超聲波成像模擬前端設計技術

超聲波成像是一種應用廣泛的醫療成像方法。傳統超聲波成像系統使用2～15MHz的頻率，精度水平為毫米，已廣泛應用于監控胎兒，以及診斷內臟疾病等。在過去的20多年里，傳統臺式超聲波系統主導了醫療超聲波應用，這是由于超聲波系統的通道數量巨大和信號處理量大所致。人口老齡化、不斷攀升的保健費用和新興經濟的需求，都使得對創新醫療解決方案的需求日益增長。

小尺寸、低功耗且高性能的超聲波模擬前端(AFE)和DSP都是超聲波產品廠商所需要的。更重要的是，超聲波產品廠商想要一種能夠通用于各種系統的設計，從而可以最短化他們的開發周期并加速產品上市進程。

超聲波系統結構
超聲波系統因其功能和性能而各異。例如，一些高端系統通常具有3D、4D和諧波成像模式，而一些低端系統可能只有2D B模式成像和頻譜多普勒成像模式。功能差異化主要取決于數字后端。高端超聲波系統則要求更多、更快的高端DSP計算資源調用，從而達到近乎實時的信號處理。很明顯，在高端和便攜式系統之間共用信號處理單元十分困難。但是，在忽略不同性能要求的情況下，超聲波系統一般都具有類似的接收通道架構。

如圖1所示，超聲波系統接收模擬前端由常用模塊組成，例如：低噪聲放大器(LNA)、時間增益控制(TGA)放大器、壓控放大器(VCA)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器以及模數轉換器(ADC)。在任何情況下，AFE的性能都會極大地影響整個系統的性能。因此，只要在引腳對引腳兼容封裝中存在滿足不同性能要求的AFE產品，那么AFE設計就可以被標準化，并在各種系統中得到重用。這種標準化可在中低端系統中輕松地實現，這類系統無須特別的模擬信號調節。

圖1 超聲波系統結構圖

然而，目前大多數的AFE產品都不能滿足超聲波產品廠商的這種需求。因此，必須選擇一些單獨的芯片來滿足袖珍型和臺式系統的各種性能要求。例如，臺式系統或許允許有較高的功耗，但必須要實現更低的噪聲，反之亦然，因此必須進行重新設計。

諸如TI AFE5805的一些新型AFE器件保持了相同的外引腳。其目標應用為便攜式和臺式的各種超聲波系統。引腳對引腳兼容性將允許超聲波產品廠商能夠在極大節省成本和快速投放市場的情況下標準化AFE設計并設計出創新性產品。

模擬前端特性與系統性能的關系
要時刻謹記設計超聲波系統是一件復雜的事情，而AFE的每一個特性都會影響整個系統的性能。為每一種系統類別平衡選擇各種參數的能力毫無疑問是一種藝術。

就便攜式超聲波系統而言，功耗是一個關鍵的考慮因素。低功耗意味著更低的電池電量可提供更長的運行時間。但是，其會影響其他參數，例如，輸入信號范圍、輸入等效噪聲、諧波失真等，盡管這些性能降低通常對于便攜式（低端）系統而言是可以接受的。

除功耗以外，AFE噪聲是超聲波系統設計人員需要考慮的第二個因素。超聲波變送器的接收信號量級可能會在10μVPP～1VPP之間變化。能夠探測到的信號越小，系統的靈敏度也就越高。輸入等效電流和輸入等效電壓噪聲都會影響系統靈敏度。一般而言，0.7～1.5nV/rt(Hz)(RTI)的噪聲參數用于從高端到低端的系統。

一些具體系統應用證實這些噪聲參數足以產生高質量的圖像。雖然可以使用一款更低噪聲的放大器，但是其對最終超聲波圖像質量并無顯著提高，因為需要考慮輸入等效電流噪聲和發射/接收(T/R)開關的噪聲。除輸入等效電壓噪聲以外，閃爍噪聲（即1/f噪聲）也是成像應用中的一個重要因素。在存在混頻的連續波(CW)模式下，低頻噪聲頻譜移至載波頻率，從而降低了相關頻率的信噪比(SNR)。具有白噪聲性能的放大器優于其寬泛的工作頻率。

在一些超聲波應用中，增益控制范圍在達到圖像動態范圍的過程中起著重要的作用。當VCA具有更高的增益控制范圍時，最終圖像也就擁有一個更寬泛的動態范圍，從而得到更高的圖像質量。組合ADC的SNR，系統的動態范圍可由以下方程式計算得出：

動態范圍=SNR+增益控制范圍（方程式1）

例如，一個包含了12比特、70dB SNR以及40dB增益控制范圍VCA的系統可以獲得110dB的動態范圍。換句話說，考慮到人體0.7dB/cm.MHz的衰減系數、10cm的成像深度以及7.5MHz的變送器，由10×2×0.7×7.5可以計算得到105dB的動態范圍。在目前的一些超聲波系統中，10～15MHz的探針通常被用于對一些小范圍進行成像。因此，通常會需要100dB以上的動態范圍，從而得出這樣的結論：大增益控制范圍的AFE是首選。另外，更高總體增益的AFE是探測小信號和補償其他電路帶來的插入損耗（例如，無源高階濾波器的插入損耗）的一種輔助。

放大器飽和與過載恢復也是重要的系統參數。相比單獨進行討論，將這兩個參數放在一起進行評估和計算更為有價值。基本上，放大器的理想輸入信號范圍受限于其線性輸出電壓（與電源電壓有關）和增益。
       （方程式2）
因此，較低的增益和較高的電源電壓有益于該參數。但是，低增益會降低輸入等效電壓噪聲，而高電源電壓會增加總功耗，因此必須使用一種折中的方法。就一些便攜式及中端系統而言，通常會選用200～400mVPP的參數。超聲波放大器飽和通常是由高壓脈沖泄漏或近表面物體反射的大信號引起的，這些表面物體的聲阻抗差異性極大。此類例子包括表皮組織或骨骼，而在表皮組織或骨骼中僅有少量的臨床信息。大多數情況下，這些區域的信息丟失可能不會影響臨床診斷。但是，如果放大器不能及時恢復，那么就會有大量的信息丟失。AFE的快速過載恢復時間確保了超聲波系統能夠盡可能多地獲取有用信息。AFE的過載恢復時間可以用ADC時鐘周期數量表示。一個時鐘周期的過載恢復時間較為理想。

超聲波放大器飽和帶來的另一個影響是諧波失真增加。由于使用了普及的造影劑，越來越多的系統（甚至是便攜式系統）都要求整個系統的低二次諧波失真，以保證順利的諧波成像。一般而言，變送器接收到的諧波信號會高達40dB（低于基礎信號），具體情況取決于造影劑聲學屬性、發送器電壓和組織特性的綜合因素。因此，放大器的HD2應低于40dBc，這使系統能夠獲得理想的諧波圖像。另外，高HD2可能會引起人為的多普勒頻移。在一些臨床情況中，這種人為因素可能會影響診斷的準確性。在最終多普勒圖像中，人為多普勒頻移會造成多普勒系統的方向隔離。一些文獻表明，對一些CW和PW多普勒系統而言，45～50dB的方向隔離可能就足夠了。由上述因素，當HD2低于40dBc時，應規定AFE的線性輸入范圍。

2 卓越的噪聲性能

影響圖像準確性的串擾是超聲波系統需要考慮的另一個參數。超聲波系統的主要串擾是由一些以-30～-35dBc排列的變送器陣列引起的，具體情況取決于變送器元件的間距、頻率、設計、材料等。一般來說，IC或PCB的串擾大大低于-35dBc。因此，電路串擾就不會降低系統性能。

超聲波模擬前端
為了滿足上述標準，超聲波AFE（例如，TI的AFE5805）是理想的選擇。一流的BiCMOS和CMOS技術用于優化功耗和噪聲性能。BiCMOS工藝是AFE5805 VCA部分的最優選擇，因為其具有低功耗、小芯片尺寸以及低閃爍噪聲的特點。CMOS工藝非常適用于模數轉換器。相比同類解決方案，這些創新組合可縮小50%的尺寸，降低20%的功耗并降低40%的噪聲。圖2所示恒定噪聲性能涵蓋了整個工作頻率范圍。這樣，便攜式超聲波系統的設計便可以實現低功耗和更高的圖像質量。


總結
未來幾年，全球各地區對于便攜式、低成本超聲波設備的需求有望快速增長。對于超聲波設備廠商來說，機遇和挑戰并存。新型超聲波模擬前端的先進技術，允許超聲波設備廠商對性能進行調整，以適用于各種系統尺寸。基于單個設計，廠商便可發布多款產品，極大地節省了便攜式設備和高通道密度中端超聲波系統的開發成本和時間。