寄存器可以配置其功耗和噪声数。这种 AFE 可以配置为101mW/通道，以获得 1.23nV/rtHz 的全链输入等效噪声 (IRN)；也可以配置为 112mW/通道，以获得 0.89nV/rtHz 的 IRN。

另一个例子是使用新型构架来实现功耗优化。AFE5851 是一款没有集成 LNA 的 16 通道 AFE。这便产生一种新的系统构架。较佳解决方案是将 LNA 集成到变送器中。这样，系统的噪声数便得到极大改善，因为 LNA 前面的信号损耗被较小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。5.5nV/rtHz 全链 IRN 的噪声性能由于变送器中集成了 LNA 而抵消。结果便是一种创新的新型便携式系统构架在保持噪声性能的同时又满足了较为严格的低功耗要求。

值得一提的是，接收/发射 (T/R) 信号路径中的其他组件也可以降低功耗和尺寸。T/R 开关由保护二极管桥接和钳位二极管组成，传统上可以分开应用。多通道、全集成 T/R 开关现在可以较小化尺寸。T/R 开关集成的一些权衡因素包括插损、电容和串扰——高端系统中较为常见并适合大多数便携式应用。集成的 T/R 开关解决方案可节省 50% 以上的面板空间时，便携性的利便大于弊。T/R 开关通常保持开启，以保护接收器路径免受 HV 发射脉冲的损害。与二极管桥接相关的偏置电流不断被下拉，从而影响功耗。可编程偏置电流是调节功耗的一种方法。例如，TI 的 TX810 是一款集成的 8 通道、6 mm x 6 mm T/R 开关，其包含一个 3 位接口，用于编程设置一个 7mA 范围的偏置电流。利用这种组合，超声波系统设计人员可以编程 7 种不同的电流设置，并且可以使用一种关断模式来降低功耗。

尽管在 B 模式系统功耗中，由于其频宽比较低， HV 脉冲发生器一般不是很受关注，但仍然有一些方法可以用来降低发射路径的尺寸和噪声。离散脉冲发生器将被集成到多通道 IC 中，从而通过使用更小和更少的组件来缩小发射路径的尺寸。发射路径的输出为高压、阳极和阴极对称脉冲，其前后均为 0V。信号归 0V 的能力是减少脉冲发生器带来系统振铃的关键，它被称为阻尼功能。TI 的 TX734 是一款集成的、四通道、+/–90V 的脉冲发生器，采用 9 mm x 9 mm QFN 有源阻尼封装，以降低便携式超声波系统的噪声和尺寸。

数字处理实现便携性的方法

依靠超声波系统的数字处理元件实现便携性，不外乎是选择正确的处理元件组合。在便携式系统中，设计人员常常误认为组件越少越好，因此他们会寻找一款能够完成所有任务的单处理器。实际上，将少数处理元件的处理任务分解开来而非强迫一颗单处理器完成其并不适合的任务通常能取得更好的效果。

例如，尽管对大多数数字处理而言 FPGA 在功耗和空间方面并不是一种高效的解决方案，但低成本的 FPGA 仍然非常有助于获取 AFE 数据、完成波束形成以及连接到后端处理引擎。波束生成器之后，将其他处理移至数字信号处理器 (DSP) 通常为一种更好的方法，因为 DSP 的高可编程、实时构架更加适合于超声波处理的其他部分，从而产生一个功效更高、面积更小和灵活性更高的系统。

根据超声波系统的功能，可以考虑使用数种 DSP。诸如 TI 的 TMS320C6455 等高性能 DSP 拥有强大的计算能力，可有效地执行所有后端超声波处理任务，而先进的片上系统 (SOC) 具有可操作系统 (OS) 、人机接口和驱动显示器的高集成度的构架。C6455 可用于各种处理器速度，包括一些系统的高端 1.2 GHz 版本，为这些系统实施额外的算法来提高图像质量或增加特性。就真正的便携式系统而言，低成本的 FPGA 和单 SoC（例如：TI 的 OMAP3530 等）器件可能是所有必需的处理。在这种情况下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+? DSP 内核会完成滤波、检测、日志压缩和扫描转换，而 ARM? Cortex?-A8 则会运行 OS、图形用户界面 (GUI) 并驱动显示器。

结论

便携式超声波系统的使用率和功能性不断增长。如 TI 这样的半导体公司同时拥有模拟和数字器件产品线，旨在帮助广大开发人员在这方面改进其系统。随着调谐半导体器件的不断出现，便携式超声波系统将变得更小、更有用，从而给我们大家带来更好的医疗保健。

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