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摘要：通過討論構(gòu)建緊湊型超聲系統(tǒng)的一些必要因素，提出未來便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的新興技術(shù)發(fā)展趨勢和市場應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：超聲；醫(yī)療電子；便攜式；ADI；DBF

醫(yī)療超聲系統(tǒng)是目前廣泛使用的最復(fù)雜的信號處理設(shè)備之一。雖然與雷達(dá)或聲納系統(tǒng)類似，但超聲系統(tǒng)的RF工作速度比雷達(dá)慢幾個(gè)數(shù)量級，而比聲納快幾個(gè)數(shù)量級。在早期手推式超聲系統(tǒng)的發(fā)展下，醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)將這種實(shí)時(shí)技術(shù)用于早期健康問題診斷和一般診斷過程。隨著時(shí)間的推移，超聲系統(tǒng)變得越來越便攜，有些甚至正發(fā)展為超緊湊型的掌上設(shè)備。在不遠(yuǎn)的將來，超聲系統(tǒng)可能會變成一種專用的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)－雖然不像醫(yī)生的聽診器那么常用。

超聲系統(tǒng)架構(gòu)

超聲系統(tǒng)中常用的圖像采集方法為數(shù)字波束成形(DBF)。對于醫(yī)療超聲來說，波束成形被定義為從一個(gè)普通信號源產(chǎn)生，而在不同時(shí)間被多單元超聲傳感器接收的信號的相位對齊及求和。波束成形采用16～32(或更多)個(gè)接收器通道的相移陣列和求和陣列來提取相干信息，包含兩個(gè)功能：一是為傳感器指示方向，以增強(qiáng)其增益；二是確定人體內(nèi)的焦點(diǎn)，即產(chǎn)生回波的位置。在最簡單的狀態(tài)下，DBF系統(tǒng)框圖如圖1所示，首先放大每個(gè)傳感器單元的輸出，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再按順序進(jìn)行排列，最后對多個(gè)通道進(jìn)行空間求和，以得到圖像。

DBF架構(gòu)要優(yōu)于以前的模擬波束成形系統(tǒng)(ABF)，這是因?yàn)镈BF架構(gòu)具有更好的通道間匹配特性和更大的靈活性，而ABF是一種在轉(zhuǎn)換前使用可變延遲線和模擬求和系統(tǒng)。當(dāng)采集到信號，可通過DBF中的波束控制和相干信號求和等數(shù)字運(yùn)算來提高成像質(zhì)量。將數(shù)字引擎靠近超聲傳感器，能獲得比模擬系統(tǒng)更精細(xì)的調(diào)整。盡管DBF在功耗(由于通道數(shù)較多)和尺寸(為了獲得并產(chǎn)生精確的信號通常需要大量器件)方面還面臨著重大挑戰(zhàn)，它仍然是目前最常用的架構(gòu)。

直到最近，大多數(shù)DBF系統(tǒng)還是由分立解決方案和多個(gè)IC等許多器件構(gòu)成。接收(Rx)信號鏈路主要包含用作前置放大器的低噪聲放大器(LNA)；用作時(shí)間增益放大器的可變增益放大器，它作為時(shí)間的函數(shù)(或作為深度的函數(shù))用來補(bǔ)償人體組織對返回信號的衰減；抗混疊濾波器(AAF)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。通用的DBF架構(gòu)包含了大量的這些元件。只要通道噪聲是隨機(jī)或不相關(guān)的，就可以通過增加通道數(shù)來提高動態(tài)范圍。高端系統(tǒng)通常具有64～256個(gè)通道，而便攜式的中端或低端超聲系統(tǒng)通常則具有16～64個(gè)通道。

為什么要推出便攜式系統(tǒng)

許多要求嚴(yán)格的應(yīng)用可獲益于能提供實(shí)時(shí)掃描功能的輕型、緊湊型便攜設(shè)備。顯然，現(xiàn)場緊急醫(yī)療服務(wù)(EMS)團(tuán)隊(duì)可以更迅速地到達(dá)病人身邊，并能在病人進(jìn)入急診室(ER)之前提供檢查結(jié)果。如果路途遙遠(yuǎn)，醫(yī)生在等待病人的同時(shí)還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。在日常的辦公室診斷過程中，普通醫(yī)生無需?？漆t(yī)生的幫助，即可對病人進(jìn)行超聲掃描，將其作為檢查的一部分。

增強(qiáng)的便攜性可以提供使用這些設(shè)備的機(jī)會，以便為沒有可靠電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村提供更好的醫(yī)療服務(wù)。

而在動物醫(yī)療檢查方面，獸醫(yī)發(fā)現(xiàn)便攜式超聲設(shè)備對于大型動物和寵物的現(xiàn)場診斷也是非常有幫助的。另外，它對豬和牛畜牧場的現(xiàn)場診斷也很有幫助。

超聲設(shè)備在無創(chuàng)檢測和預(yù)防性維護(hù)方面的應(yīng)用也是一個(gè)不斷增長的市場。典型應(yīng)用包括掃描橋梁、工業(yè)機(jī)械軸承及輸油管道的系統(tǒng)。它能夠降低檢測成本，避免重要設(shè)備的停機(jī)。在工廠中，便攜式掃描設(shè)備可用于捕捉潛在的災(zāi)難性問題，避免問題發(fā)生，這是非常關(guān)鍵的。

采用便攜式超聲設(shè)備當(dāng)然也會導(dǎo)致一定的成本開銷，如用于購買這些診斷、掃描和分析設(shè)備的成本，以及培訓(xùn)用戶的成本。但是，在很多情況下，從便攜式超聲設(shè)備獲得的好處會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所付出的成本。

另一種常見的成像形式是連續(xù)波(CW)多譜勒或D模式，它用于顯示血液流動的速度及其頻率。顧名思義，CW模式利用連續(xù)產(chǎn)生的信號來生成圖像，其中一半的傳感器用于發(fā)送，另一半用于接收。CW具有精確測量高速血液流動的優(yōu)勢，但缺乏傳統(tǒng)脈沖波系統(tǒng)具有的深度和穿透性。由于每種方法都具有自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性，根據(jù)具體的應(yīng)用，現(xiàn)代超聲系統(tǒng)通常會同時(shí)使用兩種形式——AD9273便可采用這兩種方式進(jìn)行工作。特別的是，它允許用戶通過采用集成的交叉點(diǎn)開關(guān)而使其工作于連續(xù)波多普勒模式。這個(gè)交叉點(diǎn)開關(guān)允許將具有相似相位的通道相干疊加成群，用于相位對齊與求和。AD9273支持低端系統(tǒng)的延遲線以及具有可編程相位調(diào)整的AD8339四通道解調(diào)器，可獲得最佳性能。AD8339允許對相位對齊及求和進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，以提高成像精度。這款器件易于外部連接，允許用戶為需要極大動態(tài)范圍的信號集成更多必需的信號鏈路。

動態(tài)范圍與噪聲要求

隨著高頻聲波信號穿透人體，它們以1dB／cm／MHz衰減。例如，當(dāng)使用8MHz探頭且穿透深度為4cm時(shí)，如果考慮發(fā)射與反射衰減，那么從內(nèi)部組織反射的信號幅度變化與接近表面反射的信號幅度之間的差異將為64dB(或4×8×2)。增加50dB的成像分辨率，并考慮骨骼組織、線纜及其他失配導(dǎo)致的損耗，所需的動態(tài)范圍將接近119dB。為了更加全面的理解這一點(diǎn)，在12MHz帶寬內(nèi)具有1.42nV／rt-Hz本底噪聲的0.55Vp-p滿量程信號意味著92dB的輸入動態(tài)范圍，使用多個(gè)通道可獲得額外的動態(tài)范圍[10×logN(通道)]，例如128個(gè)通道可增加21dB的動態(tài)范圍，這確定了動態(tài)范圍的實(shí)際限制為100～120dB。

可獲得的動態(tài)范圍會受到前端器件的限制。由于并非每時(shí)每刻都需要整個(gè)動態(tài)范圍，因此可使用動態(tài)范圍較小的ADC，通過掃描VGA的增益來對接收到的反射信號隨時(shí)間的衰減(正比于穿透深度)進(jìn)行補(bǔ)償，這被稱作時(shí)間增益補(bǔ)償(TGC)。LNA設(shè)置了可映射到ADC的等效動態(tài)范圍。AD9273在12MHz帶寬內(nèi)具有92dB的等效動態(tài)范圍(162.7 dB／rt-Hz)，能處理來自被掃描組織的極小和極大信號(回聲)，如圖3所示。LNA的滿量程應(yīng)該足夠大，從而不會被近場信號飽和，而且，本底噪聲越小，動態(tài)范圍就越大。

所需的最大增益決定于：

(ADC的本底噪聲／VGA輸入本底噪聲)+裕量

所需的最小增益決定于：

(ADC輸入滿量程／VGA輸入滿量程)+裕量

為了處理較低的噪聲電平，就必須增加功耗需求，而在便攜式應(yīng)用中，需要考慮權(quán)衡功耗的限制。請注意，在表1所示的解決方案中，AD9272和VGA AD8332具有最低的折合到輸入端噪聲和最大的輸入動態(tài)范圍，沒有一種方案是理想的，盡管數(shù)字處理是當(dāng)今所有解決方案的基本特性，但具體的實(shí)現(xiàn)以及器件的選擇是每個(gè)超聲系統(tǒng)制造商所專有的。

結(jié)論

在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，便攜式超聲都呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，這種系統(tǒng)在緊湊性和便攜性方面都具有相似的需求。AD9273通過在小型IC封裝中集成8個(gè)同時(shí)支持脈沖波和連續(xù)波多譜勒系統(tǒng)的接收信號鏈路通道，滿足了日益增長的便攜性需求。AD927X系列包含多款產(chǎn)品，適合于具有不同功耗和噪聲需求的多種應(yīng)用，甚至將應(yīng)用范圍拓展到了未來的超聲系統(tǒng)。