便攜和高性能醫療設備的超聲系統設計方案

對于當今的超聲應用市場，便攜性和高性能是系統設計師要滿足的兩個關鍵指標。便攜性推動超聲系統向更小的尺寸演進，以滿足用戶對“可裝進口袋”的復雜超聲工具的需求，與此同時，性能要求則決定了整個系統的動態范圍。更高的動態范圍或更低的噪聲可提供更高質量的圖像，從而使醫生能更好地進行診斷。為普通醫生和臨床醫生提供高性能的便攜式超聲醫療儀器，對系統設計師和系統內的元器件提出了越來越高的要求。

本文將探討提供便攜式高性能超聲產品所必須滿足的一些最重要設計考慮，以及超聲系統設計師如何實現為目前全球市場開發新的成像產品所需的靈活性。

1 系統權衡

盡管超聲系統多年的研究和開發已經取得了重大的技術進步，但它仍然很復雜。與其它的復雜系統一樣，也存在許多的系統劃分方法。

多年來，制造商通過設計他們自己的定制ASIC 來實現這些復雜系統。這種解決方案通常由兩個ASIC 組成，它們集成了時間增益壓縮（TGC）和Rx/Tx 路徑上的大部分元器件，如圖1 所示。這一方法在多通道VGA、ADC 和DAC 廣為出現之前很常見。定制電路允許設計師集成一些靈活的低成本功能特性，它們隨著時間的推移可體現出成本優勢，因為把信號鏈的大部分集成在一起可將外部元件數量減至最少。不幸的是，隨著時間的推移，基于光刻技術制造出來的ASIC 在集成度和功耗兩方面皆顯示出它的局限性。ASIC 擁有大量的邏輯門，但這一數字技術并不是被優化用來成功地實現模擬功能特性的，如高性能ADC。此外，由于供應商數量有限，ASIC 還使得系統設計師只能在一個很小的范圍內進行選擇。

圖1：ASIC方法

2 Doppler Processing 多普勒處理

盡管高性能成像系統可以采用這一系統劃分方法來實現，但從便攜性、尺寸和功耗的角度來看這并不是最優的。4 通道和8 通道TGC、ADC 和DAC 的出現允許在不犧牲性能的前提下進一步減少尺寸和功耗，從而將新的系統設計方法和新的供應商帶進了這些市場。多通道元件允許設計師在PCB 上將元件放得更緊密，從而可提高系統中的通道數；它們也允許設計師將敏感電路分開放在兩塊或更多的子板上，來完成一個系統的設計，這可以有效地重復利用許多平臺開發中成熟的電子電路。

附注：隨著通道數的增加，動態范圍也將得到提高。噪聲可被有效地視為系統中的不相關成份加以處理。通過將系統的通道數翻番，噪聲即可降低一半，動態范圍可增加3 分貝。因此，與16 通道系統相比，一個64 通道系統可以將動態范圍提高12dB 之多。

不過這一方法存在一些缺點：增加通道數可能使PCB 布線成為一個“夢魘”，在某些情況下這將迫使設計師采用較小通道數的元件。這也為機械設計師帶來了新的熱處理挑戰，不僅增加了系統成本，而且還增加了風扇噪音。

今天，IC 制造商能夠集成完整的多通道TGC 路徑，如圖2 所示。多通道、多元件集成使得超聲系統設計變得更容易，并可在不犧牲性能的前提下減少PCB 板尺寸和功耗。隨著更高集成度方案變得更加占據主導地位，其在成本、尺寸和功耗降低方面的優勢將進一步體現出來，并將使得系統的散熱量更低、電池壽命更長。

圖2：常見的集成方法

超聲子系統（如ADI 公司集成了LNA/AAF/ADC 和交叉點開關的AD9272/AD9273）實現了完整的TGC 路徑，這是超聲系統最常見的接收路徑。這兩個器件為系統設計師提供了在性能和功耗之間進行權衡的靈活性：高性能AD9272 具有低噪聲特性（0.75nV/rt-Hz），低功耗AD9273 在采樣率為40MSPS 時每個完整TGC 通道僅消耗100mW。這兩款引腳兼容的器件采用串行I/O 來實現低引腳數。它們均采用緊湊的14mm×14mm×1.2mm 封裝，與多芯片解決方案相比，它們可將每通道占位面積和功耗降低33％以上。

大多數超聲系統公司承認，他們的核心知識產權（IP）在于探頭和波束形成技術。多通道芯片正在快速變成大眾化器件，它們使得無需再采用高成本的ASIC 元件，以及為了完成系統設計和獲得多一點的性能或功耗節省而對單獨TGC 路徑進行無休止的調整和優化。

設計師正在考慮對超聲系統的其它部分進行進一步集成。研究已經表明，如果前端電子電路更接近探頭，那么將產生更少的探頭損耗和更好的信號靈敏度，從而允許系統設計師放寬對前端器件(如LNA/VGA)的要求。信號鏈這些部分的集成已證明可能是有益的。

3 超聲醫療儀器的發展趨勢

隨著如此眾多的超聲應用被開發出來，對性能和便攜性兩方面的要求也變得很高。高性能需求推動超聲應用（如心臟病和4 維圖像處理）包含最高數量的通道數、特性和選項。功耗在這里不是一個關鍵推動因素，因為這些系統往往用于病人的床邊、手術室、或護士分診臺，但性能變得非常關鍵，因為這些系統是用于人類疾病的診斷。

便攜式超聲設備提供了一個不同類別的應用機會，特別是在電力系統不太穩定或不可靠的地方，如偏遠村莊診所、緊急醫療服務、動物養殖場、橋梁和大型機械設備檢修車間。

圖3：用于大型動物飼養農場的便攜式超聲系統

超聲系統一般可分為三個檔次：高端、中檔和低端。高端超聲系統采用最前沿的最新技術，并具有市場要求的最齊全的功能特性，它們可產生最好的圖像，但也更昂貴。中檔系統一般具有高端超聲系統功能特性的一個子集，但圖像質量沒有多大的犧牲。低端超聲系統的功能特性進一步縮減，在某些情況下，它僅能滿足特定應用的需要，無論是臨床應用還是其它應用。隨著技術的進步，發展趨勢已顯示，低端系統正開始在圖像質量上追趕上來，以實現更準確、無創式和及時的診斷。

4 面向超聲設計的新工具