关于高压模拟开关在医学超声成像的应用的分析和介绍

医学超声成像是一种利用高频声波来检查人体内部器官和结构的非侵入性方法。通过向人体发射声波并接收声波的回波，来生成超声波图像。鉴于人体的声学特性，一般医学超声成像的最佳频率范围为1.0MHz ~ 12.0MHz。

为了产生声波，需要使用到压电换能器 (PZT) 。在PZT上施加电压，PZT会发生物理上的膨胀和收缩，从而将电能转换成声能。PZT需要通过高压脉冲信号来激发，信号发射器可以产生振幅高达±90V、电流达到±2.0A的脉冲信号。同时，PZT还用于将接收到的声波回波转换为电信号，即接收信号。通过对接收到的信号进行处理和分析，可以构建出相应的超声影像。

为了更好地理解具体操作原理，我们先研究单通道PZT是如何工作的。

如图1所示，在传输周期内，信号发射器产生了一个5 MHZ的±90 V高压脉冲信号，并作用在PZT上。从而，PZT会产生一个5MHz的声波进入人体，然后接收器开始监听回声。声波在人体内的传播速度为平均1.54mm/µs。为了创建一个距离PZT 10mm的监测对象的图像， 声波到达对象的时间计算公式为：10mm/ (1.54mm/µs) = 6.49µs。同样，声波回声从监控对象返回PZT还需要6.49µs。所以，对于一个距离PZT 10mm处的成像对象，接收到信号的时间为12.98µs。因此，当成像对象远离PZT时，接收周期的时间持续时间更长。一旦接收到所有的回波，就可以构造出一行图像。

图1: 单通道压电换能器（PZT）举例

接收器是一种高性能、低噪声的低压设备，如果将发射器产生的高压脉冲直接加到其输入端，很容易损坏接收机。图1中在Rx前端加入了一个T/R SW模块，它是一个发射/接收开关，用于阻挡高压发射脉冲，但允许低压接收信号进入接收机的输入。PZT变换出来的电压通常幅值比较低, 小于±500 mv。

我们刚才介绍了一路PZT的成像原理，若想要创建一个二维图像，就需要一个PZTs阵列。超声波探头就是用于放置PZTs阵列的。

实际应用中，我们会看到许多不同类型的超声探头，比如：腹部探头、心脏探头和儿科探头等，都是专门为不同应用场景设计的。PZTs的数量可以根据探测类型的不同而变化，范围从128 PZTs到512 PZTs。本文以192个PZTs阵列的探头为示例。

图2是一个典型的192通道PZTs的医用超声系统。理论上讲，192路PZTs需要配192路发射器、接收器和T/R开关组。这样设计的话，电路非常繁复，成本也非常高。所以，引入了高压开关这个器件，高压模拟开关的主要作用就是选择和切换, 将发射器、接收器和T/R开关组复用到不同的PZT上。高压模拟开关的使用，可以大大降低整体方案的成本，功率以及设备体积。

图2：典型192通道PZTs的医用超声系统

在图2的示例中，电路中有64组发射器、接收器和T/R开关，每组驱动三路PZT。模拟开关组对应64组发射机、接收机和T/R开关，首先驱动PZT1到PZT64。64个发射器向PZT1到PZT64发送高压脉冲，然后，系统等待接收所有从PZT1到PZT64的所有回波。在下一个周期中，模拟开关将64组发射机、接收机和T/R开关重新选择，以驱动PZT2到PZT65。64个发射机向PZT2 - PZT65发送高压脉冲，系统等待接收PZT2 - PZT65的所有回波。通过模拟开关，发射、接收和重新选择这系列动作重复进行，每次都会更新一路PZT的增量。完成192个周期后，可以在50ms左右构建一帧图像。

传统方案中，高压模拟开关通常放在设备内。现在一些方案中，也会把模拟开关放在探头内部。它的主要好处是可以大大减少同轴电缆的数量。比如：192路PZTs的超声探头，通过使用3组模拟开关，同轴电缆的数量可减少三分之二。与192根同轴电缆相比，PZTs只需要64根同轴电缆，同时，逻辑电源和I/O接口只需要10根或更少的同轴电缆。同轴电缆非常昂贵，同轴电缆数量的减少使得超声探头的成本大大降低。除了材料成本外，连接同轴电缆的人工成本也很高。

高压开关放在探头内部的另一个好处是，探头变得更容易操作，减少了探头疲劳。探头通常有严格的空间和散热限制。外壳是防水的，同时它必须使用后浸泡在酒精中进行消毒，这使得很难去除探头内产生的热量。高压开关的使用，通过消除高压电源，消除了同轴电缆上高压直流线路的安全隐患。同时，降低了功率损耗，减少了探头疲劳。

图3显示了传统模拟开关与MPS模拟开关的基本区别。

传统的高压模拟开关电路额外需要+100V和-100V两个高压电源。通过模拟开关的脉冲信号必须在高压电源的10V范围以内。比如：对于±100 V高压电源, 脉冲信号的最大传输电压±90V。这两个高压电源电路比较复杂，在电路中专供给传统模拟开关使用，系统中其他地方并不需要它们。这两路高压电源由于电压比较高，必须考虑保护电路，以消除各种故障情况下的冲击风险，如绝缘损坏。为了安全操作，需考虑通断电顺序。还必须对其进行监控，如果高压电源的电压水平过低，还需调整发射器脉冲信号电压。

图3: 传统模拟开关 vs. MPS 模拟开关

MPS公司的产品----MP4816A，是一颗16通道高压模拟开关，仅需使用10V电源而不是两个高压电源。这就消除了对两种高压电源的需求，大大降低了电源设计的复杂性，降低了功耗。与两个高压电源相关的辅助电路，如增压器、降压器和电压监视器也被取消。这提供了一个成本更低、体积更小、可靠性更高的系统。