便攜式超聲信號(hào)處理系統(tǒng)的全信號(hào)路徑解決方案

便攜式超聲信號(hào)處理系統(tǒng)的全信號(hào)路徑解決方案對(duì)可獲得的醫(yī)療保健的需求不斷增長(zhǎng)。世界人口正在快速增長(zhǎng)和老齡化，增加了醫(yī)療保健的成本。醫(yī)療從業(yè)者需要小型，節(jié)能且經(jīng)濟(jì)的診斷設(shè)備。非常需要能夠以具有成本效益的方式提高醫(yī)療質(zhì)量的便攜式診斷設(shè)備。除了解決產(chǎn)科，婦科，放射學(xué)，心臟病學(xué)和血管應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)成像應(yīng)用外，便攜式超聲成像還可以在點(diǎn)照顧。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單地將控制臺(tái)縮小為便攜式或手持式設(shè)備并不能保證足夠的電池壽命或診斷圖像質(zhì)量。波束成形技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新，加上模擬和混合信號(hào)電子，基于FPGA算法和控制，或基于CPU和GPU的圖像處理使緊湊系統(tǒng)具有高度診斷相關(guān)性。超聲系統(tǒng)使用焦點(diǎn)成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單通道方法可實(shí)現(xiàn)的性能。使用發(fā)射器和接收器陣列，可以通過(guò)時(shí)移，縮放，相干求和回波能量和相位來(lái)構(gòu)建高清晰度圖像，如圖1中的相控陣超聲系統(tǒng)所示。移位，定相和縮放的概念通常來(lái)自相同的往復(fù)換能器陣列的發(fā)射和接收信號(hào)被稱為波束形成。它提供了通過(guò)動(dòng)態(tài)聚焦和集中能量在掃描區(qū)域中的點(diǎn)來(lái)形成圖像的能力。基于門(mén)陣列的解決方案，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的八通道超聲波發(fā)射/接收芯片組，與基于DSP的解決方案相比具有

許多優(yōu)勢(shì)。最重要的是更高的靈活性，更低的成本和更低的功耗。發(fā)射波束形成器提供延遲模式和輪廓，以設(shè)置換能器的所需焦點(diǎn)。LM96570可配置發(fā)射波束形成器在主控制引擎和脈沖發(fā)生器之間提供無(wú)縫接口，允許可編程脈沖圖形輪廓具有良好的延遲分辨率。延遲分辨率為"s/1280ps,與傳統(tǒng)的FPGA波束成形相比，抖動(dòng)性能提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。up fK餅件胤LM&5511Am構(gòu)Fran,E力dup fK餅件胤LM&5511Am構(gòu)Fran,E力d圖1：相控陣超聲系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器需要提供高壓脈沖到換能器。正負(fù)信號(hào)轉(zhuǎn)換期間的振鈴會(huì)影響圖像質(zhì)量。對(duì)稱方波脈沖改善二次諧波成像。通常，僅僅可視化異常組織可能是不夠的。諧波成像提高了空間分辨率，并對(duì)異常進(jìn)行了診斷。LM96550的對(duì)稱脈沖可用于B模式或連續(xù)波(CW)多普勒模式。片上有源阻尼器可最大限度地減少振鈴。需要發(fā)送接收(T/R)開(kāi)關(guān)來(lái)保護(hù)接收路徑放大器免受高壓發(fā)送脈沖的影響。LM96530T/R開(kāi)關(guān)允許通過(guò)菊花鏈SPI接口獨(dú)立控制每個(gè)通道。FPGA只需要三個(gè)引腳即可控制系統(tǒng)中的任何通道。這顯著簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中每個(gè)芯片都需要專用引腳。偏置電流調(diào)整允許高性能或低功耗模式。時(shí)間增益控制對(duì)于具有高空間分辨率的深穿透，期望低接收器噪聲基底。在設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)中，低噪聲放大器(LNA)設(shè)置每個(gè)通道的性能?？勺?cè)鲆娣糯笃骱?勺的目的是將LNA輸出信號(hào)映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的滿量程范圍，因?yàn)閬?lái)自身體的返回信號(hào)隨著深度和時(shí)間變?nèi)?。該過(guò)程稱為時(shí)間增益控制(TGC)或深度增益控制(DGC)。與對(duì)數(shù)放大器或分段線性模擬VGA相比，高分辨率數(shù)字可變?cè)鲆娣糯笃?DVGA)提供更好的增益匹配，增益平坦度和近距離相位噪聲。此外，DVGAs的增益誤差相對(duì)較低且在整個(gè)可變?cè)鲆娣秶鷥?nèi)保持一致。模擬VGA通常在較低和較高的增益極值處存在嚴(yán)重誤差，從而減少了可用范圍的數(shù)量。如圖2所示，DVGA改善的近距離噪聲性能有助于可視化器官內(nèi)深處的低速血流。肝臟。當(dāng)小信號(hào)沒(méi)有被埋在傳統(tǒng)模擬VGA的高接近底噪聲中時(shí)，很容易看出它們。13MHe1.5Mhfj17MKf ."：-Mr J,3L.^i -f.j^-r圖2：近距離噪聲性能。ADC數(shù)字化信號(hào)進(jìn)一步處理。Xignal?CTZA是一種高度過(guò)采樣系統(tǒng)。高過(guò)采樣率會(huì)擴(kuò)散量化噪聲。板載調(diào)制器可以對(duì)噪聲進(jìn)行整形并將其移出帶外。然后，片上磚墻數(shù)字濾波器創(chuàng)建一個(gè)無(wú)混疊的奈奎斯特采樣范圍（見(jiàn)圖3）。消除抗混疊濾波器，耗電的采樣保持放大器，包含片內(nèi)時(shí)鐘和低抖動(dòng)PLL簡(jiǎn)化了接收路徑前端設(shè)計(jì)。呻例FilterQua4iiizslion^aiae/EMigetJ呻例FilterQua4iiizslion^aiae/EMigetJ檢加Oversampling4-DigitiFiber+%n(naU加『I寓Cwergrripiefl—4aec1— 圖3：CTZA原理。在用于測(cè)量血流速度的CW多普勒系統(tǒng)中，連續(xù)的正弦波被廣播到體內(nèi)，并且測(cè)量返回信號(hào)的相移。CW多普勒模擬信號(hào)路徑的動(dòng)態(tài)范圍(DNR)要求非常高，因?yàn)閬?lái)自身體深處的小信號(hào)反射與大的近距離信號(hào)相加。任何非線性都會(huì)產(chǎn)生難以消除的交叉產(chǎn)品。如果不是不可能移除的話。多通道I和Q分量相加并進(jìn)行高通濾波，以最大限度地減少靜止雜波，血管壁返回和慢速超聲波檢查手的移動(dòng)。高通濾波器輸出以聲音和視覺(jué)格式呈現(xiàn)。LM96511接收模擬前端(AFE)結(jié)合了DVGA和CTZAADC與CW多普勒的優(yōu)勢(shì)，可提供0.9nV/rtHz的總輸入?yún)⒖荚肼?。增益范圍?8dB，DVGA步進(jìn)分辨率為0.05dB，110mV/通道B模式功耗，CW多普勒相位旋轉(zhuǎn)分辨率為22.5度，相位噪聲為-144dBc/Hz，5KHz偏移，-161dB/Hz動(dòng)態(tài)范圍，小尺寸封裝中的208mW/通道CW多普勒功耗?？偨Y(jié)一下，醫(yī)療超聲是一種復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)。它是侵入性最小的診斷工具，在許多應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨眾多權(quán)衡挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)功耗，性