摘要：  本文就为优化便携式超声波医疗成像系统的新技术和部件芯片的选择及其典型医疗超声诊断设备作研讨与分析。

关键字：  超声波，聚焦，接收与发射，数字波束

1 前言
随着超声波设备的日益紧凑和便携，宣告诸多保健应用成为现实，这些应用展示了医疗技术的进步为患者所带来的关爱，使得他们无需为诊疗而来回奔波。超声应用的医学成像系统-超声成像诊断仪已成为最为常用的一种医疗影像诊断设备。这是因为超声波可以在人体组织内传播，同时衰减不是很大，对人体无损伤、无痛苦、无危害，而且超声波的产生也比较方便，便于制成廉价系统，易于推广。此外，超声波扫描成像能实时提供影像，对人体软组织探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处，具有广阔的发展前景。   
特别是近多年来，超声成像技术得到了很大的发展，超声诊断仪从采用模拟技术发展到采用模拟／数字混合技术及全数字式声束技术。由于计算机技术的广泛应用，人们可以根据声束形成的特点，通过计算机来控制每个与图像质量密切相关的参量使图像质量有了极大的改善。新型嵌入式处理器和模拟产品凭借低功耗和高性能简化了先进超声波系统的设计，并实现了便携性和高品质图像。
为此本文就此为优化便携式超声波医疗成像系统新技术与相关部件芯片的选择及其典型超声诊断设备作研讨与分析。
2 优化便携式超声波医疗成像系统新技术与相关部件芯片的选择
2.1 新型便携式超声波医疗成像系统新技术与架构
新型便携式超声波医疗成像架构见图1(a)所示。从图1(a)可知，便携式超声系统包含传感器、高压开关、高压发射电路、发射(Tx)/接收(Rx)开关、接收通道模拟前端(AFE)、 波束（或称电子束）形成器、 波束形成后的数字信号处理电路、显示处理电路和外设。AFE包括低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器 (VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和模数转换器(ADC)。针对不同应用，波束形成可以分为两类：数字波束形成和模拟波束形成。
2.2 医疗超声系统面临的主要挑战
AFE电路性能，如噪声性能、信噪比(SNR)和动态范围(DR)等，动态范围的典型要求如下：B模式70dB，PWD（脉冲波多普勒）140dB，CWD（连续波多普勒）160dB。
发射电压——为提高信号穿透率以及进行谐波成像，需要很高的发射电压。 声功率随着发射电压增大而提高，但发射声功率不能超过美国食品和药品管理局(FDA)等机构规定的安全要求限制。 
波束形成器的复杂度——要获得高图像质量，就要求采用大量波束形成通道。复杂度增加进而导致功耗升高，并且需要更多成像通道来实施散热。随着设备向小型化发展，尤其是在还要提高图像质量的时候，散热问题显得非常重要。以前，实现这类超声成像系统需要大量高性能发射电路和接收电路，由此产生的是庞大且昂贵的推车式系统。 最近，集成技术的进步使得系统工程师能够设计出尺寸更小、成本更低、更为便携的成像解决方案，而其性能接近于推车式系统
2.3 应对挑战医疗超声系统的构建与设计优化
换能器（超声传感器或称探头）
用来发射和接收超声的部件，称做探头。由于探头也是进行电一声和声一电信号转换的部件，亦称换能器。其系统仪器的灵敏度、分辨率和伪像干扰的大小都与探头的性能有关。而探头换能器为合成RCL电路模式见图1(b)所示，探头模式非常取决于结构、材料与频率及类型。
成像系统的关键器件是换能器（或称超声传感器）。典型的超声成像系统需要使用各种传感器支持特定的诊断要求。每个传感器由一组压电传感器单元阵列构成，它们集中能量并发射到人体内部，然后接收相应的反射信号。每个单元通过纤细的同轴电缆连接到超声系统。通常，传感器由32至512个单元构成，工作频率为1MHz至15MHz。多数超声系统提供两个至四个传感器转换接口，临床医生可根据不同的检测类型方便地更换传感器。
聚焦成像技术
医疗用超声波系统均采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远超过单通道的方法。采用阵列接收机，通过时间平移、缩放以及智能求和回声能量，可构建高清晰度的图像。其时间平移的概念以及缩放传感器阵列所接收的信号提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力，通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。
在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每一8至512传感器的单元发出。此脉冲将定时且定量的“照射”人体的特定区域。在发射之后．传感器单元立即切换至接收模式。上述脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于7MHz至15MHz之间。随着传播的进行，信号急剧衰减，衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将为接收电子器件所检测。由于反射靠近人体的表皮，直接反射的信号将十分强，而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱，这是源于人体深处的反射。
传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点．接收的回波非常强，仅需要很小乃至不需要任何的放大。此区域被称为近区。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此区域被称为远区。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。许多接收链路都集成了低噪声的可变增益放大器。
信号的汇集通过数字波束成型器实现。数字波束成型器是典型的用户定制式ASIC（特定用途集成电路），但其功能则是通过不同的可编程逻辑方式实现。在数字波束成型器内部，数字化信号将被缩放成时间延迟，从而在接收链路产生聚焦效应。所有接收通道的信号在经过适当的调节之后将被加权，并输送至成像系统。成像系统将采用单独的ASIC进行开 发，可能是诸如DSP的可编程处理器，或者可能是完全的桌上型电脑。[#page#]
发射单元
发射单元需要控制100V~200V的信号摆幅，大多数情况都将使用高压发射机（即高电压FET）实现。其数字发射波束成形器用于产生所要求的数字发射信号，以正确的时间和相位生成聚焦发射信号。高性能超声系统可通过任意波形发生器产生复杂的发射波形，从而优化图像质量。这些情况下，发射波束成形器以大约40MHz速率生成8位至10位数字字符，并以此产生所要求的发射波形。数/模转换器(DAC)将数字波形转换成模拟信号，通过线性高压放大器进行放大，用于驱动传感器单元。由于这种发射技术占用较大体积，而且价格昂贵、需要消耗较高能量，所以，这种架构只限于昂贵的非便携设备。多数超声系统并不使用这种发射波束成形技术，而是采用多级高压脉冲发生器产生需要发射的信号。
近几年，随着二次谐波成像的广泛应用，高压脉冲发生器对于斜率和对称性的要求越来越高。二次谐波成像利用了人体的非线性声学特性。这些非线性特性倾向于将频率fo的声能转变成2fo频率。多种原因使得接收二次谐波信号能够获得更高的图像质量，因此，二次谐波成像得到了广泛应用。
成像通道接收机
超声成像通道的接收机用于检测二维(2D)信号以及彩超流体成像所需的脉冲多普勒(PWD)信号和多普勒频谱。接收机包括Tx/Rx开关、低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和模/数转换器(ADC)。
Tx/Rx（发射/接收）开关
Tx/Rx开关可以保护低噪声放大器免受高压发射脉冲的影响，同时在接收间歇期间隔离低噪声放大器输入和发射机。该开关一般采用一组正确偏置的二极管阵列实现，当有高压发射脉冲出现时，它们会自动闭合或断开。Tx/Rx开关必须具备很快的恢复时间，以保证接收机在发射一个脉冲后能够立刻开启。这些快速恢复时间对于浅埋成像和提供低导通电阻确保接收灵敏度至关重要。在此以集成、8通道T/R（发射/接收）开关TX810的应用为例作介绍。
TX810满足了设计师构建较小便携式超声波系统。TX810集成了用于其所有8个通道的保护二极管电桥和箝位二极管。旨在防止发送器的高电压脉冲损坏超声波系统的接收电子线路。在便携式至中等大小超声波系统中，该器件所占用的板级空间较之分立型解决方案缩减了50％~75％以上（取决于T/R架构），而且，元件的减少和处理的简化还为设计带来了可靠性的提升。图2为集成8通道T/R开关基本架构图。
低噪声放大器(LNA)
接收机中的LNA必须具有出色的噪声性能和足够增益。对于设计合理的接收机，LNA将决定整个接收机的噪声性能。传感器单元通过较长的同轴电缆连接到相应的低阻抗LNA的输入端。如果没有适当的电缆终端匹配，电缆电容和传感器单元的源阻抗将大大制约从宽带传感器接收信号的带宽。传感器电缆匹配至低阻，有助于降低这一滤波的影响，有效提高图像质量。不幸的是，这种端接也降低了LNA的输入信号，因而降低接收灵敏度。由此可见，为LNA提供有源输入端接非常重要，可以在上述条件下提供必要的低输入阻抗端接和出色的噪声性能。
可变增益放大器(VGA)
VGA有时也称为时间增益控制(TGC)放大器，能够在整个接收周期内为接收机提供足够的动态范围。超声信号在体内大约每秒传输1540米，往返衰减率为1.4dB/cm-MHz。发射一个超声脉冲后，可立即在LNA输入接收到高达0.5VP-P的回波信号，该信号会快速跌落到传感器单元的热噪声基底。接收该信号所要求的动态范围约为100dB至110dB，超出了实际ADC的输入量程。因此，需要利用VGA 将信号转换成与ADC量程相当的信号幅度。典型应用中采用12位ADC，要求VGA能够提供30dB至40dB的增益。增益随时间调整（即“时间增益控制”），实现所要求的动态范围。其性能差的VGA会限制整个接收通道的SNR（信噪比）指标。
抗混叠滤波器(AAF)和多ADC系统新型基准电压的设计
ADC抗混叠滤波器AAF置于接收通道，用于滤除高频噪声和超出正常最大成像频率范围的信号，防止这些信号通过ADC转换混叠至基带。在设计中大多采用可调节的AAF，为了抑制混叠并保证信号的时域响应，滤波器需要对第一奈奎斯特频率以外的信号进行衰减。因此，常常使用巴特沃斯滤波器或更高阶的贝塞尔滤波器。
在医疗超声成像系统中通常要在其接收器的波束成形电路中使用大量的ADC（模数转换器），而通常以16个、24个、32个等为一组。典型应用中采用12位ADC，采样率通常在40Msps至60Msps之间。ADC提供必要的瞬态动态响应范围，同时具有适当的成本和功耗。要得到最高的波束精度，就必须最大限度减小波束成形通道的误差。而导致误差的主要来源归结为噪声和施加到每个独立ADC的实际基准电压。这些系统不仅需要精密的通道间匹配，而且还需要准确设计多ADC的供电电压基准系统，以保持足够的动态特性。在设计得当的接收器中，ADC会限制接收通道的瞬态SNR。
数字波束成形器
ADC的输出信号通过高速LVDS串口传输给数字接收波束成形器。这种传输方式降低了PCB的设计复杂度和接口引脚数。波束成形器内置上变频低通滤波器或带通数字滤波器，这些滤波器把有效采样速率提高4倍，提高了系统波束成形的精度。上变频信号存储在内存中，经过适当的延时，通过延迟系数加法器进行叠加，得到合适的焦点。信号还进行适当的加权或“变迹”，在叠加之前进行变迹，可以调节接收孔径，降低旁瓣对接收波束的影响，提高图像质量。[#page#]
DSP的功能
DSP的功能之中可用于成像系统的有多普勒处理(Doppler processing)、3D乃至4D成像以及大量的后处理算法（可增加功能性并改善性能）。而成像系统的核心需求正是高性能及大带宽。其高性能数字信号处理器TMS320C64X定点DSP是医学超声设备的主流芯片。
波束成形的数字信号处理
接收到的波束成形数字超声信号由DSP和基于PC的设备进行处理，得到视频和音频输出信号。这一过程通常可以划分为B超或2D图像处理，以及具有彩超流体成像信息的多普勒处理，多普勒接收到的波束成形数字超声信号由DSP和基于PC的设备进行处理，得到视频和音频输出信号。多普勒处理又分为脉冲多普勒(PWD)处理和连续波多普勒(CWD)处理。
需要指出的是数据随后通过扫描转换至最终的输出显示格式及尺寸。对于多普勒(Doppler)处理而言，速度及湍流将以彩色流动模式进行估算，而功率则以能量多普勒模式进行估算。这些估算结果将再次扫描转换至最终的输出显示。为了实现正确的显示。估计量相关的色彩分配是必不可少的。在频谱多普勒模式中，可通过加窗及重叠的FET对频谱进行估算。同样，在分离了前向及反向流之后，惯常的做法是以音频格式来表现多普勒数据。所有这些密集的信号处理计算都非常适合使用DSP。
B超处理
B超处理中，RF波束成形数字信号经过滤波和检波处理。检测信号具有极宽的动态范围，B超处理器必须将这些信号进行数字压缩，使其达到显示器规定的动态范围。
彩超流体信号处理 
在彩超流体信号处理中，RF数字波束成形信号与正交本振信号（LO，频率为发射频率）进行混频，得到I、Q基带信号。每个接收通道采集的超声信号都有对应的幅度和相位。彩超流体信号处理中，8至16路超声信号集中在一个成像通道，测量多普勒频移。血液流动或沿成像通道的组织移动产生的反射信号具有一定的多普勒频移，从而改变了I/Q基带采样信号的相位。彩超流体处理器决定了成像通道的8至16路超声信号的平均相移和时间关系。处理器还用彩色表示平均流速。通过这种方法，实现了血液或人体组织移动的二维造影成像。
多普勒频谱与连续波多普勒(CWD)
频谱处理中，波束成形数字信号经过数字滤波，并通过正交本振信号混频至基带信号，然后以发射脉冲重复频率(PRF)进行采样。利用复杂的快速傅里叶变换(FFT)获得多普勒频谱，以重现接收信号的速度信息。FFT输出的每个二进制信号幅度经过计算和压缩，使其达到显示图像所要求的动态范围。最终信号幅度作为时间函数，显示在超声设备的显示屏上。在连续波多普勒(CWD)成像系统中，信号处理的过程基本相同。除了处理这些显示信号外，频谱处理器还产生左、右声道的立体声音频信号，表示正向和负向运动。DAC对这些信号进行转换，驱动外部扬声器和耳机。多数的心脏检查和一些通用的超声成像系统中，常常使用连续波多普勒CWD以确保精确测量心脏内高速流动的血液。  
显示处理
显示处理器进行必要的计算，绘制极坐标图。B超中的声音、图像数据或彩超流体信息被处理成矩形位图，从而消除图像中的杂散信号。这一过程通常称为R-θ变换，显示处理器还提供空间图像增强功能。
3 典型优化超声诊断设备举例
3.1 低功耗便携式连续波多普勒(CWD)超声诊断系统构建
在便携式超声设备前端中，模拟信号处理元件是决定总体系统性能和限制的关键。为了增加通道密度，可提供多种高集成度、低功耗解决方案，它们能在超小封装内提供超凡的性能。图3为低功耗便携式连续波多普勒超声诊断系统构建示意图。
AD8339的四正交解调器和移相器可替代大交叉开关矩阵和模拟延时线，以应用在相位阵列波束形之中，比同类产品节省了75％的PCB面积。AD8339每通道功耗仅为73mW，适合于便携式超声诊断设备使用。该器件节省功耗特性能使设计师可以在超声诊断设备中增加通道密度，每通道使用数百个移相器。AD8339采用40引脚LFCSP封装。
AD7980 16bit 低功耗ADC可对AD8339的4通道同相和正交(1/Q)模拟信号分别求和并且以高达1MSPS采样速率完成模数转换。该器件消耗最小的功耗，占用最小的PCB面积，同时提供高达91.5dB 1MSPS无与伦比的信噪比(SNR)。
AD8332具有超低噪声前置放大器AD8332是一款双通道超低噪声、与dB成线性关系的可变增益放大器(VGA)。作为频率高达120MHz的低噪声可变增益器件，它适用于超声系统。
AD8021是一款出众的高性能、高速电压反馈放大器，可以用于16bit分辨率系统。
3.2 用于先进超声诊断设备的完整模拟前端与芯片选择
考虑到人体组织、骨密度、血液粘度和流动速率的变化，先进的超声诊断设备必须能够处理极宽动态范围的信号。而且，医学设备需要越来越高的通道密度，每个系统中都需要数百个数据转换器和放大器，以便为超声诊断模拟前端(AFE)提供准确、高质量的图像。设计师必须解决两个主要问题：一方面需要驱动高分辨率的数据转换器，另一方面需要增加系统的通道密度，同时降低功耗和封装尺寸。图4为用于先进超声诊断设备的完整模拟前端总体方案示意。
凭借系统级信号链及其在医学应用中的经验，在下面信号链中的主要元件可以单独或一起提供一个完整优化的AFE。这种总体解决方案不仅提高了超声设备动态范围和图像分辨率，而且还降低了封装尺寸、每通道功耗和材料成本。四VGA（可变增益放大器）以及10bit和12bit四ADC具有串行、低压差分信号(LVDS)数据输出功能，由于在给定PCB面积内能够提供更多的数据转换通道，从而简化了PCB布线并进一步提高了图像质量。
新型的超声波应用的集成模拟前端至关重要。如AFE58xx系列将多个高性能模拟组件组合成完全集成的模拟前端，为各种超声波设备提供了出类拔萃的图像质量。该器件的尺寸小于它们的一半且功耗更小，同时还能保持低噪声以实现出类拔萃的图像质量。更长的电池寿命和更好的图像质量有助于便携式系统的普及。 该器件采用 15mm×9mm 的超小型封装。AFE5805 模拟前端为便于从手持到中程超声波系统使用，提供了低功耗和最低噪声。新的AFE5804具有引脚至引脚的兼容性，一旦有设计需要时，易于转换为更低功耗的解决方案。 它采用模式控制，使设计人员能够灵活地设置噪声级别和所需的功率性能，以优化其系统。图5为超声集成的模拟前端芯片AFE5805结构方块示意图。
采用高集成模拟前端AD9271能为急诊室、医生办公室和门诊所使用的便携式超声系统提供优异的图像质量。工作在显示模式下，可以关闭个别通道以延长电池寿命；或者在连续波模式下使用低噪声放大器时可以关闭ADC通道。图6为用AD9271为便携式超声系统提供优异的图像质量应用示意图。
4 结论
医学成像领域正极大地受益于应用物理和电子学的研究和发展，特别是在诸如仪表设备、影像采集和建模等领域。由于其完全无创伤性，超声波在各种成像模式中占有特别的位置，其为内脏器官研究提供了一种可靠的方法。由于半导体工艺技术的进步，这种趋势正在发生变化。现在，可以完全使用半导体 IC 来制造超声波收发器。从而为广大临床医生和用户提供了图像高分辨率和高可靠性所带来的高效诊断率。