超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮

　　成像通道接收機(jī)

　　超聲成像通道的接收機(jī)用于檢測(cè)二維(2D)信號(hào)以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號(hào)和頻譜PWD。接收機(jī)包括發(fā)送/接收開關(guān)、低噪聲放大器、可變?cè)鲆娣糯笃?、抗混疊濾波器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

　　TX/RX開關(guān)

　　TX/RX開關(guān)可以保護(hù)低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時(shí)在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機(jī)。該開關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有高壓發(fā)射脈沖出現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)閉合或斷開。TX/RX開關(guān)必須具備很快的恢復(fù)時(shí)間，以保證接收機(jī)在發(fā)射一個(gè)脈沖后能夠立刻開啟。這些快速恢復(fù)時(shí)間對(duì)于淺埋成像和提供低導(dǎo)通電阻確保接收靈敏度至關(guān)重要。

　　低噪聲放大器(LNA)

　　接收機(jī)中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對(duì)于設(shè)計(jì)合理的接收機(jī)，LNA將決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。傳感器單元通過同軸電纜連接到相應(yīng)的低阻抗LAN的輸入端。如果沒有適當(dāng)?shù)碾娎|終端匹配，電纜電容和傳感器單元的源阻抗將大大制約從寬帶傳感器接收信號(hào)的帶寬。傳感器電纜匹配至低阻，有助于降低這一濾波的影響，有效提高圖像質(zhì)量。不幸的是，這種端接也降低了LNA的輸入信號(hào)，因而降低接收靈敏度。由此可見，為L(zhǎng)NA提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。MAX2034是Maxim針對(duì)超聲成像系統(tǒng)推出的4通道、低功耗、超低噪聲前置放大器，每個(gè)低噪聲放大器都具有單端輸入、差分輸出、高精度19dB固定增益和70MHz的-3dB帶寬。放大器的高增益精度可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的通道間增益匹配，這是高性能超聲成像應(yīng)用所必需的。MAX2034還包括片上可編程輸入電阻，允許器件匹配至50Ω至1kΩ范圍內(nèi)的多種常見源阻抗。每個(gè)放大器的輸入阻抗使用反饋拓?fù)湟詫?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)阻抗匹配。當(dāng)信號(hào)源和輸入阻抗為200Ω時(shí)，動(dòng)態(tài)輸入阻抗匹配可獲得2.2dB的超低噪聲系數(shù)。

　　可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)

　　VGA，有時(shí)也稱為時(shí)間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個(gè)接收周期內(nèi)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲信號(hào)在體內(nèi)大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發(fā)射一個(gè)超聲脈沖后，可立即在LNA輸入看到高達(dá)的0.5VP-P回波，該信號(hào)會(huì)快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。 接收該信號(hào)所要求的動(dòng)態(tài)范圍為100dB至110dB，超出了實(shí)際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與ADC量程相當(dāng)?shù)男盘?hào)幅度。典型應(yīng)用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時(shí)間調(diào)整(“時(shí)間增益控制”)，實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)態(tài)范圍。

　　超聲接收機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會(huì)影響2D圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)檢測(cè)多普勒偏移(血液或組織的運(yùn)動(dòng))的能力，尤其是在二次諧波成像系統(tǒng)中，感興趣的二次諧波信號(hào)明顯低于發(fā)射信號(hào)的基波。對(duì)于小的多普勒信號(hào)同樣如此，多普勒信號(hào)頻率可能在1kHz以內(nèi)，幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于組織或血管壁的反射信號(hào)。因此，需要特別關(guān)注可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸捄徒d波SNR，這些參數(shù)通常是制約接收機(jī)性能的關(guān)鍵。

　　抗混疊濾波器(AAF)和ADC

　　抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常成像頻率范圍但又通過ADC轉(zhuǎn)換的混疊信號(hào)。設(shè)計(jì)中大多采用可調(diào)節(jié)的AAF，為了抑制混疊并保證信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)，濾波器需要對(duì)第一奈奎斯特頻率以外的信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。典型應(yīng)用中采用12位ADC，采樣頻率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)某杀竞凸?。在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)慕邮胀ǖ溃珹DC會(huì)限制接收通道的瞬態(tài)SNR。如上所述，性能差的VGA會(huì)限制整個(gè)接收通道的SNR指標(biāo)。