超聲便攜式設(shè)備的系統(tǒng)劃分與趨勢

世紀(jì)90年代初，便攜式電話風(fēng)靡一時(shí)，隨著電子技術(shù)的長足發(fā)展，現(xiàn)今的手機(jī)除了可以發(fā)送電子郵件和短信，還能拍照、查詢股票價(jià)格、安排會(huì)議；當(dāng)然，也可以同世界上任何地方的任何人通話。

同樣在醫(yī)療領(lǐng)域中，以前所謂的便攜式超聲系統(tǒng)曾裝載在手推車上以便于拖拽；而今天的醫(yī)用超聲系統(tǒng)也在持續(xù)向小型化發(fā)展，并且被醫(yī)生們稱為“新型聽診器”。

1 超聲系統(tǒng)的便攜式趨勢

由于超聲的優(yōu)異功用，市場對超聲系統(tǒng)的便攜性有很高的要求。便攜性的提升可以在無法提供可靠電源的遠(yuǎn)程應(yīng)用中使用這些設(shè)備，如偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的臨床醫(yī)療、緊急醫(yī)療服務(wù)、大型動(dòng)物飼養(yǎng)、以及橋梁、大型機(jī)械和輸油管線的檢驗(yàn)等。

超聲系統(tǒng)可以分為高、中、低端三類。高端超聲系統(tǒng)采用最新的技術(shù)，滿足市場最新的要求，并且提供最佳的圖像質(zhì)量。中端超聲系統(tǒng)在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下，通常具有高端超聲系統(tǒng)的部分特性。而低端超聲系統(tǒng)的體積一般較小，一般應(yīng)用于臨床醫(yī)療等特定應(yīng)用。

2 超聲信號(hào)鏈路

醫(yī)用超聲的波束成形被定義為信號(hào)的相位對準(zhǔn)和求和，該信號(hào)由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時(shí)間點(diǎn)接收。在CWD（連續(xù)多普勒）路徑中，對接收器通道進(jìn)行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有兩個(gè)功能：一個(gè)是向傳感器指明方向，即提高其增益；另一個(gè)是定義人體內(nèi)的焦點(diǎn)，由該焦點(diǎn)得到回波的位置（圖1）。

對于波束成形，可以采用兩種截然不同的方法，即模擬波束成形（ABF）和數(shù)字波束成形（DBF）。ABF和DBF系統(tǒng)之間的主要差別在于完成波束成形的方式，這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF中使用了“模擬延遲線”和求和的方式，其中僅需要一個(gè)（分辨率非常高的）高速ADC。而在DBF系統(tǒng)中，需要多個(gè)高速高分辨率ADC。有時(shí)候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對數(shù)放大器壓縮動(dòng)態(tài)范圍。在DBF系統(tǒng)中，應(yīng)盡可能接近傳感器單元來采集信號(hào)，然后將信號(hào)延遲并對其進(jìn)行數(shù)字求和。

由于數(shù)字IC的性能以非常高的速度持續(xù)提高，在采集數(shù)據(jù)之后，數(shù)字存儲(chǔ)和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的；通過對FIFO中不同位置的數(shù)據(jù)求和，可以容易地形成多個(gè)波束而更加靈活，出于以上優(yōu)勢，大部分現(xiàn)代圖像采集超聲系統(tǒng)常采用DBF，此外模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差，延遲抽頭的數(shù)目也受到限制，且必須使用微調(diào)電路。

然而另一方面，ABF和DBF之間的優(yōu)缺點(diǎn)也是相對的。相對于ABF，DBF需要多個(gè)高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動(dòng)態(tài)范圍，因此至少需要10 bit的ADC），而ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度，采樣速率越高，相位延遲就越精細(xì)；另外由于使用多個(gè)ADC和數(shù)字波束成形ASIC，因此功耗較高。

3 系統(tǒng)劃分策略

雖然已存在許多先進(jìn)的電子技術(shù)，但是超聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍然十分復(fù)雜。許多年來，制造商通過設(shè)計(jì)定制ASIC來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)。該解決方案通常包括兩個(gè)ASIC，其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分，如圖2所示。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這一方法非常常見。該定制電路允許設(shè)計(jì)人員加入一些廉價(jià)的、靈活的功能。由于集成大部分的信號(hào)鏈路，減少了系統(tǒng)中使用外部元件的數(shù)目，因此該解決方案成本較低；但是其缺點(diǎn)在于，隨著時(shí)間的推移，光刻技術(shù)的發(fā)展使得這些ASIC已不能滿足進(jìn)一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門電路，它們的數(shù)字技術(shù)不能針對集成模擬功能進(jìn)行優(yōu)化；而且僅有有限的供應(yīng)商可以定制ASIC器件，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)者面臨一些瓶頸。

超聲系統(tǒng)的便攜性是有局限的，但的確是可行的。即便這樣，這也是解決系統(tǒng)劃分問題的重要的第一步。便攜性不僅指產(chǎn)品體積，而且也表現(xiàn)在電池壽命方面，因?yàn)檫@些電路對功耗的要求非常高。隨著四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出現(xiàn)，體積和功耗得到進(jìn)一步減小，也隨之產(chǎn)生了解決便攜性問題的新型的系統(tǒng)方法。多通道器件允許設(shè)計(jì)人員在構(gòu)造系統(tǒng)時(shí)，將敏感電路放置在兩個(gè)或更多的電路板上，可以減小系統(tǒng)體積，并且有利于在多個(gè)開發(fā)平臺(tái)上重復(fù)利用該電路。但是這一方法也存在缺點(diǎn)，系統(tǒng)體積減小也依賴于系統(tǒng)劃分，多通道器件可能使PCB的布線極為繁瑣，迫使設(shè)計(jì)人員使用通道數(shù)目較少的器件，例如從八通道ADC變?yōu)樗耐ǖ繟DC，而且如果系統(tǒng)體積較小，還會(huì)帶來散熱的問題。

隨著完整的TGC路徑的進(jìn)一步集成，多通道、多元件的集成使設(shè)計(jì)變得更加容易，這是因?yàn)樗鼈儗CB尺寸和功耗的要求進(jìn)一步降低。隨著更高級(jí)的集成方案的廣泛使用，可以進(jìn)一步減少成本、供應(yīng)商數(shù)量、系統(tǒng)體積和功耗。系統(tǒng)散熱量有效降低，可延長便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統(tǒng)為滿足緊湊性要求而設(shè)計(jì)，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝，每個(gè)完整的TGC通道在40 MSps下功耗僅為150 mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數(shù)目，因此使每個(gè)通道的總面積至少減少1/3，功耗至少降低25%。

但是AD9271不可能滿足每個(gè)超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中，或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是：連接探針單元的電纜會(huì)對動(dòng)態(tài)范圍有些不良影響，而且成本較高。如果前端電子元件比較接近探針，那么就可以減少影響信號(hào)靈敏度的探針損耗，允許設(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)對LNA的要求。也可將LNA集成到探針單元中；或?qū)GA控制放在探針和電路板上的元件之間。隨著器件的尺寸不斷縮小，系統(tǒng)也可以封裝到超小型封裝中。但是這種方法的缺點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)人員需要對探針進(jìn)行全定制設(shè)計(jì)。換言之，探針/電子器件的定制設(shè)計(jì)將使設(shè)計(jì)人員回到ASIC實(shí)例中存在的技術(shù)瓶頸，而且供應(yīng)商是有限的。

現(xiàn)今大部分超聲系統(tǒng)公司將其大部分知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）應(yīng)用于探針和波束成形技術(shù)，使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC來完成系統(tǒng)，消除了對高成本元器件的需要，而且簡化了獨(dú)立TGC路徑的調(diào)整和優(yōu)化。此外，也可以考慮進(jìn)一步集成超聲系統(tǒng)的其它部分。在生產(chǎn)能力許可且市場導(dǎo)向目標(biāo)適當(dāng)?shù)那疤嵯?，這些其它信號(hào)鏈路部分的集成將是有利的。

4 結(jié)論

脈沖回波技術(shù)早期用于檢測大型水下船體和潛艇，也可檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)制造中的裂縫，目前超聲技術(shù)已走入日常生活，其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用也僅僅是一個(gè)時(shí)間問題。醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用對便攜式超聲系統(tǒng)的需求日益增長，各種系統(tǒng)對設(shè)備的緊湊性和便攜性都有著類似的要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信在不久的將來，用戶就可以利用手機(jī)發(fā)送胎兒的掃描圖像了。

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