超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮

摘要:本文介紹了超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮。討論成像系統(tǒng)的小型化、低成本和便攜化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)闡述了在小型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)大型車(chē)載系統(tǒng)所具備的性能和診斷能力的重要條件。文章探討了超聲系統(tǒng)的子功能以及對(duì)集成電路的不同要求。重點(diǎn)討論了傳感器、高壓復(fù)用器、高壓發(fā)射機(jī)、成像通道接收機(jī)、數(shù)字波束成形、波束成形數(shù)字信號(hào)處理及顯示處理等。

關(guān)鍵詞:超聲成像;波束成形;多普勒

概述

通過(guò)發(fā)射超聲能量進(jìn)入人體，接收并處理返回的反射信號(hào)，相控陣超聲系統(tǒng)可以生成體內(nèi)器官和結(jié)構(gòu)的圖像(圖1)，映射血液流動(dòng)和組織運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供高準(zhǔn)確度的血流速度信息。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，構(gòu)建這樣的成像系統(tǒng)需要大量的高性能相控陣發(fā)射器和接收器，使得車(chē)載設(shè)備體積龐大且價(jià)格昂貴。最近幾年，隨著集成工藝的進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員能夠獲得小尺寸、低成本而且高度便攜的成像系統(tǒng)方案，并可達(dá)到接近大型成像設(shè)備的性能指標(biāo)，圖2給出了超聲成像系統(tǒng)的原理框圖。而新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)依然存在，即在進(jìn)一步提高方案集成度的同時(shí)提高系統(tǒng)性能和診斷能力。

超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮

傳感器

成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件是超聲傳感器。典型的超聲成像系統(tǒng)需要使用各種傳感器支持特定的診斷要求。每個(gè)傳感器由一組壓電傳感器單元陣列構(gòu)成，它們集中能量并發(fā)射到人體內(nèi)部，然后接收相應(yīng)的反射信號(hào)。每個(gè)單元通過(guò)纖細(xì)的同軸電纜連接到超聲系統(tǒng)。通常，傳感器由32至512個(gè)單元構(gòu)成。工作頻率為1MHz至15MHz。多數(shù)超聲系統(tǒng)提供兩個(gè)至四個(gè)傳感器轉(zhuǎn)換接口，臨床醫(yī)生可根據(jù)不同的檢測(cè)類(lèi)型方便地更換傳感器。

高壓復(fù)用開(kāi)關(guān)

典型的相控陣超聲系統(tǒng)配備了32個(gè)至256個(gè)發(fā)射器和接收器。有時(shí)，系統(tǒng)配備的發(fā)射器和接收器的數(shù)量少于傳感器單元的數(shù)量。這種情況下，需要在傳感器或系統(tǒng)中安裝高壓開(kāi)關(guān)，用于信號(hào)復(fù)用，開(kāi)關(guān)連接在特定的傳感器單元和發(fā)送/接收器對(duì)。由此，系統(tǒng)能夠在所提供的傳感器陣列中動(dòng)態(tài)改變有效的傳感器孔徑。

成像系統(tǒng)對(duì)高壓開(kāi)關(guān)的要求主要包括幾個(gè)方面:必須能夠承受電壓擺幅高達(dá)200Vp.p目峰值電流高達(dá)2A的發(fā)射脈沖:開(kāi)關(guān)必須能夠迅速切換，以快速調(diào)整有效孔徑、滿足圖像幀率的要求;最后。這些開(kāi)關(guān)還必須具有極小的電荷注入，從而避免雜散傳輸以及相關(guān)的虛假圖像。Maxim開(kāi)發(fā)的MAX14800可為超聲成像系統(tǒng)提供16通道高壓開(kāi)關(guān)，該系列器件采用HVCMOS工藝，提供16個(gè)高壓低電荷注入SPST開(kāi)關(guān)，由數(shù)字接口控制。同一系列的MAX14801在每個(gè)切換端集成了35kΩ泄漏電阻，用于對(duì)容性負(fù)載放電:MAX14802提供集成的鉗位二極管，用于過(guò)壓保護(hù)，防止正向電壓過(guò)沖。

高壓發(fā)射機(jī)

數(shù)字發(fā)射波束成形器用于產(chǎn)生所要求的數(shù)字發(fā)射信號(hào)，以正確的時(shí)間和相位生成聚焦發(fā)射信號(hào)。高性能超聲系統(tǒng)可通過(guò)任意波形發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的發(fā)射波形，從而優(yōu)化圖像質(zhì)量。發(fā)射波束成形器以大約40MHz速率生成8位至10位數(shù)字字符，并以此產(chǎn)生所要求的發(fā)射波形。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字波形轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)線性高壓放大器進(jìn)行放大，用于驅(qū)動(dòng)傳感器單元。由于這種發(fā)射技術(shù)占用較大體積，而且價(jià)格昂貴、需要消耗較高能量，所以，這種架構(gòu)只限于昂貴的非便攜設(shè)備。多數(shù)超聲系統(tǒng)并不使用這種發(fā)射波束成形技術(shù)，而是采用多級(jí)高壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生需要發(fā)射的信號(hào)。在這種替代方案中。利用高集成度、高壓脈沖發(fā)生器快速切換傳感器單元至適當(dāng)?shù)目删幊谈邏弘娫?，產(chǎn)生發(fā)射波形。為了產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的兩極發(fā)射波形，脈沖發(fā)生器需要交替地將傳感器單元切換到由數(shù)字波束成形器控制的正、負(fù)發(fā)射電壓。更復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以讓傳感器單元切換至多路電源和地，從而產(chǎn)生更復(fù)雜、性能更好的多重波形。

近幾年，隨著二次諧波成像的廣泛應(yīng)用，高壓脈沖發(fā)生器對(duì)于斜率和對(duì)稱性的要求越來(lái)越高。二次諧波成像利用了人體的非線性聲學(xué)特性。這些非線性傾向于將頻率‘的聲能轉(zhuǎn)變成2f頻率。多種原因使得接收二次諧波信號(hào)能夠獲得更高的圖像質(zhì)量，因此，二次諧波成像得到了廣泛應(yīng)用。二次諧波成像有兩種基本的實(shí)現(xiàn)方法。一種稱為標(biāo)準(zhǔn)諧波成像，盡可能抑制發(fā)射信號(hào)的二次諧波。從而使接收到的二次諧波主要源于人體的非線性。這種模式要求二次諧波的發(fā)射能量至少低于基波能量50dB。所以，發(fā)射脈沖的占空比要求是準(zhǔn)確的50%且誤差小于。另一種方法稱為脈沖反相，利用反相后的發(fā)射脈沖產(chǎn)生同一圖像路徑的相位相反的兩路接收信號(hào)。在接收器中對(duì)這兩路反相接收信號(hào)求和，恢復(fù)由于人體非線性產(chǎn)生的諧波信號(hào)。這種脈沖反相的方法必須在疊加時(shí)盡可能抵消發(fā)射脈沖的反相成分。所以，高壓脈沖發(fā)生器的上升時(shí)間和下降時(shí)間必須嚴(yán)格一致。

成像通道接收機(jī)

超聲成像通道的接收機(jī)用于檢測(cè)二維(2D)信號(hào)以及彩超流體成像所需的脈沖多普勒(PWD)信號(hào)和頻譜PWD。接收機(jī)包括發(fā)送/接收開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鳌⒖够殳B濾波器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADc)。

Tx/Rx開(kāi)關(guān)

Tx/Rx開(kāi)關(guān)可以保護(hù)低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時(shí)在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機(jī)。該開(kāi)關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有高壓發(fā)射脈沖出現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)閉合或斷開(kāi)。Tx/Rx開(kāi)關(guān)必須具備很快的恢復(fù)時(shí)間，以保證接收機(jī)在發(fā)射一個(gè)脈沖后能夠立刻開(kāi)啟。這些快速恢復(fù)時(shí)間對(duì)于淺埋成像和提供低導(dǎo)通電阻確保接收靈敏度至關(guān)重要。

低噪聲放大器(LNA)

接收機(jī)中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對(duì)于設(shè)計(jì)合理的接收機(jī)，LNA將決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。傳感器單元通過(guò)同軸電纜連接到相應(yīng)的低阻抗LAN的輸入端。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾娎|終端匹配，電纜電容和傳感器單元的源阻抗將大大制約從寬帶傳感器接收信號(hào)的帶寬。傳感器電纜匹配至低阻，有助于降低這一濾波的影響，有效提高圖像質(zhì)量。不幸的是，這種端接也降低了LNA的輸入信號(hào)，因而降低接收靈敏度。由此可見(jiàn)，為L(zhǎng)NA提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。MAX2034是Maxim針對(duì)超聲成像系統(tǒng)推出的4通道、低功耗、超低噪聲前置放大器，每個(gè)低噪聲放大器都具有單端輸入、差分輸出、高精度19dB固定增益和70MHz的-3dB帶寬。放大器的高增益精度可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的通道間增益匹配，這是高性能超聲成像應(yīng)用所必需的。MAX2034還包括片上可編程輸入電阻，允許器件匹配至50Ω至1kΩ范圍內(nèi)的多種常見(jiàn)源阻抗。每個(gè)放大器的輸入阻抗使用反饋拓?fù)湟詫?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)阻抗匹配。當(dāng)信號(hào)源和輸入阻抗為200Ω時(shí)，動(dòng)態(tài)輸入阻抗匹配可獲得2.2dB的超低噪聲系數(shù)。

可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)

VGA，有時(shí)也稱為時(shí)間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個(gè)接收周期內(nèi)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲信號(hào)在體內(nèi)大約每秒傳輸1540米，往返衰減率為1.4dB/cm-MHz。發(fā)射一個(gè)超聲脈沖后，可立即在LNA輸入看到高達(dá)的0.5Vp.p回波，該信號(hào)會(huì)快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號(hào)所要求的動(dòng)態(tài)范圍為100dB至110dB，超出了實(shí)際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與ADc量程相當(dāng)?shù)男盘?hào)幅度。典型應(yīng)用中采用12位ADc，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時(shí)間調(diào)整(“時(shí)間增益控制”)，實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)態(tài)范圍。

超聲接收機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會(huì)影響2D圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)檢測(cè)多普勒偏移(血液或組織的運(yùn)動(dòng))的能力，尤其是在二次諧波成像系統(tǒng)中，感興趣的二次諧波信號(hào)明顯低于發(fā)射信號(hào)的基波。對(duì)于小的多普勒信號(hào)同樣如此，多普勒信號(hào)頻率可能在1kHz以內(nèi)，幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于組織或血管壁的反射信號(hào)。因此，需要特別關(guān)注可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸捄徒d波SNK，這些參數(shù)通常是制約接收機(jī)性能的關(guān)鍵。

抗混疊濾波器(AAF)和ADC

抗混疊濾波器AAF置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常成像頻率范圍但又通過(guò)ADc轉(zhuǎn)換的混疊信號(hào)。設(shè)計(jì)中大多采用可調(diào)節(jié)的AAF，為了抑制混疊并保證信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)，濾波器需要對(duì)第一奈奎斯特頻率以外的信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。典型應(yīng)用中采用12位ADC，采樣頻率通常在40Msps至60Msps之間。ADC提供必要的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)某杀竞凸摹Ｔ谠O(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)慕邮胀ǖ?，ADC會(huì)限制接收通道的瞬態(tài)SNK。如上所述。性能差的vGA會(huì)限制整個(gè)接收通道的SNR指標(biāo)。

數(shù)字波束成形器

ADC的輸出信號(hào)通過(guò)LVDS傳輸給數(shù)字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了PCB走線的復(fù)雜度和接口引腳數(shù)。波束成形器內(nèi)置上變頻低通濾波器或帶通數(shù)字濾波器。這些濾波器把有效采樣速率提高4倍，提高了系統(tǒng)波束成形的精度。上變頻信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，通過(guò)延遲系數(shù)加法器進(jìn)行疊加，得到合適的焦點(diǎn)。信號(hào)還進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)，或“變跡”。疊加之前進(jìn)行變跡，可以調(diào)節(jié)接收孔徑，降低旁瓣對(duì)接收波束的影響，提高了影像質(zhì)量。

波束成形的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程

接收到的波束成形數(shù)字超聲信號(hào)由DSP和基于PC的設(shè)備進(jìn)行處理，得到視頻和音頻輸出信號(hào)。這一過(guò)程通?？梢詣澐譃锽超或2D影像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理。多普勒處理又分為脈沖多普勒(PWD)處理和連續(xù)多普勒CWD處理。

B超處理

B超處理中，RF波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和檢波處理。檢測(cè)信號(hào)具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，B超處理器必須將這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮，使其達(dá)到顯示器規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍。

彩超流體信號(hào)處理

在彩超流體信號(hào)處理中，RF波束成形信號(hào)與正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)進(jìn)行混頻，得到I、Q基帶信號(hào)。每個(gè)接收通道采集的超聲信號(hào)都有對(duì)應(yīng)的幅度和相位。彩超流體信號(hào)處理中，8到16路超聲信號(hào)集中在一個(gè)成像通道，測(cè)量多普勒頻移。流體產(chǎn)生的反射信號(hào)或沿著成像通道移動(dòng)的人體組織具有一定的多普勒頻移，從而改變了I、Q基帶采樣信號(hào)的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的8至16路超聲信號(hào)的平均相移和時(shí)間關(guān)系。處理器還用彩色表示平均流速。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了流速或人體組織移動(dòng)的二維造影成像。

多普勒頻譜

多普勒譜處理中，波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，混頻至基帶信號(hào)，然后以脈沖頻率重復(fù)采樣。利用復(fù)雜的快速傅里葉變換(FPT)獲得多普勒頻譜，以重現(xiàn)接收信號(hào)的速度信息。PPT輸出的每個(gè)二進(jìn)制信號(hào)幅度，經(jīng)過(guò)計(jì)算和壓縮，使其達(dá)到顯示圖像所要求的動(dòng)態(tài)范圍。最終信號(hào)幅度作為時(shí)間函數(shù)，顯示在超聲設(shè)備的顯示屏上。在連續(xù)多普勒(CWD)成像系統(tǒng)中。信號(hào)處理的過(guò)程基本相同。除了產(chǎn)生這些顯示信號(hào)外，頻譜處理器還產(chǎn)生左、右聲道的立體聲音頻信號(hào)，表示正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)。DAC對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)外部的喇叭和耳機(jī)。

顯示處理

顯示處理器進(jìn)行必要的計(jì)算，繪制極坐標(biāo)圖。B超中的聲音、影像數(shù)據(jù)或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號(hào)。這一過(guò)程通常稱為R·θ變換，顯示處理器還提供空間圖像增強(qiáng)功能。