超聲成像系統(tǒng)的功能介紹及電子元件的設(shè)計考慮

　　成像通道接收機

　　超聲成像通道的接收機用于檢測二維(2D)信號以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號和頻譜PWD。接收機包括Tx/Rx開關(guān)、低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

　　Tx/Rx開關(guān)

　　Tx/Rx開關(guān)可以保護低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機。該開關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實現(xiàn)，當(dāng)有高壓發(fā)射脈沖出現(xiàn)時，它們會自動閉合或斷開。Tx/Rx開關(guān)必須具備很快的恢復(fù)時間，以保證接收機在發(fā)射一個脈沖后能夠立刻開啟。這些快速恢復(fù)時間對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)

　　接收機中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對于設(shè)計合理的接收機，LNA將決定整個接收機的噪聲性能。傳感器單元通過較長的同軸電纜連接到相應(yīng)的低阻抗LNA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，因而降低接收靈敏度。由此可見，為LNA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。

　　可變增益放大器(VGA)

　　VGA有時也稱為時間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個接收周期內(nèi)為接收機提供足夠的動態(tài)范圍。超聲信號在體內(nèi)大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發(fā)射一個超聲脈沖后，可立即在LNA輸入接收到高達0.5VP-P的回波信號，該信號會快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號所要求的動態(tài)范圍約為100dB至110dB，超出了實際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號轉(zhuǎn)換成與ADC量程相當(dāng)?shù)男盘柗取５湫蛻?yīng)用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時間調(diào)整(即“時間增益控制”)，實現(xiàn)所要求的動態(tài)范圍。

　　超聲接收機的瞬態(tài)動態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會影響2D圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)檢測多普勒偏移(血液或組織的運動)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明顯低于發(fā)射信號的基波。對于小的多普勒信號同樣如此，多普勒信號頻率可能在1kHz以內(nèi)，幅度遠遠低于組織或血管壁的反射信號。因此，需要特別關(guān)注可變增益放大器的帶寬和近載波SNR，這些參數(shù)通常是制約接收機性能的關(guān)鍵。