超聲系統(tǒng)課件

超聲系統(tǒng)是目前廣泛使用的最精密復(fù)雜的信號處理儀器之一。像任何復(fù)雜的儀器一樣，由于性能、物理和成本要求的原因，實現(xiàn)時要做出許多權(quán)衡。掌握一些系統(tǒng)級的知識對于充分了解所要求前端IC的功能和性能水平是很必要的，尤其是低噪聲放大器(LNA)、時間增益補償放大器(TGC，一種可變增益放大器)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些模擬信號處理IC是決定系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素。前端IC的特性規(guī)定了系統(tǒng)性能的限度，一旦引入噪聲和失真，實際上不可能再去除它們。在所有超聲系統(tǒng)中，在包含48到256芯微同軸電纜的相對較長電纜(大約2m)的末端都帶有一個多元傳感器陣列。在一些陣列中使用高速(HV)多路復(fù)用器或多路分配器來減小發(fā)送和接收硬件的復(fù)雜性，但以使用靈活性為代價。在發(fā)送(Tx)端，Tx波束形成器首先決定設(shè)置期望發(fā)送焦點的延遲模式，然后用驅(qū)動傳感器的高電壓發(fā)送放大器放大波束形成器的輸出。在接收(Rx)端，有一個收發(fā)(T/R)開關(guān)，它通常是一個隔離高電壓Tx脈沖的二極管整流橋，它們后接一個LNA和一個或多個VGA。放大之后，就完成了模擬波束形成(ABF)或數(shù)字波束形成(DBF)。除了連續(xù)波(CW)多普勒處理，其動態(tài)范圍太大以至于不能用成像通道處理，當前的系統(tǒng)中大部分都是DBF。最后，處理Rx波束以顯示灰度圖像、二維彩色圖像和(或)彩色多普勒輸出。超聲系統(tǒng)的目的第一是給出人體內(nèi)部器官的精確圖像，第二是通過多普勒信號處理確定體內(nèi)的血流運動狀況。下面分析超聲系統(tǒng)在實現(xiàn)這些目的時，在信號衰減、功耗以及動態(tài)范圍等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)以及前端IC的選擇考慮因素醫(yī)用超聲波的工作頻率范圍為1MHz-40MHz，外部成像通常使用1MHz-15MHz頻率范圍，而靜脈儀使用的頻率高達40MHz。對于給定滲透距離，組織衰減會衰減信號頻率。信號經(jīng)歷約為1dB/cm/MHz的衰減，即對于一個10MHz的信號和5cm的滲透深度，往返信號會衰減5×2×10=100dB。ABF和DBF系統(tǒng)

在模擬ABF和DBF超聲系統(tǒng)中，首先為各通道延時或存儲沿波束從特定焦點反射的接收脈沖，然后按時間排列，并且對其相干性求和-這就提供了空間處理增益，因為通道間噪聲不相關(guān)，而信號是相關(guān)的；這樣產(chǎn)生10*log(N)的理論處理增益，其中N為通道數(shù)。圖像可以按照兩種方法形成：一種方法是利用模擬延遲線延遲的模擬序列值，對它們求和并且在求和之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字值(ABF)；另一種方法是通過對盡可能接近傳感器陣列單元的模擬值進行數(shù)字化采樣，把它們存入存儲器(FIFO)，然后對它們數(shù)字化求和(DBF)。動態(tài)范圍

LNA的基底噪聲決定可以接收多弱的信號。但是同時LNA也必須能夠處理非常大的信號，尤其是連續(xù)波(CW)多普勒信號處理過程中。因此，要求LNA具有最大的動態(tài)范圍是極其重要的(一般來講，由于噪聲和信號失真限制，在LNA之前進行任何濾波都是不可能的)。CW多普勒信號具有超聲系統(tǒng)中所有信號最大的動態(tài)范圍。在CW信號處理期間，一半傳感器陣列連續(xù)發(fā)送正弦波，而另一半傳感器陣列接收該信號。Tx信號很可能泄漏到Rx端。因為多普勒信號非常弱，所以在解調(diào)之前不容易對大的泄漏信號進行濾波，因此處理CW信號的任何IC都需要具有非常大的動態(tài)范圍。根據(jù)當前的技術(shù)發(fā)展水平，不能處理來自DBF系統(tǒng)中主要的B模式和F模式通道的CW多普勒信號。由于這個原因，為了處理如圖所示的CW多普勒信號需要一個ABF。當然，DBF超聲系統(tǒng)中的“圣杯”(HolyGrail)可以通過DBF鏈路以現(xiàn)實的成本和功耗處理所有模式。功耗考量

因為超聲系統(tǒng)需要許多通道，所以所有IC低功耗是至關(guān)重要的。為了最終實現(xiàn)把所有超聲模式都集成到一個波束形成器，人們總是追求增大前端的動態(tài)范圍；滿足使超聲系統(tǒng)減小體積和便攜式的相應(yīng)需求導(dǎo)致與功耗需求的矛盾。數(shù)字電路的功耗通常隨著電源電壓降低而減小，但對于模擬信號或混合信號電路而言則未必。減小模擬電路的“電壓余量”會減小動態(tài)范圍，所以對于一個期望動態(tài)范圍，電源電壓能夠達到多低是有限度的。本文結(jié)論

本文試圖給出決定超聲系統(tǒng)前端IC所需要的關(guān)鍵技術(shù)指標的技術(shù)背景。最重要的是：大動態(tài)范圍、優(yōu)良的過載恢復(fù)能力