這些技術突破催生了更便攜、更高效的超聲係統
，具有更佳的成像性能和更多的功能。更高的動態範圍、更低的功耗以及更緊湊的係統級IC提供了高質量的圖像

，可更好地進行診斷。未來的超聲係統可能是手持式的，並成為醫師的第二個“聽診器”。

 

 

圖1顯示了一個超聲係統信號鏈的簡化框圖。所有超聲係統都在相對較長電纜的末端使用換能器，電纜長度一般為兩米。此電纜至少包含8個——最多可達256個——微wei型xing同tong軸zhou電dian纜lan，是shi係xi統tong中zhong最zui昂ang貴gui的de部bu件jian之zhi一yi。在zai幾ji乎hu所suo有you係xi統tong中zhong
，換huan能neng器qi基ji元yuan都dou直zhi接jie驅qu動dong電dian纜lan。電dian纜lan電dian容rong成cheng為wei換huan能neng器qi基ji元yuan的de負fu載zai，引yin起qi很hen大da的de信xin號hao衰shuai減jian。它ta需xu要yao一yi個ge高gao度du靈ling敏min的de接jie收shou器qi來lai保bao持chi動dong態tai範fan圍wei和he實shi現xian最zui佳jia係xi統tong性xing能neng。

 

圖1. 典型超聲信號鏈

 

在發射端(Tx路徑)，波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)器(qi)決(jue)定(ding)針(zhen)對(dui)所(suo)需(xu)焦(jiao)點(dian)而(er)設(she)定(ding)的(de)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)延(yan)遲(chi)模(mo)式(shi)。然(ran)後(hou)，波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)由(you)高(gao)壓(ya)發(fa)射(she)放(fang)大(da)器(qi)放(fang)大(da)
，以(yi)驅(qu)動(dong)換(huan)能(neng)器(qi)。這(zhe)些(xie)放(fang)大(da)器(qi)由(you)數(shu)模(mo)轉(zhuan)換(huan)器(qi)(DAC)或者高壓FET開關陣列控製
，將發射脈衝整形，以便更好地向換能器基元傳輸能量。在接收端，發射/接收(T/R)開關(通常是一個二極管電橋)阻擋高壓Tx脈衝。某些陣列會使用高壓(HV)多路複用器/解複用器來降低發射和接收硬件複雜度，但這樣會犧牲靈活性。

 

時間增益控製(TGC)接收路徑由低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)和模數轉換器(ADC)構成。VGA通常提供線性dB增益控製，與超聲信號反射衰減匹配。在操作人員的控製下，TGC路徑用於在掃描過程中保持圖像的均勻性。低噪聲LNA對於盡可能降低隨後的VGA噪聲分配極為關鍵。在需要輸入阻抗匹配應用中，有源阻抗控製使噪聲性能最佳。

 

通過VGA將寬動態範圍的輸入信號壓縮，以滿足ADC的輸入範圍要求。LNA的折合到輸入端的噪聲限製了可分辨的最小輸入信號，而折合到輸出端的噪聲主要取決於VGA
，它限製了特定增益控製電壓下可以處理的最大瞬時動態範圍。該限製是根據量化本底噪聲設定的
，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。早期的超聲係統基於10位ADC，但多數現代係統使用12或14位ADC。

 

抗混疊濾波器(AAF)限製了信號帶寬，同時也抑製了ADC之前TGC路徑中的無用噪聲。

 

醫(yi)用(yong)超(chao)聲(sheng)的(de)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)是(shi)指(zhi)信(xin)號(hao)的(de)相(xiang)位(wei)對(dui)準(zhun)和(he)求(qiu)和(he)，這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)由(you)共(gong)同(tong)的(de)信(xin)號(hao)源(yuan)生(sheng)成(cheng)，但(dan)是(shi)由(you)多(duo)基(ji)元(yuan)超(chao)聲(sheng)換(huan)能(neng)器(qi)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)時(shi)間(jian)點(dian)接(jie)收(shou)。在(zai)連(lian)續(xu)波(bo)多(duo)普(pu)勒(le)(CWD)路徑中，對接收器通道進行移相和求和，以提取相幹信息。波束形成有兩個功能： 一個是為換能器定向
，以提高其增益，另一個是定義人體內的焦點，由該焦點得到回波的位置。

 

波束成形可以采用兩種不同的方法實現：模擬波束成形(ABF)和數字波束成形(DBF)。ABF和DBF係統之間的主要區別在於完成波束成形的方式；這兩種方法都需要良好的通道間匹配。ABF使用模擬延遲線和求和，僅需要一個精密高分辨率、高速ADC。DBF係統是目前最受歡迎的方法
，它使用“很多”高速
、高分辨率ADC。DBF係統中的信號應盡可能靠近換能器基元進行信號采樣，然後將信號延遲並對其進行數字求和。DBF架構的簡化框圖如圖2所示。

 

圖2. 數字波束成形(DBF)係統簡化框圖

 

 

超chao聲sheng係xi統tong具ju有you如ru此ci多duo的de通tong道dao和he元yuan器qi件jian
，雖sui然ran技ji術shu已yi經jing有you了le極ji大da的de進jin步bu，仍reng屬shu於yu目mu前qian最zui複fu雜za的de係xi統tong。就jiu像xiang其qi他ta複fu雜za係xi統tong那na樣yang，有you很hen多duo方fang法fa可ke以yi進jin行xing係xi統tong分fen割ge。本ben節jie將jiang回hui顧gu一yi些xie超chao聲sheng分fen割ge策ce略lve。

 

早期的超聲係統采用模擬波束成形技術，需要使用大量的模擬元器件。TGC和Rx/Tx路徑上的數字處理通過定製ASIC來實現。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這種方法很常見。ASIC具有大量柵極
，其數字技術未針對模擬功能(比如放大器和ADC)優化。使用ASIC的係統很大程度上必須依賴於供應商產品的可靠性。

 

ASIC、FPGA和DBF技術與分立式IC ADC和VGA結合使用是實現便攜性的第一步

，但使用多通道(四通道和八通道)

TGC、ADC以及DACrangchicunyugonghaodedaodafuxiajiang。zhexieduotongdaoyuanqijiankerangshejirenyuancongshuzidianluzhongjiangminganmonidianlufengedaodulidianlubanshang。zheyangkeyisuojianxitongchicun，bingqieyouliyuzaiduogepingtaishangzhongfuliyongdianzidianlu。

 

然而，以高引腳數互連四通道和八通道VGA與ADC會讓PCB走線路由變得困難，某些情況下會迫使設計人員使用通道數較少的器件，比如從八通道ADC轉而使用四通道ADC。將大量多通道元器件放置在小麵積內還會導致散熱問題。進行最佳分割可能會變得很有挑戰性。

 

完整TGC路徑采用多通道、多器件的進一步集成使設計變得更加容易，因為PCB尺寸和功耗要求得以進一步降低。隨著更高級集成方案的廣泛使用，成本、尺寸和功耗進一步減小
，便攜式係統的電池壽命更長。

 

這類架構可以采用超聲子係統構建(比如AD9271)，它包含LNA、VGA、可編程抗混疊濾波器、12位ADC和八個TGC

通道的串行LVDS輸出。

 

最(zui)終(zhong)的(de)超(chao)聲(sheng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)在(zai)探(tan)頭(tou)裏(li)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)子(zi)功(gong)能(neng)，並(bing)盡(jin)可(ke)能(neng)靠(kao)近(jin)換(huan)能(neng)器(qi)基(ji)元(yuan)。記(ji)住(zhu)
，探(tan)頭(tou)基(ji)元(yuan)的(de)電(dian)纜(lan)會(hui)限(xian)製(zhi)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)，且(qie)成(cheng)本(ben)高(gao)昂(ang)。如(ru)果(guo)前(qian)端(duan)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)更(geng)靠(kao)近(jin)探(tan)頭(tou)，那(na)麼(me)電(dian)纜(lan)損(sun)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)就(jiu)會(hui)更(geng)小(xiao)
，降(jiang)低(di)LNA要求並進而降低功耗。一種方法是將LNA移至探頭電子器件中。另一種方法是分割探頭和PCB電子器件的VGA控製。最終

，係統尺寸更小
，足夠裝進超小型封裝中。這樣做的不足之處是設計人員又回到了原點，需要定製探頭。換言之
，探頭/電子器件定製將使現代設計人員麵臨以前使用數字ASIC的設計人員所麵臨的同樣問題。

 

 

超chao聲sheng涵han蓋gai了le範fan圍wei廣guang闊kuo的de各ge種zhong應ying用yong
，因yin此ci係xi統tong設she計ji人ren員yuan所suo需xu要yao做zuo的de權quan衡heng取qu舍she也ye更geng多duo。每mei一yi種zhong診zhen斷duan成cheng像xiang模mo式shi都dou有you不bu足zu之zhi處chu
，通tong常chang是shi性xing能neng與yu功gong耗hao的de權quan衡heng。現xian在zai，這zhe些xie難nan題ti由you可ke讓rang設she計ji人ren員yuan在zaiIC內部調節性能與功耗比的元器件所解決
，從而縮短了產品上市時間。同樣

，我們希望超聲子係統可以在IC內部提供一係列選項，以便調節輸入範圍
、偏置電流、caiyangsulvhezengyi。genjusuoyaoqiudechengxiangmoshihuotanzhenleixing，xitongshejirenyuanjihukeyishishiduishejideshiyongxingjinxingxitongtiaojie，bingyizuididegonghaotigongzuigaodexingneng。

 

設計人員還可針對這些器件使用配置設計工具，從而可對各種單獨的探頭和圖像模式性能進行評估，如圖3所示。係統設計人員可以快速做出這些權衡取舍
，並直接在IC級別調節係統設計。如此，便無需更改硬件並執行複雜的圖像處理測試來驗證這些權衡取舍。

 

圖3. 超聲子係統配置工具圖形用戶界麵

 

此外
，配置工具還可將最優配置參數轉換為數字設置，並生成一個文件，將該器件的最終配置複製到係統中。

 

 

在zai醫yi療liao和he工gong業ye應ying用yong中zhong，超chao聲sheng係xi統tong正zheng在zai不bu斷duan向xiang便bian攜xie性xing和he低di功gong耗hao發fa展zhan。所suo有you這zhe類lei係xi統tong都dou具ju有you相xiang似si的de要yao求qiu
，並bing在zai近jin年nian來lai實shi現xian了le集ji成cheng和he功gong耗hao調tiao節jie創chuang新xin。

 

集成式多通道器件的進步體現在進一步降低了功耗、chicunhechengben。wuyi
，zuixindechuangxinchanpinyupeizhigongjukerangxitongshejirenyuangengqingsong。zhebianweigenjujutichengxiangmoshikaifakepeizhihekejinxingxingnengyugonghaotiaojiededuoyanghuachaoshengchanpintigongletujing。

 

大多數超聲設備製造商的知識產權(IP)都集中在探頭和波束成形技術上。多通道集成的常用器件包括四通道和八通道ADC
，它們可以最大程度減少高成本模擬元器件的使用

，並降低費時費力的TGC通道校準要求。超聲係統的其他部分還可進一步集成。對更多的信號鏈部分進行集成將進一步降低功耗
、尺寸和成本

，同時提升處理能力。

 

 

1. Reeder
，Rob和Corey Petersen，“AD9271——便攜式超聲設備的革命性解決方案”，模擬對話41-07。

 

2. Brunner，Eberhard
，“影響超聲係統前端器件選擇的考量因素”，模擬對話36，第一部分(2002)。

 

3. Kisslo，Joseph A.和David B. Adams，多普勒超聲心動圖原理和多普勒檢查#1

，London： Ciba-geigy
，1987。

 

4. Kuijpers，F. A.，“未來醫療成像應用中技術的作用”
，Medicamundi，1995年第40卷第3期
，Philips Medical Systems。

 

5. Meire，Hylton B.和Pat Farrant， 基礎超聲，Wiley
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，第 1-66頁.

 

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，EETimes-India，2009年2月。

 

7. Reeder，Rob
，“利用新器件實現靈活的超聲係統設計”
，Planet Analog，2009年1月。

 

8. Odom，Bill，“超聲模擬電子技術入門”，模擬對話33-5。

 

9. Errico，Paul和Allen Hill，“超聲係統高速信號處理元件的選擇”，模擬對話。

 

本文轉載自亞德諾半導體。