中心議題：

• 便攜式超聲波係統發展中取得的一些最新進展
• 一些將會改變新興市場和本土市場現有醫療保健方法和質量的進展
• 超聲波係統結構
• 模擬前端特性與係統性能

摘要

超聲波成像作為一種醫療診斷工具被廣泛采用已有很多年。其之所以被廣泛采用是因為它具有無創傷、低成本、便攜性以及實時性等特點。帶有便攜式超聲波係統的新型前沿產品已經成功地 運用於許多應用中，例如：及ji時shi創chuang傷shang診zhen斷duan和he急ji診zhen及ji治zhi療liao。最zui近jin的de一yi些xie創chuang新xin將jiang使shi新xin型xing超chao聲sheng波bo係xi統tong實shi現xian前qian所suo未wei有you的de低di功gong耗hao和he小xiao尺chi寸cun。噪zao聲sheng決jue定ding了le超chao聲sheng波bo圖tu像xiang的de質zhi量liang和he係xi統tong的de靈ling敏min度du。現xian在zai就jiu有you一yi款kuan可ke以yi 實現更低的噪聲並且在整個工作頻率範圍內噪聲均保持不變的解決方案。

本文講述了便攜式超聲波係統發展中取得的一些最新進展，以及一些將會改變新興市場和本土市場現有醫療保健方法和質量的進展。

引言

由於其安全性
、低成本和實時性能，超聲波成像堪稱是一種重要的醫療成像方法。傳統的超聲波成像係統使用 2～15MHz 的頻率，精度可精確到毫米。它們被廣泛地運用於對胎兒進行監測，以 及對諸如心髒
、肝髒
、膽囊、脾髒、胰髒、腎髒以及膀胱等人體內部器官的疾病進行診斷。由於超聲波係統的大通道數量和大信號處理要求
，傳統的控製台型超聲波係統在過去的 20 多年裏主導了 醫療超聲波應用。老年人口
、日益增長的醫療保健成本和新興經濟的需求導致了對創新型醫療解決方案需求的急劇增長。

具有更高性能以及更低價格的成熟的半導體技術（例如：數字信號處理器 (DSP)）不但大大地推動了醫療成像設備的發展
，而且還促進了醫療超聲波成像係統的小型化。另外，縮小係統尺寸並 不意味著性能的降低。小型化的超聲波係統（即便攜式超聲波係統）可以實現和傳統控製台型超聲波係統一樣的性能。目前的便攜式超聲波係統可提供較好的成像質量
，以幫助醫生們進行準確、 及ji時shi的de診zhen斷duan。因yin此ci，便bian攜xie式shi係xi統tong在zai諸zhu如ru及ji時shi創chuang傷shang診zhen斷duan和he急ji診zhen及ji治zhi療liao等deng應ying用yong中zhong發fa揮hui著zhe越yue來lai越yue重zhong要yao的de作zuo用yong。由you於yu越yue來lai越yue多duo的de超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang致zhi力li於yu開kai發fa便bian攜xie式shi超chao聲sheng波bo係xi統tong，因yin而er隻zhi有you那na些xie能neng夠gou更geng為wei迅xun 速地推出產品的廠商才能獲得更多的市場份額。
超聲波模擬前端 (AFE) 和小尺寸
、高性能 DSP 都dou是shi超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang所suo需xu要yao的de。更geng為wei重zhong要yao的de是shi

，超chao聲sheng波bo設she備bei廠chang商shang們men正zheng迫po切qie需xu要yao一yi種zhong可ke以yi和he各ge種zhong係xi統tong共gong享xiang的de設she計ji，以yi最zui短duan化hua它ta們men的de開kai發fa周zhou期qi時shi間jian並bing 加速產品上市進程。

超聲波係統結構

超聲波係統因其功能和性能不同而各異。例如，3D、4D 和諧波成像模式通常被用於高端係統，而隻有 2D B-模式成像和頻譜多普勒可能被用於一些低端係統。功能差異主要取決於數字後端。高 端超聲波係統要求更多和更快的計算能力，其需要具有接近實時信號處理的高端 DSP。很明顯
，在高端便攜式係統之間實現共享信號處理單元是非常困難的。但是
，在不考慮不同性能要求的情況 下
，超聲波係統通常擁有相似的接收通道架構。
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如圖 1 所示，超聲波係統的接收模擬前端由一些通用模塊組成
，如：低噪聲放大器 (LNA)、時間增益控製 (TGC) 放大器、電壓控製放大器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、低通濾波器以及模數 轉換器 (ADC)。無論是哪種情況
，AFE 的性能都會極大地影響整個係統的性能。因此，隻要有能夠在一個引腳對引腳兼容的封裝中滿足不同性能要求的 AFE 產品，那麼 AFE 設計就可以被標準化 並在各種係統中得到重複使用。這種標準化可以在中低端係統很容易地得到實現，這些係統中不需要特別的模擬信號調節。

但是，目前大多數的 AFE 產(chan)品(pin)都(dou)無(wu)法(fa)滿(man)足(zu)超(chao)聲(sheng)波(bo)廠(chang)商(shang)的(de)這(zhe)種(zhong)需(xu)求(qiu)。因(yin)此(ci)，我(wo)們(men)必(bi)須(xu)選(xuan)擇(ze)一(yi)些(xie)單(dan)獨(du)的(de)芯(xin)片(pian)來(lai)滿(man)足(zu)袖(xiu)珍(zhen)式(shi)和(he)控(kong)製(zhi)台(tai)式(shi)係(xi)統(tong)的(de)不(bu)同(tong)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)。例(li)如(ru)
，雖(sui)然(ran)可(ke)以(yi)容(rong)忍(ren)控(kong)製(zhi)台(tai)式(shi)係(xi)統(tong)的(de)高(gao) 功耗，但是必須要實現更低的噪聲，反之亦然
，從而必須進行重新設計。

現在，市場上出現了一些新型的 AFE 器件
，例如：TI 推出的 AFE5805，其允許超聲波廠商標準 AFE 設計。這些具有相同外引腳的器件主要用於從便攜式到控製台式的各種超聲波係統。引腳對 引腳兼容意味著
，超聲波設備廠商不但可以設計出創新的產品，同時能夠極大地節約成本並加速產品上市進程。

模擬前端特性與係統性能

設計超聲波係統是一項複雜的工作，且 AFE 的每一種特性都能影響到整個係統的性能。針對每一種係統類別平衡各種參數的能力無疑是一種藝術。
就jiu便bian攜xie式shi超chao聲sheng波bo係xi統tong而er言yan，功gong耗hao是shi一yi個ge至zhi關guan重zhong要yao的de考kao慮lv因yin素su。低di功gong耗hao就jiu是shi說shuo利li用yong有you限xian的de電dian池chi電dian源yuan可ke獲huo得de更geng長chang的de工gong作zuo時shi間jian。雖sui然ran這zhe些xie性xing能neng的de降jiang低di通tong常chang是shi在zai便bian攜xie式shi（低端）係統可接受的範圍內

，但 是其會影響到其他參數，如：輸入信號範圍
、輸入等效噪聲、諧波失真等。

除了功耗以外
，AFE 噪聲是超聲波係統設計人員需要考慮的第二個問題。來自超聲波變送器接收信號的振幅可能會為介於 10uVPP 到 1VPP [1] 不等。能夠被探測到的信號越小，係統的靈敏度 就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會影響係統靈敏度。通常，我們為高端到低端的係統選擇 0.7 nV/rt(Hz)~1.5 nV/rt(Hz) (RTI)的噪聲參數。經在現實係統中證實，這些噪聲參數足以產生高 質量的圖像。鑒於輸入等效電流噪聲以及來自發送/接收 (T/R) 開關的噪聲，我們甚至可以使用一個更低噪聲的放大器，但是我們不會看到最終超聲波圖像的質量有較大提高。除了輸入等效電壓噪 聲以外，閃爍噪聲（即 1/f 噪聲）也是成像應用中一個非常重要的考慮因素。在存在混頻的連續波 (CW) 模式中

，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關頻率時的信噪比 (SNR)。由於其寬泛的 工作頻率
，我們將首選具有白噪聲性能的放大器。

在一些超聲波應用中，增益控製範圍在獲得圖像的動態範圍中發揮了重要的作用。當 VCA 擁有一個更高的增益控製範圍時，最終圖像就擁有一個更寬的動態範圍，從而實現更佳的圖像質量。 結合 ADC 的 SNR
，該係統的動態範圍可以由下式計算得出：

動態範圍=SNR+增益控製範圍          （公式 1）

例如
，一個包含了 12-位、70dB SNR 和 40dB 增益控製範圍 VCA 的係統可以獲得 110dB 的動態範圍。換句話就是說，鑒於人體中 0.7dB/cmMHz 的衰減係數
、10cm 的成像深度以及 7.5MHz 的傳 感器，所以 105dB 的動態範圍的計算公式為 10*2*0.7*7.5。在現有超聲波係統中，10~15MHz 的探針常常被用於對身體的較小部位進行成像。因此，我們通常會需要 100dB 以上的動態範圍。從係統 設計的角度來看
，一個具有較大增益控製範圍的 AFE 是首選的解決方案。另外

，一個具有更高總體增益的 AFE 是探測小信號和對由其他電路引起的插入損耗（例如：無源高階濾波器的插入損耗） 進行補償的一種附加需要。
放fang大da器qi飽bao和he與yu過guo載zai恢hui複fu也ye是shi重zhong要yao的de係xi統tong參can數shu。對dui這zhe兩liang種zhong參can數shu一yi起qi評ping估gu和he測ce定ding要yao比bi單dan個ge進jin行xing更geng有you價jia值zhi。基ji本ben上shang來lai說shuo


，一yi個ge放fang大da器qi的de理li想xiang輸shu入ru信xin號hao範fan圍wei受shou其qi線xian性xing輸shu出chu電dian壓ya（即電源電壓）及增益的 限製：



yinci
，jiaodidezengyihejiaogaodedianyuandianyaduigaicanshufeichangyouyi。danshi，jiaodidezengyihuijiangdishurudengxiaodianyazaosheng
，tongshijiaogaodedianyuandianyahuizengjiazonggonghao，yincibixucaiquyizhongzhezhongdefangfa。womenchangchangweiyixiebian 攜式和中端係統選擇 200～400mVPP 的de參can數shu。超chao聲sheng波bo放fang大da器qi飽bao和he通tong常chang是shi由you高gao壓ya脈mai衝chong泄xie漏lou或huo聲sheng阻zu抗kang變bian化hua極ji大da的de近jin表biao麵mian物wu體ti反fan射she大da信xin號hao引yin起qi的de。具ju體ti的de例li子zi包bao括kuo存cun在zai較jiao少shao臨lin床chuang信xin息xi的de表biao麵mian組zu織zhi或huo者zhe骨gu 骼。在大多數情況下，這些區域的信息丟失可能不會影響到臨床診斷。但是
，如果放大器不能及時地恢複，那麼重要的信息便會丟失。AFE 的快速過載恢複確保了超聲波係統能夠盡可能多地捕獲 有價值的信息。可以用 ADC 的時鍾周期數來確定 AFE 的過載恢複時間，一個時鍾周期負載恢複時間為理想的時間。

放大器飽和的另一個影響是會引起諧波失真的增加。由於普通造影劑的使用，越來越多的係統（甚至是便攜式係統）在整個係統中都要求較低的二次諧波失真，以確保成功的諧波成像。通常， 根據造影劑的聲屬性、發送器電壓以及組織特點的不同組合，變送器接收到的諧波信號可高達 40dB，比基礎信號要低。因此，放大器的 HD2 應該低於 40dBc。這就使得係統能夠獲得滿意的諧波圖 像。另外
，由於高 HD2，可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)人(ren)為(wei)多(duo)普(pu)勒(le)移(yi)動(dong)頻(pin)率(lv)。在(zai)一(yi)些(xie)臨(lin)床(chuang)中(zhong)，這(zhe)種(zhong)人(ren)為(wei)現(xian)象(xiang)會(hui)影(ying)響(xiang)準(zhun)確(que)的(de)診(zhen)斷(duan)。在(zai)最(zui)終(zhong)的(de)多(duo)普(pu)勒(le)圖(tu)像(xiang)中(zhong)，人(ren)為(wei)多(duo)普(pu)勒(le)移(yi)動(dong)頻(pin)率(lv)有(you)助(zhu)於(yu)係(xi)統(tong)的(de)定(ding)向(xiang)分(fen)離(li)。一(yi)些(xie)文(wen)獻(xian) [請參 見參考書目 2 和 3] 表明
，對 CW 和 PW 多普勒係統而言，45~50dB 的定向分離已經足夠了。考慮到上述因素
，當 HD2 低於 40dBc 時，我們應該規定 AFE 的線性輸入範圍。

影響圖像精確度的幹擾是超聲波係統的另外一個需要考慮的參數。根據變送器件間距、頻率、設計、材料等的不同，超聲波係統的主要是由以 –30 ~–35dBc 順序排列的陣列變送器引起的。一般 而言，IC 和 PCB 的幹擾大大低於 –35dBc。因此，電路的幹擾並不會降低係統的性能。
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超聲波的模擬前端

為了滿足上述標準
，我們需要一個超聲波 AFE（例如 TI 的 AFE5805）。最為先進的 BiCMOS 和 CMOS 技術用於對功耗和噪聲性能進行優化。由於其低功耗、小芯片尺寸以及較低的閃爍噪聲
， BiCMOS 工藝是 AFE5805 VCA 部分的理想之選。CMOS 工藝非常適用於模數轉換器。與同類解決方案相比
，這些綜合的創新使尺寸縮小了 50%，功耗降低了 20%
，噪聲減少了 40%。圖 2 所示的恒 定噪聲性能涵蓋了整個工作頻率範圍。因此
，我們設計的便攜式超聲波係統
，可以實現卓越的圖像質量以及最低的功耗。

小結

未來幾年，全球各地區對於便攜式、低(di)成(cheng)本(ben)超(chao)聲(sheng)波(bo)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)有(you)望(wang)快(kuai)速(su)增(zeng)長(chang)。對(dui)於(yu)那(na)些(xie)超(chao)聲(sheng)波(bo)設(she)備(bei)廠(chang)商(shang)來(lai)說(shuo)
，機(ji)遇(yu)和(he)挑(tiao)戰(zhan)並(bing)存(cun)。新(xin)型(xing)超(chao)聲(sheng)波(bo)模(mo)擬(ni)前(qian)端(duan)的(de)先(xian)進(jin)技(ji)術(shu)，允(yun)許(xu)超(chao)聲(sheng)波(bo)設(she)備(bei)廠(chang)商(shang)對(dui)性(xing)能(neng) 進jin行xing調tiao整zheng，以yi適shi用yong於yu各ge種zhong係xi統tong尺chi寸cun。基ji於yu單dan個ge設she計ji，廠chang商shang便bian可ke發fa布bu多duo款kuan產chan品pin，極ji大da地di節jie省sheng了le便bian攜xie式shi設she備bei和he高gao通tong道dao密mi度du中zhong端duan超chao聲sheng波bo係xi統tong的de開kai發fa成cheng本ben和he時shi間jian。

參考書目

[1] 《多普勒超聲波》，作者：Evans DH 和 McDicken WN，由 John Wiley & Sons 出版，2000 年版
[2] 《一款用於檢測微循環中血液流量的高頻率連續波多普勒超聲波係統》作者：Christopher DA、Burns PN、Armstrong J 以及 Foster FS，超聲波醫學期刊
， 1996 年版，22:1191-1203.
[3] 《一款用於檢測微循環中血液流量並實現成像的高頻率脈衝波多普勒超聲波係統》作者：Christopher DA
，Burns PN，Starkoski BG 以及 Foster FS
，超聲波醫學期刊，1997年版，23:997-1015.
[4] 如欲下載 AFE5805 的產品說明書
，敬請訪問：www.ti.com.cn/afe5805。