超聲成像系統(tǒng)的功能介紹及電子元件的設(shè)計(jì)考慮

　　摘要：該應(yīng)用筆記介紹了超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮，討論成像系統(tǒng)的小型化、低成本和便攜化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)闡述了在小型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)大型車載系統(tǒng)所具備的性能和診斷能力的重要條件。文章探討了超聲系統(tǒng)的子功能以及對(duì)電子元件的要求，重點(diǎn)討論了傳感器、高壓復(fù)用器、高壓發(fā)射機(jī)、成像通道接收機(jī)、數(shù)字波束成形、波束成形數(shù)字信號(hào)處理及顯示處理等。

　　概述

　　通過(guò)發(fā)射超聲能量進(jìn)入人體，接收并處理返回的反射信號(hào)，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，映射血液流動(dòng)和組織運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供高準(zhǔn)確度的血流速度信息。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jià)格昂貴。近年來(lái)，隨著集成工藝的進(jìn)步，設(shè)計(jì)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(dá)到接近大型成像設(shè)備的性能指標(biāo)。而新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)依然存在，即在進(jìn)一步提高方案集成度的同時(shí)提高系統(tǒng)性能和診斷能力。

　　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(gè)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(hào)。每個(gè)單元通過(guò)纖細(xì)的同軸電纜連接到超聲系統(tǒng)。通常，傳感器由32至512個(gè)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(gè)至四個(gè)傳感器轉(zhuǎn)換接口，臨床醫(yī)生可根據(jù)不同的檢測(cè)類型方便地更換傳感器。

　　高壓復(fù)用開(kāi)關(guān)

　　典型的相控陣超聲系統(tǒng)配備了32至256個(gè)發(fā)射器和接收器。多數(shù)情況下，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。這些情況下，需要在傳感器或系統(tǒng)中安裝高壓開(kāi)關(guān)，用于信號(hào)復(fù)用，開(kāi)關(guān)連接在特定的傳感器單元和發(fā)送器/接收器(Tx/Rx)對(duì)之間。由此，系統(tǒng)能夠在所提供的傳感器陣列中動(dòng)態(tài)改變有效的傳感器孔徑。

　　成像系統(tǒng)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)的要求主要包括幾個(gè)方面：必須能夠承受電壓擺幅高達(dá)200VP-P且峰值電流高達(dá)2A的發(fā)射脈沖;開(kāi)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(kāi)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。

　　超聲成像系統(tǒng)功能框圖。

　　高壓發(fā)射機(jī)

　　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(hào)，以正確的時(shí)間和相位生成聚焦發(fā)射信號(hào)。高性能超聲系統(tǒng)可通過(guò)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。這些情況下，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(DAC)將數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)線性高壓放大器進(jìn)行放大，用于驅(qū)動(dòng)傳感器單元。由于這種發(fā)射技術(shù)占用較大體積，而且價(jià)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(jí)高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生需要發(fā)射的信號(hào)。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(gè)簡(jiǎn)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(fù)發(fā)射電壓。更復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(duì)于斜率和對(duì)稱性的要求越來(lái)越高。二次諧波成像利用了人體的非線性聲學(xué)特性。這些非線性特性傾向于將頻率fo的聲能轉(zhuǎn)變成2fo頻率。多種原因使得接收二次諧波信號(hào)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(shí)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(hào)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±0.2%。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(hào)。在接收器中對(duì)這兩路反相接收信號(hào)求和，恢復(fù)由于人體非線性產(chǎn)生的諧波信號(hào)。這種脈沖反相的方法必須在疊加時(shí)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(shí)間和下降時(shí)間必須嚴(yán)格一致。