超声应用处理器改善成像质量

 

　　超声设备最广为人知的应用是能够让孕妇了解胎儿的发育情况，但现在已发展出许多其它应用，远远超出了传统妇科应用的范畴。

　　例如，在兽医领域，常常使用超声技术来诊断贵重动物的疾病，以及监控大型动物的食品生产情况。在工业领域，用户可以使用超声设备扫描桥梁等有无裂纹和缺陷。

　　随着新兴应用的不断涌现，人们对超声设备的性能和便携要求日益提高。性能驱动的应用，如心脏病学和4D图像处理等，需要大量的通道、功能和选项，功耗不是主要因素，因为这类设备一般是在病床旁边、手术室或护士站对病人进行诊断。然而，在缺少或没有可靠电源的情况下，如偏远乡村诊所、紧急医疗服务和畜牧场等，则需要使用便携式设备。

　　设计超声设备需要权衡许多因素。例如，便携性和性能之间必须取得平衡。为此，ADI公司开发出了针对超声设备的AD927x系列模拟前端(AFE)，LNA/VGA/AAF和ADC完全集成于一个器件中。任何超声设备在通过波束成形器对信号进行数字化处理之前，都会用到这种模拟信号链。低功耗处理器AD9273(每通道100 mW)专为便携式设计而开发，满足口袋型复杂单元的需求;低噪声处理器AD9272则能满足最高动态范围手推式超声系统的性能需求。

　　更高分辨率

　　成像质量是所有超声设备的关键考虑。图像越清晰，则诊断越快速、越准确。声波信号穿透皮肤时，衰减幅度约为1 dB/cm/MHz。假设使用8 MHz探头，穿透深度为4 cm，并且同时考虑传出和返回衰减，则从人体内部组织返回的信号与近表皮反射信号相差64 dB (4 × 8 × 2)。这意味着，成像分辨率必须为40 dB以上，才能补偿骨骼、电缆和其它不匹配所造成的损失。根据具体应用不同，所需的动态范围可能接近120 dB。为了正确看待这一点，假设有一个0.5 V p-p满量程信号，在10 MHz带宽中其噪底为0.86 nV/√Hz，这意味着输入动态范围为96 dB。多个通道会使动态范围提高10log(N)(N为通道数)。例如，128个通道会使动态范围提高21 dB，这就将动态范围的实际限制确定为117 dB(即96 + 21)。

　　更高集成度

　　相比于分立多通道器件，集成超声的完整时间增益压缩路径可提供多项优势。多通道、多器件集成降低了对PCB尺寸和功耗的要求，所以一般能够简化设计方法。例如，以前的处理器要求独立的低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)和模数转换器(ADC)，每个器件都需要经过长时间的调整才能与其它器件配合工作。大多数超声系统都有许多通道，从16通道到256通道不等，每个通道的路径中都有LNA/VGA/AAF/ADC功能。以前，超声设备设计师不得不使用分立器件来实现各项功能，使得系统电路板非常庞大。

　　随着芯片内置的功能越来越多，给设计带来的好处包括：成本得以降低、适用范围更广、尺寸更小、功耗更低。此外，便携式单元在满足高成像质量要求的同时，产生的热量也更少，电池使用时间更长。

　　AD927X系列

　　AD927x系列处理器将8个LNA/VGA/AAF/ADC通道和1个交叉点开关集成于一个完整的时间增益压缩路径——超声设备最常见的接收器路径中，有助于减少所需器件的数量，缩小电路板空间。利用这些新型处理器，超声设备设计师可以灵活地用功耗换取性能。例如，低噪声、高性能AD9272一个完整通道的噪声仅有0.86 nV/√Hz，而低功耗AD9273在40 MSPS时的功耗仅为每通道100 mW。两款处理器引脚兼容，使用串行I/O来降低引脚数量，因而每通道面积比多器件设计减少33%以上。

　　集成多通道器件的进步使系统灵活性不断提高。随着超声市场的发展，集成丰富功能的器件和能够缩短系统设计周期的配置工具将催生创新的在线产品，为开发各种可配置、可扩展、多样化的超声产品提供便利，从而满足更高成像质量的需求。