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，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)中安裝高壓開關(guān)，用于信號(hào)復(fù)用，開關(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)目删幊谈邏弘娫矗a(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。
成像通道接收機(jī)
超聲成像通道的接收機(jī)用于檢測(cè)二維(2D)信號(hào)以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號(hào)和頻譜PWD。接收機(jī)包括Tx/Rx開關(guān)、低噪聲放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?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(hù)低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時(shí)在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機(jī)。該開關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有高壓發(fā)射脈沖出現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)閉合或斷開。Tx/Rx開關(guān)必須具備很快的恢復(fù)時(shí)間，以保證接收機(jī)在發(fā)射一個(gè)脈沖后能夠立刻開啟。這些快速恢復(fù)時(shí)間對(duì)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(jī)中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對(duì)于設(shè)計(jì)合理的接收機(jī)，LNA將決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。傳感器單元通過較長(zhǎng)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(hào)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(hào)，因而降低接收靈敏度。由此可見，為L(zhǎng)NA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?cè)鲆娣糯笃?VGA)
VGA有時(shí)也稱為時(shí)間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個(gè)接收周期內(nèi)為接收機(jī)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲信號(hào)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(gè)超聲脈沖后，可立即在LNA輸入接收到高達(dá)0.5VP-P的回波信號(hào)，該信號(hào)會(huì)快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號(hào)所要求的動(dòng)態(tài)范圍約為100dB至110dB，超出了實(shí)際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與ADC量程相當(dāng)?shù)男盘?hào)幅度。典型應(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(shí)間調(diào)整(即“時(shí)間增益控制”)，實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)態(tài)范圍。
超聲接收機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會(huì)影響2D圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)檢測(cè)多普勒偏移(血液或組織的運(yùn)動(dòng))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(hào)明顯低于發(fā)射信號(hào)的基波。對(duì)于小的多普勒信號(hào)同樣如此，多普勒信號(hào)頻率可能在1kHz以內(nèi)，幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于組織或血管壁的反射信號(hào)。因此，需要特別關(guān)注可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸捄徒d波SNR，這些參數(shù)通常是制約接收機(jī)性能的關(guān)鍵。
抗混疊濾波器(AAF)和ADC
抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常最大成像頻率范圍的信號(hào)，防止這些信號(hào)通過ADC轉(zhuǎn)換混疊至基帶。設(shè)計(jì)中大多采用可調(diào)節(jié)的AAF，為了抑制混疊并保證信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)，濾波器需要對(duì)第一奈奎斯特頻率以外的信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。
典型應(yīng)用中采用12位ADC，采樣率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)某杀竞凸摹Ｔ谠O(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)慕邮掌髦校珹DC會(huì)限制接收通道的瞬態(tài)SNR。如上所述，性能差的VGA會(huì)限制整個(gè)接收通道的SNR指標(biāo)。
數(shù)字波束成形器
ADC的輸出信號(hào)通過高速LVDS串口傳輸給數(shù)字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了PCB的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和接口引腳數(shù)。波束成形器內(nèi)置上變頻低通濾波器或帶通數(shù)字濾波器，這些濾波器把有效采樣速率提高4倍，提高了系統(tǒng)波束成形的精度。上變頻信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，通過延遲系數(shù)加法器進(jìn)行疊加，得到合適的焦點(diǎn)。信號(hào)還進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)或“變跡”，在疊加之前進(jìn)行變跡，可以調(diào)節(jié)接收孔徑，降低旁瓣對(duì)接收波束的影響，提高圖像質(zhì)量。
波束成形的數(shù)字信號(hào)處理
接收到的波束成形數(shù)字超聲信號(hào)由DSP和基于PC的設(shè)備進(jìn)行處理，得到視頻和音頻輸出信號(hào)。這一過程通常可以劃分為B超或2D圖像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理，多普勒處理又分為脈沖多普勒(PWD)處理和連續(xù)波多普勒(CWD)處理。
B超處理
B超處理中，RF波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過濾波和檢波處理。檢測(cè)信號(hào)具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，B超處理器必須將這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮，使其達(dá)到顯示器規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍。
彩超流體信號(hào)處理
在彩超流體信號(hào)處理中，RF數(shù)字波束成形信號(hào)與正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)進(jìn)行混頻，得到I、Q基帶信號(hào)。每個(gè)接收通道采集的超聲信號(hào)都有對(duì)應(yīng)的幅度和相位。彩超流體信號(hào)處理中，8至16路超聲信號(hào)集中在一個(gè)成像通道，測(cè)量多普勒頻移。血液流動(dòng)或沿成像通道的組織移動(dòng)產(chǎn)生的反射信號(hào)具有一定的多普勒頻移，從而改變了I/Q基帶采樣信號(hào)的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的8至16路超聲信號(hào)的平均相移和時(shí)間關(guān)系。處理器還用彩色表示平均流速。通過這種方法，實(shí)現(xiàn)了血液或人體組織移動(dòng)的二維造影成像。
多普勒頻譜
頻譜處理中，波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波，并通過正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)混頻至基帶信號(hào)，然后以發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(PRF)進(jìn)行采樣。利用復(fù)雜的快速傅里葉變換(FFT)獲得多普勒頻譜，以重現(xiàn)接收信號(hào)的速度信息。FFT輸出的每個(gè)二進(jìn)制信號(hào)幅度經(jīng)過計(jì)算和壓縮，使其達(dá)到顯示圖像所要求的動(dòng)態(tài)范圍。最終信號(hào)幅度作為時(shí)間函數(shù)，顯示在超聲設(shè)備的顯示屏上。
在連續(xù)波多普勒(CWD)成像系統(tǒng)中，信號(hào)處理的過程基本相同。除了處理這些顯示信號(hào)外，頻譜處理器還產(chǎn)生左、右聲道的立體聲音頻信號(hào)，表示正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)。DAC對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)外部揚(yáng)聲器和耳機(jī)。
顯示處理
顯示處理器進(jìn)行必要的計(jì)算，繪制極坐標(biāo)圖。B超中的聲音、圖像數(shù)據(jù)或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號(hào)。這一過程通常稱為R-θ變換，顯示處理器還提供空間圖像增強(qiáng)功能。
連續(xù)波多普勒(CWD)
多數(shù)的心臟檢查和一些通用的超聲成像系統(tǒng)中，常常使用連續(xù)波多普勒CWD以確保精確測(cè)量心臟內(nèi)高速流動(dòng)的血液。CWD模式下，超聲傳感器單元以傳感器孔徑為中心分割成對(duì)等的兩部分。一半單元用于發(fā)射，產(chǎn)生CWD聚焦波束；另一半單元用于接收，產(chǎn)生聚焦的接收波束。發(fā)射單元的驅(qū)動(dòng)波形為多普勒頻率的方波，頻率范圍通常為1MHz至7.5MHz。發(fā)射波形的抖動(dòng)必須足夠小，以防止相位噪聲對(duì)多普勒頻移檢測(cè)的影響。通過正確調(diào)整發(fā)射波形的相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束聚焦。類似地，通過正確調(diào)整接收波形的相位并進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)CWD接收信號(hào)聚焦。在此模式下，發(fā)射和接收同時(shí)進(jìn)行，有用的多普勒信號(hào)頻率和不移動(dòng)的人體組織在發(fā)射基波頻率下產(chǎn)生的強(qiáng)反射信號(hào)的頻率相差只有幾kHz。處理如此大的信號(hào)所需要的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)超出了圖像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的范圍。因此，CWD必須使用其它高動(dòng)態(tài)范圍接收解決方案。
CWD接收機(jī)通常使用兩種方法處理CWD信號(hào)。第一種方法是高性能超聲系統(tǒng)在LNA輸出端提取接收到的CWD信號(hào)。本振頻率等于發(fā)送頻率的混頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束成形，再混頻至基帶進(jìn)行處理。I/Q本振信號(hào)可以逐通道調(diào)整相位，對(duì)接收到的CWD信號(hào)相位進(jìn)行偏移。混頻器輸出相疊加，經(jīng)帶通濾波器，最后進(jìn)入ADC進(jìn)行采樣。采樣得到的基帶波束信號(hào)處于音頻范圍(100Hz至50kHz)，采用工作在音頻頻率范圍的ADC對(duì)I和Q CWD信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。這些ADC需要出色的動(dòng)態(tài)范圍，以便處理運(yùn)動(dòng)組織產(chǎn)生的較大的低頻多普勒信號(hào)和血液產(chǎn)生的微弱信號(hào)。
另一種方法是使用延遲線接收CWD信號(hào)，該方法常用于低成本設(shè)備。在此方法中，信號(hào)還是從LNA輸出提取，然后轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)。通過一個(gè)交叉開關(guān)對(duì)相同相位的通道進(jìn)行疊加，產(chǎn)生8至16路獨(dú)立輸出，具體由接收波束成形器決定。延遲線產(chǎn)生延遲，并將這些信號(hào)求和構(gòu)成一路波束成形RF信號(hào)，然后利用一個(gè)本振頻率等于發(fā)送頻率的I/Q混頻器將信號(hào)混頻至基帶，然后將基帶音頻信號(hào)濾波后，轉(zhuǎn)換至數(shù)字形式。
