便攜式超聲信號處理系統(tǒng)的全信號路徑解決方案

對可獲得的醫(yī)療保健的需求不斷增長。世界人口正在快速增長和老齡化，增加了醫(yī)療保健的成本。醫(yī)療從業(yè)者需要小型，節(jié)能且經(jīng)濟的診斷設備。非常需要能夠以具有成本效益的方式提高醫(yī)療質(zhì)量的便攜式診斷設備。除了解決產(chǎn)科，婦科，放射學，心臟病學和血管應用領(lǐng)域的傳統(tǒng)成像應用外，便攜式超聲成像還可以在點照顧。系統(tǒng)設計人員發(fā)現(xiàn)，簡單地將控制臺縮小為便攜式或手持式設備并不能保證足夠的電池壽命或診斷圖像質(zhì)量。

波束成形技術(shù)

系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新，加上模擬和混合信號電子，基于FPGA算法和控制，或基于CPU和GPU的圖像處理使緊湊系統(tǒng)具有高度診斷相關(guān)性。超聲系統(tǒng)使用焦點成像技術(shù)來實現(xiàn)遠遠超過單通道方法可實現(xiàn)的性能。使用發(fā)射器和接收器陣列，可以通過時移，縮放，相干求和回波能量和相位來構(gòu)建高清晰度圖像，如圖1中的相控陣超聲系統(tǒng)所示。移位，定相和縮放的概念通常來自相同的往復換能器陣列的發(fā)射和接收信號被稱為波束形成。它提供了通過動態(tài)聚焦和集中能量在掃描區(qū)域中的點來形成圖像的能力。

基于門陣列的解決方案，如美國國家半導體的八通道超聲波發(fā)射/接收芯片組，與基于DSP的解決方案相比具有許多優(yōu)勢。最重要的是更高的靈活性，更低的成本和更低的功耗。

發(fā)射波束形成器提供延遲模式和輪廓，以設置換能器的所需焦點。 LM96570可配置發(fā)射波束形成器在主控制引擎和脈沖發(fā)生器之間提供無縫接口，允許可編程脈沖圖形輪廓具有良好的延遲分辨率。延遲分辨率為1μs/1280μs，與傳統(tǒng)的FPGA波束成形相比，抖動性能提高了一個數(shù)量級。

圖1：相控陣超聲系統(tǒng)。

脈沖發(fā)生器需要提供高壓脈沖到換能器。正負信號轉(zhuǎn)換期間的振鈴會影響圖像質(zhì)量。對稱方波脈沖改善二次諧波成像。通常，僅僅可視化異常組織可能是不夠的。諧波成像提高了空間分辨率，并對異常進行了診斷。

LM96550的對稱脈沖可用于B模式或連續(xù)波(CW)多普勒模式。片上有源阻尼器可最大限度地減少振鈴。需要發(fā)送接收(T/R)開關(guān)來保護接收路徑放大器免受高壓發(fā)送脈沖的影響。 LM96530T/R開關(guān)允許通過菊花鏈SPI接口獨立控制每個通道。 FPGA只需要三個引腳即可控制系統(tǒng)中的任何通道。這顯著簡化了系統(tǒng)設計，其中每個芯片都需要專用引腳。偏置電流調(diào)整允許高性能或低功耗模式。

時間增益控制

對于具有高空間分辨率的深穿透，期望低接收器噪聲基底。在設計良好的系統(tǒng)中，低噪聲放大器(LNA)設置每個通道的性能?？勺冊鲆娣糯笃?VGA)的目的是將LNA輸出信號映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的滿量程范圍，因為來自身體的返回信號隨著深度和時間變?nèi)?。該過程稱為時間增益控制(TGC)或深度增益控制(DGC)。與對數(shù)放大器或分段線性模擬VGA相比，高分辨率數(shù)字可變增益放大器(DVGA)提供更好的增益匹配，增益平坦度和近距離相位噪聲。此外，DVGAs的增益誤差相對較低且在整個可變增益范圍內(nèi)保持一致。模擬VGA通常在較低和較高的增益極值處存在嚴重誤差，從而減少了可用范圍的數(shù)量。

如圖2所示，DVGA改善的近距離噪聲性能有助于可視化器官內(nèi)深處的低速血流。肝臟。當小信號沒有被埋在傳統(tǒng)模擬VGA的高接近底噪聲中時，很容易看出它們。

圖2：近距離噪聲性能。

ADC數(shù)字化信號進一步處理。 Xignal™CTΣΔ是一種高度過采樣系統(tǒng)。高過采樣率會擴散量化噪聲。板載調(diào)制器可以對噪聲進行整形并將其移出帶外。然后，片上磚墻數(shù)字濾波器創(chuàng)建一個無混疊的奈奎斯特采樣范圍(見圖3)。消除抗混疊濾波器，耗電的采樣保持放大器，包含片內(nèi)時鐘和低抖動PLL簡化了接收路徑前端設計。

圖3： CTΣΔ原理。

在用于測量血流速度的CW多普勒系統(tǒng)中，連續(xù)的正弦波被廣播到體內(nèi)，并且測量返回信號的相移。 CW多普勒模擬信號路徑的動態(tài)范圍(DNR)要求非常高，因為來自身體深處的小信號反射與大的近距離信號相加。任何非線性都會產(chǎn)生難以消除的交叉產(chǎn)品。如果不是不可能移除的話。多通道I和Q分量相加并進行高通濾波，以最大限度地減少靜止雜波，血管壁返回和慢速超聲波檢查手的移動。高通濾波器輸出以聲音和視覺格式呈現(xiàn)。

LM96511接收模擬前端(AFE)結(jié)合了DVGA和CTΣΔADC與CW多普勒的優(yōu)勢，可提供0.9 nV/rtHz的總輸入?yún)⒖荚肼?。增益范圍?8 dB，DVGA步進分辨率為0.05 dB，110 mV/通道B模式功耗，CW多普勒相位旋轉(zhuǎn)分辨率為22.5度，相位噪聲為-144 dBc/Hz，5 KHz偏移，-161 dB/Hz動態(tài)范圍，小尺寸封裝中的208 mW/通道CW多普勒功耗。

總結(jié)一下，醫(yī)療超聲是一種復雜的信號處理系統(tǒng)。它是侵入性最小的診斷工具，在許多應用中得到廣泛應用。便攜式系統(tǒng)設計人員面臨眾多權(quán)衡挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)功耗，性能和尺寸之間的最佳平衡。 National的8通道傳輸和放大器接收芯片組包括可編程發(fā)送波束形成器，脈沖發(fā)生器，T/R開關(guān)和接收AFE，提供了一個全面的子系統(tǒng)解決方案，具有系統(tǒng)級功能，可在小型便攜式或手持式系統(tǒng)中打包控制臺性能。