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超声成像系统及主要子功能电子元件的设计考虑

2022-10-26 00:45:06 447

摘要:概述通过发射超声能量进入人体,接收并处理返回的反射信号,相控阵超声系统可以生成体内器官和结构的图像,映射血液流动和组织运动,同时提供高准确度的血流速度信息。传统设计中,构建这样的成像系统需要大量的高性能相控阵发射器和接收器,使得车载设备体积...

概述

通过发射超声能量进入人体,接收并处理返回的反射信号,相控阵超声系统可以生成体内器官和结构的图像,映射血液流动和组织运动,同时提供高准确度的血流速度信息。传统设计中,构建这样的成像系统需要大量的高性能相控阵发射器和接收器,使得车载设备体积庞大且价格昂贵。近年来,随着集成工艺的进步,设计人员能够获得小尺寸、低成本而且高度便携的成像系统方案,并可达到接近大型成像设备的性能指标。而新的设计挑战依然存在,即在进一步提高方案集成度的同时提高系统性能和诊断能力。

成像系统的关键器件是超声传感器。典型的超声成像系统需要使用各种传感器支持特定的诊断要求。每个传感器由一组压电传感器单元阵列构成,它们集中能量并发射到人体内部,然后接收相应的反射信号。每个单元通过纤细的同轴电缆连接到超声系统。通常,传感器由 32 至 512 个单元构成,工作频率为 1MHz 至 15MHz。多数超声系统提供两个至四个传感器转换接口,临床医生可根据不同的检测类型方便地更换传感器。

高压复用开关

典型的相控阵超声系统配备了 32 至 256 个发射器和接收器。多数情况下,系统配备的发射器和接收器的数量少于传感器单元的数量。这些情况下,需要在传感器或系统中安装高压开关,用于信号复用,开关连接在特定的传感器单元和发送器 / 接收器(Tx/Rx)对之间。由此,系统能够在所提供的传感器阵列中动态改变有效的传感器孔径。

成像系统对高压开关的要求主要包括几个方面:必须能够承受电压摆幅高达 200VP-P 且峰值电流高达 2A 的发射脉冲;开关必须能够迅速切换,以快速调整有效孔径、满足图像帧率的要求;最后,这些开关还必须具有极小的电荷注入,从而避免杂散传输以及相关的虚假图像。

超声成像系统功能框图。关于 Maxim 推荐的超声方案

数字发射波束成形器用于产生所要求的数字发射信号,以正确的时间和相位生成聚焦发射信号。高性能超声系统可通过任意波形发生器产生复杂的发射波形,从而优化图像质量。这些情况下,发射波束成形器以大约 40MHz 速率生成 8 位至 10 位数字字符,并以此产生所要求的发射波形。数 / 模转换器(DAC)将数字波形转换成模拟信号,通过线性高压放大器进行放大,用于驱动传感器单元。由于这种发射技术占用较大体积,而且价格昂贵、需要消耗较高能量,所以,这种架构只限于昂贵的非便携设备。多数超声系统并不使用这种发射波束成形技术,而是采用多级高压脉冲发生器产生需要发射的信号。在这种替代方案中,利用高集成度、高压脉冲发生器快速切换传感器单元至适当的可编程高压电源,产生发射波形。为了产生一个简单的两极发射波形,脉冲发生器需要交替地将传感器单元切换到由数字波束成形器控制的正、负发射电压。更复杂的设计可以让传感器单元切换至多路电源和地,从而产生更复杂、性能更好的多重波形。

近几年,随着二次谐波成像的广泛应用,高压脉冲发生器对于斜率和对称性的要求越来越高。二次谐波成像利用了人体的非线性声学特性。这些非线性特性倾向于将频率 fo 的声能转变成 2fo 频率。多种原因使得接收二次谐波信号能够获得更高的图像质量,因此,二次谐波成像得到了广泛应用。

二次谐波成像有两种基本的实现方法。一种称为标准谐波成像,尽可能抑制发射信号的二次谐波,从而使接收到的二次谐波主要源于人体的非线性。这种模式要求二次谐波的发射能量至少低于基波能量 50dB。所以,发射脉冲的占空比要求是准确的 50%且误差小于±0.2%。另一种方法称为脉冲反相,利用反相后的发射脉冲产生同一图像路径的相位相反的两路接收信号。在接收器中对这两路反相接收信号求和,恢复由于人体非线性产生的谐波信号。这种脉冲反相的方法必须在叠加时尽可能抵消发射脉冲的反相成分。所以,高压脉冲发生器的上升时间和下降时间必须严格一致。

成像通道接收机

超声成像通道的接收机用于检测二维(2D)信号以及彩超流体成像所需的脉冲多普勒(PWD)信号和频谱 PWD。接收机包括 Tx/Rx 开关、低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和模 / 数转换器(ADC)。

Tx/Rx 开关

Tx/Rx 开关可以保护低噪声放大器免受高压发射脉冲的影响,同时在接收间歇期间隔离低噪声放大器输入和发射机。该开关一般采用一组正确偏置的二极管阵列实现,当有高压发射脉冲出现时,它们会自动闭合或断开。Tx/Rx 开关必须具备很快的恢复时间,以保证接收机在发射一个脉冲后能够立刻开启。这些快速恢复时间对于浅埋成像和提供低导通电阻确保接收灵敏度至关重要。

低噪声放大器(LNA)

接收机中的 LNA 必须具有出色的噪声性能和足够增益。对于设计合理的接收机,LNA 将决定整个接收机的噪声性能。传感器单元通过较长的同轴电缆连接到相应的低阻抗 LNA 的输入端。如果没有适当的电缆终端匹配,电缆电容和传感器单元的源阻抗将大大制约从宽带传感器接收信号的带宽。传感器电缆匹配至低阻,有助于降低这一滤波的影响,有效提高图像质量。不幸的是,这种端接也降低了 LNA 的输入信号,因而降低接收灵敏度。由此可见,为 LNA 提供有源输入端接非常重要,可以在上述条件下提供必要的低输入阻抗端接和出色的噪声性能。

可变增益放大器(VGA)

VGA 有时也称为时间增益控制(TGC)放大器,能够在整个接收周期内为接收机提供足够的动态范围。超声信号在体内大约每秒传输 1540 米,往返衰减率为 1.4dB/cm-MHz。发射一个超声脉冲后,可立即在 LNA 输入接收到高达 0.5VP-P 的回波信号,该信号会快速跌落到传感器单元的热噪声基底。接收该信号所要求的动态范围约为 100dB 至 110dB,超出了实际 ADC 的输入量程。因此,需要利用 VGA 将信号转换成与 ADC 量程相当的信号幅度。典型应用中采用 12 位 ADC,要求 VGA 能够提供 30dB 至 40dB 的增益。增益随时间调整(即“时间增益控制”),实现所要求的动态范围。

超声接收机的瞬态动态范围也很关键,它会影响 2D 图像的质量和系统检测多普勒偏移(血液或组织的运动)的能力,尤其是在二次谐波成像系统中,感兴趣的二次谐波信号明显低于发射信号的基波。对于小的多普勒信号同样如此,多普勒信号频率可能在 1kHz 以内,幅度远远低于组织或血管壁的反射信号。因此,需要特别关注可变增益放大器的带宽和近载波 SNR,这些参数通常是制约接收机性能的关键。

抗混叠滤波器(AAF)和 ADC

抗混叠滤波器 AAF 置于接收通道,用于滤除高频噪声和超出正常最大成像频率范围的信号,防止这些信号通过 ADC 转换混叠至基带。设计中大多采用可调节的 AAF,为了抑制混叠并保证信号的时域响应,滤波器需要对第一奈奎斯特频率以外的信号进行衰减。因此,常常使用巴特沃斯滤波器或更高阶的贝塞尔滤波器。

典型应用中采用 12 位 ADC,采样率通常在 40Msps 至 60Msps 之间。ADC 提供必要的瞬态动态响应范围,同时具有适当的成本和功耗。在设计得当的接收器中,ADC 会限制接收通道的瞬态 SNR。如上所述,性能差的 VGA 会限制整个接收通道的 SNR 指标。

数字波束成形器

ADC 的输出信号通过高速 LVDS 串口传输给数字接收波束成形器。这种传输方式降低了 PCB 的设计复杂度和接口引脚数。波束成形器内置上变频低通滤波器或带通数字滤波器,这些滤波器把有效采样速率提高 4 倍,提高了系统波束成形的精度。上变频信号存储在内存中,经过适当的延时,通过延迟系数加法器进行叠加,得到合适的焦点。信号还进行适当的加权或“变迹”,在叠加之前进行变迹,可以调节接收孔径,降低旁瓣对接收波束的影响,提高图像质量。

波束成形的数字信号处理

接收到的波束成形数字超声信号由 DSP 和基于 PC 的设备进行处理,得到视频和音频输出信号。这一过程通常可以划分为 B 超或 2D 图像处理,以及具有彩超流体成像信息的多普勒处理,多普勒处理又分为脉冲多普勒(PWD)处理和连续波多普勒(CWD)处理。

B 超处理

B 超处理中,RF 波束成形数字信号经过滤波和检波处理。检测信号具有极宽的动态范围,B 超处理器必须将这些信号进行数字压缩,使其达到显示器规定的动态范围。

彩超流体信号处理

在彩超流体信号处理中,RF 数字波束成形信号与正交本振信号(LO,频率为发射频率)进行混频,得到 I、Q 基带信号。每个接收通道采集的超声信号都有对应的幅度和相位。彩超流体信号处理中,8 至 16 路超声信号集中在一个成像通道,测量多普勒频移。血液流动或沿成像通道的组织移动产生的反射信号具有一定的多普勒频移,从而改变了 I/Q 基带采样信号的相位。彩超流体处理器决定了成像通道的 8 至 16 路超声信号的平均相移和时间关系。处理器还用彩色表示平均流速。通过这种方法,实现了血液或人体组织移动的二维造影成像。

多普勒频谱

频谱处理中,波束成形数字信号经过数字滤波,并通过正交本振信号(LO,频率为发射频率)混频至基带信号,然后以发射脉冲重复频率(PRF)进行采样。利用复杂的快速傅里叶变换(FFT)获得多普勒频谱,以重现接收信号的速度信息。FFT 输出的每个二进制信号幅度经过计算和压缩,使其达到显示图像所要求的动态范围。最终信号幅度作为时间函数,显示在超声设备的显示屏上。

在连续波多普勒(CWD)成像系统中,信号处理的过程基本相同。除了处理这些显示信号外,频谱处理器还产生左、右声道的立体声音频信号,表示正向和负向运动。DAC 对这些信号进行转换,驱动外部扬声器和耳机。

显示处理

显示处理器进行必要的计算,绘制极坐标图。B 超中的声音、图像数据或彩超流体信息被处理成矩形位图,从而消除图像中的杂散信号。这一过程通常称为 R-θ变换,显示处理器还提供空间图像增强功能。

连续波多普勒(CWD)

多数的心脏检查和一些通用的超声成像系统中,常常使用连续波多普勒 CWD 以确保精确测量心脏内高速流动的血液。CWD 模式下,超声传感器单元以传感器孔径为中心分割成对等的两部分。一半单元用于发射,产生 CWD 聚焦波束;另一半单元用于接收,产生聚焦的接收波束。发射单元的驱动波形为多普勒频率的方波,频率范围通常为 1MHz 至 7.5MHz。发射波形的抖动必须足够小,以防止相位噪声对多普勒频移检测的影响。通过正确调整发射波形的相位,实现发射波束聚焦。类似地,通过正确调整接收波形的相位并进行叠加,实现 CWD 接收信号聚焦。在此模式下,发射和接收同时进行,有用的多普勒信号频率和不移动的人体组织在发射基波频率下产生的强反射信号的频率相差只有几 kHz。处理如此大的信号所需要的动态范围已经超出了图像接收通道 VGA、AAF 和 12 位 ADC 可以承受的范围。因此,CWD 必须使用其它高动态范围接收解决方案。

CWD 接收机通常使用两种方法处理 CWD 信号。第一种方法是高性能超声系统在 LNA 输出端提取接收到的 CWD 信号。本振频率等于发送频率的混频器对信号进行波束成形,再混频至基带进行处理。I/Q 本振信号可以逐通道调整相位,对接收到的 CWD 信号相位进行偏移。混频器输出相叠加,经带通滤波器,最后进入 ADC 进行采样。采样得到的基带波束信号处于音频范围(100Hz 至 50kHz),采用工作在音频频率范围的 ADC 对 I 和 Q CWD 信号进行数字化。这些 ADC 需要出色的动态范围,以便处理运动组织产生的较大的低频多普勒信号和血液产生的微弱信号。

另一种方法是使用延迟线接收 CWD 信号,该方法常用于低成本设备。在此方法中,信号还是从 LNA 输出提取,然后转化成电流信号。通过一个交叉开关对相同相位的通道进行叠加,产生 8 至 16 路独立输出,具体由接收波束成形器决定。延迟线产生延迟,并将这些信号求和构成一路波束成形 RF 信号,然后利用一个本振频率等于发送频率的 I/Q 混频器将信号混频至基带,然后将基带音频信号滤波后,转换至数字形式。

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