利用高效半導體提高便攜式超聲波系統的圖像質量

作者：Veronica Marques 和 Mark Nadeski，德州儀器 (TI)

便攜式超聲波系統是緊急護理點使用的功能較為強大的診斷工具之一。這種無創成像工具讓許多自然災害（例如：地震、颶風和路側事故等）的受害者能夠快速地得到急救人員的診斷和治療。這種便攜式設備大小不一，從膝上型到手持式，重量為 10 磅甚至更輕，并且可以使用電池供電。由于得到新興超聲波市場的廣泛認可（例如：醫學急救、局部麻醉和遠程醫療等），其在較近幾年發展迅猛。

便攜式超聲波系統的重要特性與所有其他便攜式設備一樣：如尺寸、重量、電池使用壽命、成本和性能。開發便攜式超聲波系統時面臨的主要挑戰是在實現便攜性的同時保持卓越的圖像質量。這種在便攜性和性能之間的權衡將使得半導體集成度更高、配置級別更多樣并使用多種新型構架。

超聲波系統構架

醫療超聲波系統通過將高頻聲能脈沖集中發射到人身體，然后對返回信號進行處理，以形成皮膚組織的圖像。圖 1 中的超聲波系統結構圖顯示了便攜式超聲波系統的主要組件。變送器陣列與波束生成電路一起負責聚集超聲波。醫療變送器通常由 8 到 512 個元件組成。每個元件通常響應一條發射/接收通道。

圖 1 便攜式超聲波系統結構圖

超聲波成像始于波束生成器控制單元。發射波束生成器、高壓 (HV) 脈沖發生器和 HV 多路復用器形成發射路徑，主要負責發送器元件的脈沖激勵。發送器元件由壓電材料組成，它將高壓電脈沖轉換成聚焦高頻聲波，范圍為 1–15 MHz。這些聲波進入人身體，碰到不同皮膚組織之間的邊界時反射回發送器，然后被轉換成許多電信號。轉換后的電信號通過發射/接收 (T/R) 開關進入到接收路徑。T/R 開關從發射模式切換到接收模式，并防止高壓脈沖損壞接收電子元件。

電信號被放大、過濾，然后通過模擬前端 (AFE) 轉換為數字格式。AFE 由低噪聲放大器 (LNA)、壓控衰減器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、抗混淆濾波器 (AAF) 和模數轉換器 (ADC) 組成。LNA 放大低噪聲，以獲得較好的靈敏度。VCA 和 PGA 是時間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統的動態范圍。它們還允許增益隨時間而增加，目的是在其通過人身體時對增加的信號衰減進行補償。然后對經放大的信號進行過濾，以改善其信噪比 (SNR)。通過一個 ADC，將得到的信號轉換為數字格式，再由接收波束生成器進行處理。AFE 的性能可極大地改善超聲波系統的尺寸、重量、電池使用壽命和圖像質量等特性。

根據其功能和性能的不同，超聲波系統呈現出差異化。功能差異化主要取決于系統的數字處理功能。一般而言，主要有三種超聲波系統運行模式：1）B 模式成像可生成灰度圖像，用于檢查組織結構和器官；2）彩色多譜勒模式可生成彩色圖像，其比 B 模式灰度圖像更有層次感，色碼表示血液的流動方向和數量；3）頻譜多譜勒模式提供用戶指定位置的血液流速分布的滾動顯示。

除了這三種運行模式專用的算法以外，還有一些所有傳統超聲波系統都有的基本信號處理功能。這些功能包括濾波、檢測、日志壓縮和掃描轉換。濾波一般為帶通濾波，用于減少噪聲，并選擇使用基頻（提供更高的穿透力）還是第二次諧波（具有更高的分辨率，因為具備更好的組織區分屬性）進行成像。在超聲波處理中，檢測是一種信號包絡提取過程，通常涉及希爾伯特 (Hilbert) 轉換，或者使用一個復合轉子來解調低通濾波前面的信號。日志壓縮用于讓信號進入顯示的動態范圍內。掃描轉換這個處理步驟可實現原始數據坐標系統到顯示使用坐標系統的轉換，這樣才能準確地表示顯示數據。

根據具體的超聲波設備，在數字處理路徑中還實施了其他的一些算法，旨在提取更加清晰的圖像，從而提高診斷能力。這些算法包括匹配濾波、時間頻率補償、回聲線求平均、噪聲斑點抑制、幀平滑和邊緣檢測等等。系統擁有的數字處理能力越高，處理部分的靈活性就越高，系統產生高質量超聲波圖像的功能也就越強。

優化模擬前端以實現便攜性

對便攜式超聲波系統來說，AFE 組件的低功耗和集成度是電池使用壽命和尺寸優化的重要標準。這些要求通常會與系統性能相矛盾，因此我們必須要做一些權衡。

必須做出的第一個權衡便是決定 AFE 的通道數量。通道數量越少，系統就越小、越緊湊，并擁有更長的電池使用壽命。不幸的是，通道數減少的同時，圖像質量也開始降低。使用 16 到 64 條通道的系統，一般可以在便攜性和圖像質量之間取得平衡。高度集成的 8 通道和 16 通道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC) 現已開始供貨。由于這些器件采用了更少的組件和更簡單的布局，因此其尺寸更小且成本也更低，同時也縮短了上市時間。（請參見圖 2）。

圖 2 便攜式超聲波系統更高的集成度和新型構架

AFE組件的功耗是一個重要的方面，其對電池使用壽命有直接的影響。AFE 的總噪聲和線性性能與功耗密切相關。為了獲得卓越的噪聲性能，LNA 必須耗散一定量的功率。高線性或大輸入信號范圍推動了對更高電源電壓的需求，旨在避免信號削波，且同時保持動態范圍性能。更高的電源電壓會帶來更高的功耗。便攜式超聲波系統設計人員現在擁有利用不同級別配置或新型構架使設計更加靈活，從而優化低功耗和低噪聲。下面的一些例子很好地解釋了性能和功耗之間的關系。

例如，市場上的一些 AFE 產品現在可以提供幾種運行模式，以實現噪聲/功耗優化。這樣便讓系統設計人員可以使用不同級別的配置，以獲得其系統中較佳的功耗/噪聲平衡。TI 的 AFE5804 是一款具有許多噪聲/功耗優化選項的 8 通道AFE。系統設計人員通過使用寄存器可以配置其功耗和噪聲數。這種 AFE 可以配置為101mW/通道，以獲得 1.23nV/rtHz 的全鏈輸入等效噪聲 (IRN)；也可以配置為 112mW/通道，以獲得 0.89nV/rtHz 的 IRN。

另一個例子是使用新型構架來實現功耗優化。AFE5851 是一款沒有集成 LNA 的 16 通道 AFE。這便產生一種新的系統構架。較佳解決方案是將 LNA 集成到變送器中。這樣，系統的噪聲數便得到極大改善，因為 LNA 前面的信號損耗被較小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。5.5nV/rtHz 全鏈 IRN 的噪聲性能由于變送器中集成了 LNA 而抵消。結果便是一種創新的新型便攜式系統構架在保持噪聲性能的同時又滿足了較為嚴格的低功耗要求。

值得一提的是，接收/發射 (T/R) 信號路徑中的其他組件也可以降低功耗和尺寸。T/R 開關由保護二極管橋接和鉗位二極管組成，傳統上可以分開應用。多通道、全集成 T/R 開關現在可以較小化尺寸。T/R 開關集成的一些權衡因素包括插損、電容和串擾——高端系統中較為常見并適合大多數便攜式應用。集成的 T/R 開關解決方案可節省 50% 以上的面板空間時，便攜性的利便大于弊。T/R 開關通常保持開啟，以保護接收器路徑免受 HV 發射脈沖的損害。與二極管橋接相關的偏置電流不斷被下拉，從而影響功耗。可編程偏置電流是調節功耗的一種方法。例如，TI 的 TX810 是一款集成的 8 通道、6 mm x 6 mm T/R 開關，其包含一個 3 位接口，用于編程設置一個 7mA 范圍的偏置電流。利用這種組合，超聲波系統設計人員可以編程 7 種不同的電流設置，并且可以使用一種關斷模式來降低功耗。

盡管在 B 模式系統功耗中，由于其頻寬比較低， HV 脈沖發生器一般不是很受關注，但仍然有一些方法可以用來降低發射路徑的尺寸和噪聲。離散脈沖發生器將被集成到多通道 IC 中，從而通過使用更小和更少的組件來縮小發射路徑的尺寸。發射路徑的輸出為高壓、陽極和陰極對稱脈沖，其前后均為 0V。信號歸 0V 的能力是減少脈沖發生器帶來系統振鈴的關鍵，它被稱為阻尼功能。TI 的 TX734 是一款集成的、四通道、+/–90V 的脈沖發生器，采用 9 mm x 9 mm QFN 有源阻尼封裝，以降低便攜式超聲波系統的噪聲和尺寸。

數字處理實現便攜性的方法

依靠超聲波系統的數字處理元件實現便攜性，不外乎是選擇正確的處理元件組合。在便攜式系統中，設計人員常常誤認為組件越少越好，因此他們會尋找一款能夠完成所有任務的單處理器。實際上，將少數處理元件的處理任務分解開來而非強迫一顆單處理器完成其并不適合的任務通常能取得更好的效果。

例如，盡管對大多數數字處理而言 FPGA 在功耗和空間方面并不是一種高效的解決方案，但低成本的 FPGA 仍然非常有助于獲取 AFE 數據、完成波束形成以及連接到后端處理引擎。波束生成器之后，將其他處理移至數字信號處理器 (DSP) 通常為一種更好的方法，因為 DSP 的高可編程、實時構架更加適合于超聲波處理的其他部分，從而產生一個功效更高、面積更小和靈活性更高的系統。

根據超聲波系統的功能，可以考慮使用數種 DSP。諸如 TI 的 TMS320C6455 等高性能 DSP 擁有強大的計算能力，可有效地執行所有后端超聲波處理任務，而先進的片上系統 (SOC) 具有可操作系統 (OS) 、人機接口和驅動顯示器的高集成度的構架。C6455 可用于各種處理器速度，包括一些系統的高端 1.2 GHz 版本，為這些系統實施額外的算法來提高圖像質量或增加特性。就真正的便攜式系統而言，低成本的 FPGA 和單 SoC（例如：TI 的 OMAP3530 等）器件可能是所有必需的處理。在這種情況下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+? DSP 內核會完成濾波、檢測、日志壓縮和掃描轉換，而 ARM? Cortex?-A8 則會運行 OS、圖形用戶界面 (GUI) 并驅動顯示器。

結論

便攜式超聲波系統的使用率和功能性不斷增長。如 TI 這樣的半導體公司同時擁有模擬和數字器件產品線，旨在幫助廣大開發人員在這方面改進其系統。隨著調諧半導體器件的不斷出現，便攜式超聲波系統將變得更小、更有用，從而給我們大家帶來更好的醫療保健。

相關閱讀:

• ...2011/06/29 10:46·利用高性能語音捕獲SoC提升智能手機及平板電腦等應用的語音辨識度
• ...2011/05/17 13:58·利用高速信號鏈提高醫學成像質量
• ...2011/04/20 14:03·利用高性能語音捕獲SoC提升智能手機及平板電腦等應用的語音辨識度
• ...2009/03/04 10:07·利用高性能模擬器件簡化便攜式醫療設備設計