超声模拟电子入门

现代技术正在将医疗超声机器的性能推向新的高度，从而产生具有新清晰度和分辨率水平的图像。超声用于心脏、产科和许多其他诊断区域的成像。即使机器的能力提高，机器的成本也在下降。尽管超声波在很大程度上依赖于数字处理，但其性能的关键在于高度模拟技术。我们将在这里研究超声成像中使用的模拟和混合信号组件的贡献。当然，由于每个元素本身都需要一章或一本书来为系统设计人员提供完全有用的信息，因此本文旨在提供对医疗超声架构的概述和基本理解。尽管本文几乎不会触及设计目标和规则的表面;将要提出的一些问题将在更广泛的应用背景下具有相关性，并可能在今后的文章中更详细地审查。

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通过将一束狭窄的声能扫入活体并分析体内结构反射回来的能量模式来获得图像，就像搜索雷达一样。由于接收传感器处理的是模拟信号，但分析是以数字方式进行的，因此信号必须数字化。电脉冲施加到压电陶瓷元件上，以2至20 MHz的传输频率产生能量。使用的频率取决于应用。较高的频率提供最佳分辨率，但穿透力较小，因为当信号穿过身体时，它们的衰减速度更快。高频脉冲的强度是有限制的，因为过多的功率对患者来说是不健康的。最常用的频率范围为 2 至 7 MHz。

返回电平范围从身体表面附近的 1 V 回波到身体深处图像的小于 10 μV。信号通过电缆从手机中的陶瓷元件传导到前端电子设备，这将受到噪声和衰减的影响。宽范围的信号必须放大到2 V，才能驱动模数转换器。为此，使用时间增益补偿（TGC）放大器。它将通过指数因子放大信号来补偿指数信号衰减，该因子取决于机器等待返回脉冲的时间。

功率水平、使用的频率、放大和光束聚焦决定了图像的清晰度。这些东西由超声医师（技术人员）控制，与系统的固有属性相互作用。

使用的成像模式

1. 灰度 -- 产生基本的黑白图像。它将解析小至 1 毫米的伪影。通过传输能量突发和分析返回能量（如上所述）进行显示。

2.多普勒——与医用多普勒超声最好的类比是彩色多普勒天气雷达。顾名思义，多普勒模式通过跟踪返回信号的频移来检测运动中物体的速度。这些原则适用于检查体内流动的血液或其他液体。它是通过将连续波传输到体内并产生返回的快速傅里叶变换 （FFT） 来实现的。计算过程将确定来自身体的信号的频率分量以及它们与流体速度的关系。一个箱将包含基波发射频率，而其他箱包含多普勒频移频率。4×经常采用过采样。

3.静脉和动脉模式 - 它们将多普勒与灰度模式结合使用。首先，将找到静脉或动脉的图像 操作员将在其周围拨入一个小光标窗口。然后多普勒在光标区域内啮合。发射信号的多普勒频移将如上所述进行测量。音频也将与光标图像一起使用。静脉血流产生急促的声音（如瀑布），而脉搏的砰砰声将表明动脉血流。同时，血液速度将显示在数字读数上。窦性心律将在屏幕上显示为 X-Y 图。速度和节奏显示是通过处理来自多普勒频移的音频信号获得的。

整体系统

框图（图1）显示了系统的元件：传感器、多路复用器、发射器及其波束形成设备、发射/接收（T/R）开关、低噪声放大器、信号和图像处理显示器、音频、A/D转换器及其驱动器TGC放大器。在当前技术水平下，机器可以使用多达256个通道（包括256个陶瓷元件，放大器，ADC等）。

图1.系统框图

探头及其传输的信号

探头的每个通道都有一个陶瓷元件（最多 256 个）。元件由压电陶瓷材料制成，例如钛酸锆铅。

在一些设计中，脉冲每次获得约100 ns的短发射脉冲（“ping和振铃”）时，都会以几个周期的突发振铃。激励脉冲幅度约为100 V。脉冲的大小将决定射入患者的能量。

为了尽量减少失真，一些系统会传输高斯脉冲。图2对比了宽带脉冲在体内反弹后的扭曲频谱。它的光谱与发射脉冲的光谱几乎没有相似之处。畸形脉冲将显示谐波失真和不需要的杂散伪影。另一方面，对发射的高斯脉冲频谱的响应看起来与它发出时大致相同，没有旁瓣。

图2.波形类型（简化）：高斯突发、反射平顶脉冲和高斯反射脉冲

激励脉冲可以是DAC的输出，信号由数字频率合成器给出所需的形状。然后，低振幅脉冲将被放大到所需的幅度（约100 V）。

接收器必须具有宽带宽，以适应DSP的FFT计算中必须处理的宽范围复杂频率。快速边沿速率增加了对带宽的需求。

光束控制和聚焦

在雷达的旧时代，碟形或香蕉形天线会旋转，寻找各个方向的目标。当它慢慢扫过周围时，磁控管会向天空发射能量脉冲。以光速行进，反射的能量会在天线不同步之前返回接收器。如今，旋转是由相控阵产生的。波束通过改变天线辐射器之间信号的相位和功率来操纵，波束在天空中扫过，没有任何移动部件。

这与医学超声用于在身体周围扫描声能束的方法相同。在传递到排列在换能器头中的压电元件的能量脉冲之间将有编程的相位和幅度偏移。这将导致沿线进入身体的入射能量束。光束将在身体中来回扫荡，就像雷达穿过天空一样。

多路复用器和 T/R 开关

要传输的信号必须从功率放大器传递到陶瓷，接收的信号必须从陶瓷传递到接收器。由于 100V 发射和微伏级接收信号必须通过同一根电缆，因此需要使用 T/R 开关（发送/接收）和多路复用器 （mux） 来控制信号。

接收器波束成形

通过延迟每个通道来聚焦波束，以便来自焦点（或区域）的返回脉冲同时到达处理器（见图3）。机器将建立操作员设置的重点区域。波束成形目前是用模拟和/或数字技术完成的。机器将调整对焦所需的延迟，以计算扫描线的位置。它将通过使用每个通道聚焦图像所需的延迟来计算显示器的相应像素。较新的机器具有多个焦点区域。

图3.使用可变延迟的光束聚焦

时间增益控制

TGC（时间增益补偿）放大器是超声信号路径中的关键环节。它必须能够放大ADC从几微伏到1伏到1伏到100或604伏的信号。该增益将沿每条发射/接收扫描线呈指数级增加。在楔形的近端，增益将非常低。它必须在 48 V 陶瓷激励脉冲之后立即处理 100V 返回信号。随着激励脉冲经过后的时间，增益将被扫到非常高的水平。这必须在保持非常低的噪声的同时完成，以避免掩盖来自身体深处的低电平信号。操作员将调整TGC放大器控制以提高图像质量。本应用中广泛使用的可变增益放大器AD000具有两个通道，可接受线性时间扫描，并在1 dB范围内产生指数级增长的增益（功率比接近<>，<>：<>）。

模数转换器

ADC输入端有许多噪声源，包括身体组织、增益级和电缆噪声。作为链条中的最后一个环节，ADC本身必须具有低噪声特性。它的噪声不能与来自其他组件的幸存信号混淆。通过使用更高分辨率的转换器可以改善量化噪声。许多超声系统使用理论量化噪声为-10.61dB的7位转换器。较新的机器使用12位转换器，将理论量化噪声降低到<73dB。

许多超声设计人员都担心频率接近基波时的谐波失真和伪影。与州警的多普勒雷达不同，多普勒雷达在测量超速本田的速度时处理较大的频率偏移，超声系统的多普勒模式测量静脉或动脉中的血液速度仅产生几赫兹的偏移。在FFT图中，靠近基频尖峰底部的区域必须非常安静，并且没有杂散信号，这些信号通常是由ADC或系统时钟抖动引起的，以免掩盖这种偏移。转换器的线性度对多普勒超声的质量也很重要。

ADC中的低互调失真有助于防止多普勒回波的各种谐波伪影混频形成混叠或增加以形成大杂散。体内的反射信号可以被认为是多音信号。如果ADC的谐波失真特性较差，则音调将与ADC的谐波相结合，这可能会使低幅度返回信号相形见绌。

许多超声制造商使用4×过采样来改善信噪比并降低抗混叠滤波器的复杂性。但是，12 MHz 乳腺 X 线摄影机需要优于 48 MHz 才能容纳该系统。过采样率由信号处理链处理数据流的能力决定。

显示

扫描点后，必须显示它们 现在考虑机器如何将图像放置在屏幕上。它将根据手机中一排陶瓷中元素之间的时间延迟来计算目标在屏幕上的位置。它根据信号从每个陶瓷元素返回所需的时间来判断深度。像素值将从内存中读取并调制 CRT 迹线。

机器必须计算每个点的位置并添加颜色。也许它会将几个收到的扫描平均在一起。然后它将在扇形显示器的顶部开始 CRT 扫描。

谐波成像

为了从更高频率获得更高的分辨率，同时改善穿透深度与能级的困境，使用了谐波成像。谐波成像通过处理基波发射脉冲的二次谐波来收集更高的分辨率。谐波是由组织本身或使用注射到组织中的对比剂产生的。该技术将给放大器和ADC施加压力，通过保持低谐波失真来最大限度地减少额外的谐波。

未来组件要求

对低功率组件的需求持续存在。在医院的早期，便携式意味着笨重的机器有大轮子，它可以由医院病房中的 120 V/15 安培插座供电，而不是放射科的 220-V/30-A 插座。如今，人们对在急救车辆中安装超声波并使其真正便携的兴趣日益浓厚。组件设计的趋势支持这种势头。例如，以前的高速10位ADC功耗>400mW。当近距离有 256 个转换器时，这是很大的功率。相比之下，10位、40 MSPS AD9203的功耗仅为75 mW。

成本比几年前的水平下降了2至3×以上。这使得使用更高分辨率、更快的ADC变得切实可行，例如低成本、12位65 MHz AD9226。

更多即将推出的内容

随着时间的流逝，以更少的钱期望更好的图像是合乎逻辑的。ADC具有更高的分辨率和数据速率，可以实现这一点。当反射图像到达处理器时，可以制作更多的样品。

目前正在开发3D成像。使用这些机器，人们可以获得更好的图像整体视图，这可以导致更快，更准确的诊断和更少的不必要的手术。

审核编辑：郭婷