超声系统的设计考虑对前端元件选用的影响

引言

在设计超声前端电路时，在若干重大问题上需要进行折中处理。前端电路的元器件的性能参数将影响到诊断的性能——反过来，系统的配置和使用目标也将影响到元器件的选用。

设计者应当理解极为重要的指标的含义，这些指标对系统的性能的影响，以及它们是如何受到集成电路（IC）设计的折中取舍。就集成度和半导体工艺技术而言，这些取舍将限制用户的设计选择。对这些设计上的考虑的理解将帮助设计者实现最有利的系统划分方案。我们首先对高层系统进行概述，然后对超声系统的工作原理进行更为详细的描述。

系统介绍

医用超声机属于当前得到广泛应用的、最为复杂的信号处理机之一。与任何一种复杂的机器类似的是，由于性能要求、物理和成本方面的原因，其设计必须进行多方面的权衡取舍。为了完全理解前端IC所应该具备的功能和性能水平，特别是低噪声放大器（LNA）、时间增益补偿放大器（TGC）和模拟－数字转换器（ADC）等IC，就必须从系统的层次理解这种设备。

在超声前端以及其他多种复杂的电子系统中，这些模拟的信号处理元件都是决定系统总体性能的关键性的元件。前端元件的特性决定了系统性能的极限，一旦在这一部分引入噪声和失真，要在后续部分将其除去将是不可能的。这当然是任何一个接收信号处理链中存在的一个问题，无论是超声还是无线系统都是如此。

有趣的是，超声系统在本质上可以被视为一个雷达或者声纳系统，但是它的工作速度与这些系统不在一个数量级上。典型的超声系统在概念上与安装在商用、军用航空器和军用舰船上的相控阵雷达是类似的。不同的是雷达工作在GHz频段，声纳工作在kHz频段，而超声则工作在MHz频段。超声的设计者们采用并扩展了最早由雷达系统设计者们提出来的、基于相控阵原理的波束定向控制技术（beam steering）。如今，这些系统采用了一些目前最复杂的信号处理设备。

图1示出了一种简化的超声系统图。在所有这样的系统中，在较长的（2m）电缆的终端有一个多元件的换能器。该电缆中有48至256路微同轴电缆，是系统最昂贵的部件之一。在大多数系统中，有若干不同的换能器探头（也被称为手柄——手柄是指包含着换能器元件并通过电缆与系统相连接的部件单元）可以与系统相连，使得操作者能够为最优的成像质量选出适当的换能器。手柄的选择是通过高压（HV继电器）来选择的，这会给电缆增加很大的寄生电容。

图1 超声系统方框图

某些阵列使用了一个HV多路复用器/解复用器来降低发射和接收硬件的复杂性，但相应要在灵活性方面付出代价。最灵活的系统是相控阵数字波形合成系统，由于需要对所有的通道进行完全的电子控制，因此它们容易成为成本最高的系统。不过，如今最新型的前端IC，如AD8332可调增益放大器（VGA）和AD9238 12bit 模数转换器（ADC），正在不断推动每通道成本的降低，因此，如今即使在中档和低成本的系统中也引入了全部单元的全电子控制。

在发射（Tx）一侧，Tx波束成形器决定了延迟方式和脉冲序列，它设定了所需要的发射焦点。波束成形器的输出则经过高压发射放大器放大后驱动换能器。这些放大器受数模转换器（DAC）控制，以修整发射的脉冲波形，以便提高能送到换能器元件的能量。一般来说，会采用多个发射焦点——也就是说，待成像的区域可以通过将发射能量的汇集焦点逐步向体内推移的方法来向深处扩展。采用多个区域的主要原因是，待成像的点在人体内的深度越大，所需发射的能量就应该越大，因为信号会随着向体内的传播（和返回）而逐步衰减。

在接收侧（Rx），有一个通常由二极管桥所构成的T/R开关，它可以阻止高压Tx脉冲的通过。这个开关之后又接有一个低噪声的放大器（LNA）和一个或多个可调增益放大器（VGA），这些放大器用于实现时间增益补偿（TGC），有时也实现变迹滤波（空间“加窗”，用于减少波束的旁瓣）功能。时间增益控制——可以提高人体深处（因此信号到达也越晚）的信号的增益，则由操作者来控制，用于维持图像的均匀度。

信号经过放大后，波束成形就开始执行，这种功能可以以模拟（ABF）或者数字（DBF）形式实现。在现代系统中，大部分是数字化的，除了连续波（continuous-wave，CW）多普勒处理外。之所以还要采用模拟方法，是因为CW Doppler处理的动态范围仍然过大，无法通过与图像在同一个通道进行处理。最后，Rx波束经过处理，以显示出灰度图像、叠加在2D图像上的Colorflow图像，和/或多普勒输出。

超声系统提出的挑战

为了充分理解超声技术所提出的挑战以及它们对前端元件的影响，非常重要的是要记住这种成像模式试图实现的目标。首先，它应该能精确地呈现人体内部的器官，其次，通过Doppler信号处理，可以确定人体内部的运动（例如，血流）。从该信息出发，医生可以对心脏的瓣膜或者血管是否正常工作下结论。

采集模式

超声的采集模式有三种：B模式（灰度级成像；2D）；F模式（Colorflow或者Doppler成像；血流）；以及D模式（频谱多普勒）。B模式可以产生传统的灰度级图像，F模式是一种叠加在B模式显示上的彩色图像，用于显示血流；D模式则属于Doppler显示，可以示出血流的速度及频率。（还有一种M模式，它用于显示单个B模式的时间线。）

医用超声的工作频率在1MHz～40MHz范围内，体外成像机一般采用的频率为1MHz～15MHz，而静脉内心血管测量机则使用高达40MHz的频率。原则上希望采用更高的频率，因为它们可以提供更好的分辨率，但是组织的衰减作用限制了给定透入深度所对应的最高频率。不过，人们也无法任意提高超声的频率来获得更细微的分辨率，因为超声信号的衰减率约为1dB/cm/MHz，也就是说，对于10MHz的超声信号和5cm的透入深度而言，往返的信号已经衰减了5× 2×10 = 100 dB！为了在任意位置都能达到约60dB的瞬时动态范围，对动态范围的要求高达160dB（对应的电压动态范围是1×108：1）！如此之高的动态范围是无法直接实现的；因此，必须在系统复杂程度和前端性能之间做出均衡，要么是透入深度（受到安全方面的法规关于容许的最高发射功率的限制），要么是图像分辨率（使用较低的超声频率）。