超声波成像模拟前端设计系统介绍

超声波成像是一种应用广泛的医疗成像方法。传统超声波成像系统使用2～15MHz的频率，精度水平为毫米，已广泛应用于监控胎儿，以及诊断内脏疾病等。在过去的20多年里，传统台式超声波系统主导了医疗超声波应用，这是由于超声波系统的通道数量巨大和信号处理量大所致。人口老龄化、不断攀升的保健费用和新兴经济的需求，都使得对创新医疗解决方案的需求日益增长。
小尺寸、低功耗且高性能的超声波模拟前端(AFE)和DSP都是超声波产品厂商所需要的。更重要的是，超声波产品厂商想要一种能够通用于各种系统的设计，从而可以最短化他们的开发周期并加速产品上市进程。

丁冬芹

2019-7-9 10:56:52

1 超声波系统结构
超声波系统因其功能和性能而各异。例如，一些高端系统通常具有3D、4D和谐波成像模式，而一些低端系统可能只有2D B模式成像和频谱多普勒成像模式。功能差异化主要取决于数字后端。高端超声波系统则要求更多、更快的高端DSP计算资源调用，从而达到近乎实时的信号处理。很明显，在高端和便携式系统之间共用信号处理单元十分困难。但是，在忽略不同性能要求的情况下，超声波系统一般都具有类似的接收通道架构。
如图1所示，超声波系统接收模拟前端由常用模块组成，例如：低噪声放大器(LNA)、时间增益控制(TGA)放大器、压控放大器(VCA)、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器以及模数转换器(ADC)。在任何情况下，AFE的性能都会极大地影响整个系统的性能。因此，只要在引脚对引脚兼容封装中存在满足不同性能要求的AFE产品，那么AFE设计就可以被标准化，并在各种系统中得到重用。这种标准化可在中低端系统中轻松地实现，这类系统无须特别的模拟信号调节。

图1 超声波系统结构图
然而，目前大多数的AFE产品都不能满足超声波产品厂商的这种需求。因此，必须选择一些单独的芯片来满足袖珍型和台式系统的各种性能要求。例如，台式系统或许允许有较高的功耗，但必须要实现更低的噪声，反之亦然，因此必须进行重新设计。
诸如TI AFE5805的一些新型AFE器件保持了相同的外引脚。其目标应用为便携式和台式的各种超声波系统。引脚对引脚兼容性将允许超声波产品厂商能够在极大节省成本和快速投放市场的情况下标准化AFE设计并设计出创新性产品。

李英

2019-7-9 10:57:00

2 模拟前端特性与系统性能的关系
要时刻谨记设计超声波系统是一件复杂的事情，而AFE的每一个特性都会影响整个系统的性能。为每一种系统类别平衡选择各种参数的能力毫无疑问是一种艺术。
就便携式超声波系统而言，功耗是一个关键的考虑因素。低功耗意味着更低的电池电量可提供更长的运行时间。但是，其会影响其他参数，例如，输入信号范围、输入等效噪声、谐波失真等，尽管这些性能降低通常对于便携式（低端）系统而言是可以接受的。
除功耗以外，AFE噪声是超声波系统设计人员需要考虑的第二个因素。超声波变送器的接收信号量级可能会在10μVPP～1VPP之间变化。能够探测到的信号越小，系统的灵敏度也就越高。输入等效电流和输入等效电压噪声都会影响系统灵敏度。一般而言，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪声参数用于从高端到低端的系统。
一些具体系统应用证实这些噪声参数足以产生高质量的图像。虽然可以使用一款更低噪声的放大器，但是其对最终超声波图像质量并无显著提高，因为需要考虑输入等效电流噪声和发射/接收(T/R)开关的噪声。除输入等效电压噪声以外，闪烁噪声（即1/f噪声）也是成像应用中的一个重要因素。在存在混频的连续波(CW)模式下，低频噪声频谱移至载波频率，从而降低了相关频率的信噪比(SNR)。具有白噪声性能的放大器优于其宽泛的工作频率。
在一些超声波应用中，增益控制范围在达到图像动态范围的过程中起着重要的作用。当VCA具有更高的增益控制范围时，最终图像也就拥有一个更宽泛的动态范围，从而得到更高的图像质量。组合ADC的SNR，系统的动态范围可由以下方程式计算得出：
动态范围=SNR+增益控制范围（方程式1）
例如，一个包含了12比特、70dB SNR以及40dB增益控制范围VCA的系统可以获得110dB的动态范围。换句话说，考虑到人体0.7dB/cm.MHz的衰减系数、10cm的成像深度以及7.5MHz的变送器，由10×2×0.7×7.5可以计算得到105dB的动态范围。在目前的一些超声波系统中，10～15MHz的探针通常被用于对一些小范围进行成像。因此，通常会需要100dB以上的动态范围，从而得出这样的结论：大增益控制范围的AFE是首选。另外，更高总体增益的AFE是探测小信号和补偿其他电路带来的插入损耗（例如，无源高阶滤波器的插入损耗）的一种辅助。
放大器饱和与过载恢复也是重要的系统参数。相比单独进行讨论，将这两个参数放在一起进行评估和计算更为有价值。基本上，放大器的理想输入信号范围受限于其线性输出电压（与电源电压有关）和增益。

（方程式2）
因此，较低的增益和较高的电源电压有益于该参数。但是，低增益会降低输入等效电压噪声，而高电源电压会增加总功耗，因此必须使用一种折中的方法。就一些便携式及中端系统而言，通常会选用200～400mVPP的参数。超声波放大器饱和通常是由高压脉冲泄漏或近表面物体反射的大信号引起的，这些表面物体的声阻抗差异性极大。此类例子包括表皮组织或骨骼，而在表皮组织或骨骼中仅有少量的临床信息。大多数情况下，这些区域的信息丢失可能不会影响临床诊断。但是，如果放大器不能及时恢复，那么就会有大量的信息丢失。AFE的快速过载恢复时间确保了超声波系统能够尽可能多地获取有用信息。AFE的过载恢复时间可以用ADC时钟周期数量表示。一个时钟周期的过载恢复时间较为理想。
超声波放大器饱和带来的另一个影响是谐波失真增加。由于使用了普及的造影剂，越来越多的系统（甚至是便携式系统）都要求整个系统的低二次谐波失真，以保证顺利的谐波成像。一般而言，变送器接收到的谐波信号会高达40dB（低于基础信号），具体情况取决于造影剂声学属性、发送器电压和组织特性的综合因素。因此，放大器的HD2应低于40dBc，这使系统能够获得理想的谐波图像。另外，高HD2可能会引起人为的多普勒频移。在一些临床情况中，这种人为因素可能会影响诊断的准确性。在最终多普勒图像中，人为多普勒频移会造成多普勒系统的方向隔离。一些文献表明，对一些CW和PW多普勒系统而言，45～50dB的方向隔离可能就足够了。由上述因素，当HD2低于40dBc时，应规定AFE的线性输入范围。

图2 卓越的噪声性能
影响图像准确性的串扰是超声波系统需要考虑的另一个参数。超声波系统的主要串扰是由一些以-30～-35dBc排列的变送器阵列引起的，具体情况取决于变送器元件的间距、频率、设计、材料等。一般来说，IC或PCB的串扰大大低于-35dBc。因此，电路串扰就不会降低系统性能。

2 模拟前端特性与系统性能的关系
要时刻谨记设计超声波系统是一件复杂的事情，而AFE的每一个特性都会影响整个系统的性能。为每一种系统类别平衡选择各种参数的能力毫无疑问是一种艺术。
就便携式超声波系统而言，功耗是一个关键的考虑因素。低功耗意味着更低的电池电量可提供更长的运行时间。但是，其会影响其他参数，例如，输入信号范围、输入等效噪声、谐波失真等，尽管这些性能降低通常对于便携式（低端）系统而言是可以接受的。
除功耗以外，AFE噪声是超声波系统设计人员需要考虑的第二个因素。超声波变送器的接收信号量级可能会在10μVPP～1VPP之间变化。能够探测到的信号越小，系统的灵敏度也就越高。输入等效电流和输入等效电压噪声都会影响系统灵敏度。一般而言，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪声参数用于从高端到低端的系统。
一些具体系统应用证实这些噪声参数足以产生高质量的图像。虽然可以使用一款更低噪声的放大器，但是其对最终超声波图像质量并无显著提高，因为需要考虑输入等效电流噪声和发射/接收(T/R)开关的噪声。除输入等效电压噪声以外，闪烁噪声（即1/f噪声）也是成像应用中的一个重要因素。在存在混频的连续波(CW)模式下，低频噪声频谱移至载波频率，从而降低了相关频率的信噪比(SNR)。具有白噪声性能的放大器优于其宽泛的工作频率。
在一些超声波应用中，增益控制范围在达到图像动态范围的过程中起着重要的作用。当VCA具有更高的增益控制范围时，最终图像也就拥有一个更宽泛的动态范围，从而得到更高的图像质量。组合ADC的SNR，系统的动态范围可由以下方程式计算得出：
动态范围=SNR+增益控制范围（方程式1）
例如，一个包含了12比特、70dB SNR以及40dB增益控制范围VCA的系统可以获得110dB的动态范围。换句话说，考虑到人体0.7dB/cm.MHz的衰减系数、10cm的成像深度以及7.5MHz的变送器，由10×2×0.7×7.5可以计算得到105dB的动态范围。在目前的一些超声波系统中，10～15MHz的探针通常被用于对一些小范围进行成像。因此，通常会需要100dB以上的动态范围，从而得出这样的结论：大增益控制范围的AFE是首选。另外，更高总体增益的AFE是探测小信号和补偿其他电路带来的插入损耗（例如，无源高阶滤波器的插入损耗）的一种辅助。
放大器饱和与过载恢复也是重要的系统参数。相比单独进行讨论，将这两个参数放在一起进行评估和计算更为有价值。基本上，放大器的理想输入信号范围受限于其线性输出电压（与电源电压有关）和增益。

（方程式2）
因此，较低的增益和较高的电源电压有益于该参数。但是，低增益会降低输入等效电压噪声，而高电源电压会增加总功耗，因此必须使用一种折中的方法。就一些便携式及中端系统而言，通常会选用200～400mVPP的参数。超声波放大器饱和通常是由高压脉冲泄漏或近表面物体反射的大信号引起的，这些表面物体的声阻抗差异性极大。此类例子包括表皮组织或骨骼，而在表皮组织或骨骼中仅有少量的临床信息。大多数情况下，这些区域的信息丢失可能不会影响临床诊断。但是，如果放大器不能及时恢复，那么就会有大量的信息丢失。AFE的快速过载恢复时间确保了超声波系统能够尽可能多地获取有用信息。AFE的过载恢复时间可以用ADC时钟周期数量表示。一个时钟周期的过载恢复时间较为理想。
超声波放大器饱和带来的另一个影响是谐波失真增加。由于使用了普及的造影剂，越来越多的系统（甚至是便携式系统）都要求整个系统的低二次谐波失真，以保证顺利的谐波成像。一般而言，变送器接收到的谐波信号会高达40dB（低于基础信号），具体情况取决于造影剂声学属性、发送器电压和组织特性的综合因素。因此，放大器的HD2应低于40dBc，这使系统能够获得理想的谐波图像。另外，高HD2可能会引起人为的多普勒频移。在一些临床情况中，这种人为因素可能会影响诊断的准确性。在最终多普勒图像中，人为多普勒频移会造成多普勒系统的方向隔离。一些文献表明，对一些CW和PW多普勒系统而言，45～50dB的方向隔离可能就足够了。由上述因素，当HD2低于40dBc时，应规定AFE的线性输入范围。

图2 卓越的噪声性能
影响图像准确性的串扰是超声波系统需要考虑的另一个参数。超声波系统的主要串扰是由一些以-30～-35dBc排列的变送器阵列引起的，具体情况取决于变送器元件的间距、频率、设计、材料等。一般来说，IC或PCB的串扰大大低于-35dBc。因此，电路串扰就不会降低系统性能。

李娜

2019-7-9 10:57:03

3 超声波模拟前端
为了满足上述标准，超声波AFE（例如，TI的AFE5805）是理想的选择。一流的BiCMOS和CMOS技术用于优化功耗和噪声性能。BiCMOS工艺是AFE5805 VCA部分的最优选择，因为其具有低功耗、小芯片尺寸以及低闪烁噪声的特点。CMOS工艺非常适用于模数转换器。相比同类解决方案，这些创新组合可缩小50%的尺寸，降低20%的功耗并降低40%的噪声。图2所示恒定噪声性能涵盖了整个工作频率范围。这样，便携式超声波系统的设计便可以实现低功耗和更高的图像质量。
4 总结
未来几年，全球各地区对于便携式、低成本超声波设备的需求有望快速增长。对于超声波设备厂商来说，机遇和挑战并存。新型超声波模拟前端的先进技术，允许超声波设备厂商对性能进行调整，以适用于各种系统尺寸。基于单个设计，厂商便可发布多款产品，极大地节省了便携式设备和高通道密度中端超声波系统的开发成本和时间。

古克满

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丁冬芹

李英

李娜

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