超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計考慮

　　概述

　　通過發(fā)射超聲能量進入人體，接收并處理返回的反射信號，相控陣超聲系統(tǒng)可以生成體內(nèi)器官和結(jié)構(gòu)的圖像(圖1)，映射血液流動和組織運動，同時提供高準(zhǔn)確度的血流速度信息。傳統(tǒng)設(shè)計中，構(gòu)建這樣的成像系統(tǒng)需要大量的高性能相控陣發(fā)射器和接收器，使得車載設(shè)備體積龐大且價格昂貴。最近幾年，隨著集成工藝的進步，設(shè)計人員能夠獲得小尺寸、低成本而且高度便攜的成像系統(tǒng)方案，并可達到接近大型成像設(shè)備的性能指標(biāo)，圖2給出了超聲成像系統(tǒng)的原理框圖。而新的設(shè)計挑戰(zhàn)依然存在，即在進一步提高方案集成度的同時提高系統(tǒng)性能和診斷能力。

　　超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計考慮

　　傳感器

　　成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件是超聲傳感器。典型的超聲成像系統(tǒng)需要使用各種傳感器支持特定的診斷要求。每個傳感器由一組壓電傳感器單元陣列構(gòu)成，它們集中能量并發(fā)射到人體內(nèi)部，然后接收相應(yīng)的反射信號。每個單元通過纖細的同軸電纜連接到超聲系統(tǒng)。通常，傳感器由32至512個單元構(gòu)成，工作頻率為1MHz至15MHz。多數(shù)超聲系統(tǒng)提供兩個至四個傳感器轉(zhuǎn)換接口，臨床醫(yī)生可根據(jù)不同的檢測類型方便地更換傳感器。

　　高壓復(fù)用開關(guān)

　　典型的相控陣超聲系統(tǒng)配備了32個至256個發(fā)射器和接收器。有時，系統(tǒng)配備的發(fā)射器和接收器的數(shù)量少于傳感器單元的數(shù)量。這種情況下，需要在傳感器或系統(tǒng)中安裝高壓開關(guān)，用于信號復(fù)用，開關(guān)連接在特定的傳感器單元和發(fā)送/接收器對。由此，系統(tǒng)能夠在所提供的傳感器陣列中動態(tài)改變有效的傳感器孔徑。

　　成像系統(tǒng)對高壓開關(guān)的要求主要包括幾個方面：必須能夠承受電壓擺幅高達200VP-P且峰值電流高達2A的發(fā)射脈沖;開關(guān)必須能夠迅速切換，以快速調(diào)整有效孔徑、滿足圖像幀率的要求;最后，這些開關(guān)還必須具有極小的電荷注入，從而避免雜散傳輸以及相關(guān)的虛假圖像。Maxim開發(fā)的MAX14800可為超聲成像系統(tǒng)提供16通道高壓開關(guān)，該系列器件采用HVCMOS工藝，提供16個高壓低電荷注入SPST開關(guān)，由數(shù)字接口控制。同一系列的MAX14801在每個切換端集成了35kΩ泄漏電阻，用于對容性負載放電;MAX14802提供集成的鉗位二極管，用于過壓保護，防止正向電壓過沖。

　　高壓發(fā)射機

　　數(shù)字發(fā)射波束成形器用于產(chǎn)生所要求的數(shù)字發(fā)射信號，以正確的時間和相位生成聚焦發(fā)射信號。高性能超聲系統(tǒng)可通過任意波形發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的發(fā)射波形，從而優(yōu)化圖像質(zhì)量。發(fā)射波束成形器以大約40MHz速率生成8位至10位數(shù)字字符，并以此產(chǎn)生所要求的發(fā)射波形。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過線性高壓放大器進行放大，用于驅(qū)動傳感器單元。由于這種發(fā)射技術(shù)占用較大體積，而且價格昂貴、需要消耗較高能量，所以，這種架構(gòu)只限于昂貴的非便攜設(shè)備。多數(shù)超聲系統(tǒng)并不使用這種發(fā)射波束成形技術(shù)，而是采用多級高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生需要發(fā)射的信號。在這種替代方案中，利用高集成度、高壓脈沖發(fā)生器快速切換傳感器單元至適當(dāng)?shù)目删幊谈邏弘娫?，產(chǎn)生發(fā)射波形。為了產(chǎn)生一個簡單的兩極發(fā)射波形，脈沖發(fā)生器需要交替地將傳感器單元切換到由數(shù)字波束成形器控制的正、負發(fā)射電壓。更復(fù)雜的設(shè)計可以讓傳感器單元切換至多路電源和地，從而產(chǎn)生更復(fù)雜、性能更好的多重波形。

　　近幾年，隨著二次諧波成像的廣泛應(yīng)用，高壓脈沖發(fā)生器對于斜率和對稱性的要求越來越高。二次諧波成像利用了人體的非線性聲學(xué)特性。這些非線性傾向于將頻率f0的聲能轉(zhuǎn)變成2f0頻率。多種原因使得接收二次諧波信號能夠獲得更高的圖像質(zhì)量，因此，二次諧波成像得到了廣泛應(yīng)用。二次諧波成像有兩種基本的實現(xiàn)方法。一種稱為標(biāo)準(zhǔn)諧波成像，盡可能抑制發(fā)射信號的二次諧波。從而使接收到的二次諧波主要源于人體的非線性。這種模式要求二次諧波的發(fā)射能量至少低于基波能量50dB。所以，發(fā)射脈沖的占空比要求是準(zhǔn)確的50%且誤差小于 。另一種方法稱為脈沖反相，利用反相后的發(fā)射脈沖產(chǎn)生同一圖像路徑的相位相反的兩路接收信號。在接收器中對這兩路反相接收信號求和，恢復(fù)由于人體非線性產(chǎn)生的諧波信號。這種脈沖反相的方法必須在疊加時盡可能抵消發(fā)射脈沖的反相成分。所以，高壓脈沖發(fā)生器的上升時間和下降時間必須嚴(yán)格一致。