高精度ADC如何提高CW多普勒超声的准确性

医学超声是一种对身体内部结构(如器官)进行成像的非侵入性方法。它通过将高频声波传输到体内并测量发生在各种边界(例如骨骼和肌肉之间的边界)的反射来进行处理。

有几种不同类型的超声，例如亮度调制(B 模式)、脉冲波形(F 模式)和连续波形多普勒(CW 多普勒)。每个都有自己的优点和缺点，包括可以在体内成像的内容和穿透深度的水平。

在本文中，我们将仔细研究 CW 多普勒，以及高精度信号链如何实现对身体深处血流的准确测量。

CW 多普勒如何工作

在医学界，CW 多普勒超声用于确定通过关键静脉或结构的血流。在血流异常的情况下，可能在静脉内或潜在肿瘤位置周围，超声可用于诊断原因并帮助医生确定最佳治疗方法。

图 1 显示了使用 CW 多普勒测量静脉血流速率的方法。

图 1：血流的 CW 多普勒测量。

在 CW 多普勒中，一半的换能器阵列(发射器/接收器阵列)连续发射高频音频正弦波，在图 1中用 Tx 表示。该信号的一部分被目标静脉内流动的血细胞反射。该反射信号由换能器的后半部分接收，用 Rx 表示。

当信号从流动的血细胞中反射出来时，它会经历与细胞速度相关的频率变化。频率变化(称为多普勒效应或频移)可以与发射信号的已知频率进行比较，以确定血细胞的速度。

因为超声操作者可能不知道体内静脉的方向和血流的方向，所以接收到的信号通过一个混合器和低噪声加法器来解调 I 和 Q 信号——实部和虚部接收到的信号。

这些信号由高精度数据采集系统同时测量，最后由主机(例如 FPGA 或 DSP)处理以确定细胞的速度。图 2 显示了 CW 多普勒信号链的 Rx 部分的框图。该信号链对于 I 和 Q 信号都是重复的。

图 2：用于 I 和 Q 测量的 CW 多普勒信号调理电路框图。

进入 ADC

虽然发射信号的产生是超声波机器的关键部分，但接收系统将是本文的重点，因为难以准确测量反射信号。

与范围为 ±2.5 至 ±100 V 的 Tx 相比，Rx 信号可低至 ±10 µV 和高至 ±500 mV。在其信号范围的低端以及发射器或体内不希望的反射产生的噪声中准确测量 Rx 需要高精度模数转换器 (ADC)。

由于 ADC 正在处理 I 和 Q 信号的转换，因此选择一个高性能的对于保持系统精度至关重要。由于 CW 多普勒系统中接收信号的范围很广(10 µV 至 500 mV)，因此 ADC 必须具有非常高的动态范围，与它的信噪比 (SNR) 相当。

为了让系统及时提供准确的结果，ADC 应该具有低延迟(转换开始和结束之间的时间)，并提供未经过滤的原始转换。最后，ADC 必须具有足够高的分辨率，以便能够测量接收信号中低至几 µV 的变化。

如今，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC已成为 CW 多普勒系统的首选，因为它满足上述各项要求。此外，可以定制使用 SAR ADC 的信号链以优化系统性能。

例如，它可以设计为与特定的换能器一起使用或测量身体内某个深度的血流。能够为特定功能定制信号链可以实现高度准确的测量。精选 SAR ADC 还集成了部分信号链，例如图 3所示的电压基准驱动器。

图 3：外部与内部参考电压缓冲器。

更稳定的参考点

集成电压参考驱动器有几个好处。在 SAR ADC 的转换周期中，输入信号与参考电压进行比较以确定输入值。在此比较过程中，ADC 将从基准中汲取电流以对一组开关电容器充电。

在这种情况下，如果没有提供足够的电流，参考电压很容易在输出端出现电压下降，这可能导致转换不准确。参考电压缓冲器用于提供 ADC 所需的电流，以避免电压下降。

将基准电压缓冲器集成到 ADC 中可通过消除分立放大器来减小整体系统尺寸，这对于便携式或高通道数 CW 多普勒系统至关重要。此外，缓冲器专为 ADC 设计，进一步提高了整体系统性能。

集成缓冲器允许将单个电压基准与多个 ADC 一起使用，从而进一步减少高通道数系统的电路板空间和成本。

由于超声波是非侵入性的并且能够对体内的各种系统进行成像，因此它作为一种基本的医疗设备被越来越广泛地接受。今天，从大都会医院到电力来源有限(如果不是零)的偏远地区，到处都可以找到它。

为了更好地对身体进行成像和识别最佳医疗程序，超声机器必须具有高精度信号链，其中包含能够精确测量所需信号的 ADC。

审核编辑：汤梓红