便携式超声信号处理系统的全信号路径解决方案

对可获得的医疗保健的需求不断增长。世界人口正在快速增长和老龄化，增加了医疗保健的成本。医疗从业者需要小型，节能且经济的诊断设备。非常需要能够以具有成本效益的方式提高医疗质量的便携式诊断设备。除了解决产科，妇科，放射学，心脏病学和血管应用领域的传统成像应用外，便携式超声成像还可以在点照顾。系统设计人员发现，简单地将控制台缩小为便携式或手持式设备并不能保证足够的电池寿命或诊断图像质量。

波束成形技术

系统架构的创新，加上模拟和混合信号电子，基于FPGA算法和控制，或基于CPU和GPU的图像处理使紧凑系统具有高度诊断相关性。超声系统使用焦点成像技术来实现远远超过单通道方法可实现的性能。使用发射器和接收器阵列，可以通过时移，缩放，相干求和回波能量和相位来构建高清晰度图像，如图1中的相控阵超声系统所示。移位，定相和缩放的概念通常来自相同的往复换能器阵列的发射和接收信号被称为波束形成。它提供了通过动态聚焦和集中能量在扫描区域中的点来形成图像的能力。

基于门阵列的解决方案，如美国国家半导体的八通道超声波发射/接收芯片组，与基于DSP的解决方案相比具有许多优势。最重要的是更高的灵活性，更低的成本和更低的功耗。

发射波束形成器提供延迟模式和轮廓，以设置换能器的所需焦点。 LM96570可配置发射波束形成器在主控制引擎和脉冲发生器之间提供无缝接口，允许可编程脉冲图形轮廓具有良好的延迟分辨率。延迟分辨率为1μs/1280μs，与传统的FPGA波束成形相比，抖动性能提高了一个数量级。

图1：相控阵超声系统。

脉冲发生器需要提供高压脉冲到换能器。正负信号转换期间的振铃会影响图像质量。对称方波脉冲改善二次谐波成像。通常，仅仅可视化异常组织可能是不够的。谐波成像提高了空间分辨率，并对异常进行了诊断。

LM96550的对称脉冲可用于B模式或连续波（CW）多普勒模式。片上有源阻尼器可最大限度地减少振铃。需要发送接收（T/R）开关来保护接收路径放大器免受高压发送脉冲的影响。 LM96530T/R开关允许通过菊花链SPI接口独立控制每个通道。 FPGA只需要三个引脚即可控制系统中的任何通道。这显着简化了系统设计，其中每个芯片都需要专用引脚。偏置电流调整允许高性能或低功耗模式。

时间增益控制

对于具有高空间分辨率的深穿透，期望低接收器噪声基底。在设计良好的系统中，低噪声放大器（LNA）设置每个通道的性能。可变增益放大器（VGA）的目的是将LNA输出信号映射到模数转换器（ADC）的满量程范围，因为来自身体的返回信号随着深度和时间变弱。该过程称为时间增益控制（TGC）或深度增益控制（DGC）。与对数放大器或分段线性模拟VGA相比，高分辨率数字可变增益放大器（DVGA）提供更好的增益匹配，增益平坦度和近距离相位噪声。此外，DVGAs的增益误差相对较低且在整个可变增益范围内保持一致。模拟VGA通常在较低和较高的增益极值处存在严重误差，从而减少了可用范围的数量。

如图2所示，DVGA改善的近距离噪声性能有助于可视化器官内深处的低速血流。肝脏。当小信号没有被埋在传统模拟VGA的高接近底噪声中时，很容易看出它们。

图2：近距离噪声性能。

ADC数字化信号进一步处理。 Xignal™CTΣΔ是一种高度过采样系统。高过采样率会扩散量化噪声。板载调制器可以对噪声进行整形并将其移出带外。然后，片上砖墙数字滤波器创建一个无混叠的奈奎斯特采样范围（见图3）。消除抗混叠滤波器，耗电的采样保持放大器，包含片内时钟和低抖动PLL简化了接收路径前端设计。

图3： CTΣΔ原理。

在用于测量血流速度的CW多普勒系统中，连续的正弦波被广播到体内，并且测量返回信号的相移。 CW多普勒模拟信号路径的动态范围（DNR）要求非常高，因为来自身体深处的小信号反射与大的近距离信号相加。任何非线性都会产生难以消除的交叉产品。如果不是不可能移除的话。多通道I和Q分量相加并进行高通滤波，以最大限度地减少静止杂波，血管壁返回和慢速超声波检查手的移动。高通滤波器输出以声音和视觉格式呈现。

LM96511接收模拟前端（AFE）结合了DVGA和CTΣΔADC与CW多普勒的优势，可提供0.9 nV/rtHz的总输入参考噪声。增益范围为58 dB，DVGA步进分辨率为0.05 dB，110 mV/通道B模式功耗，CW多普勒相位旋转分辨率为22.5度，相位噪声为-144 dBc/Hz，5 KHz偏移，-161 dB/Hz动态范围，小尺寸封装中的208 mW/通道CW多普勒功耗。

总结一下，医疗超声是一种复杂的信号处理系统。它是侵入性最小的诊断工具，在许多应用中得到广泛应用。便携式系统设计人员面临众多权衡挑战，以实现功耗，性能和尺寸之间的最佳平衡。 National的8通道传输和放大器接收芯片组包括可编程发送波束形成器，脉冲发生器，T/R开关和接收AFE，提供了一个全面的子系统解决方案，具有系统级功能，可在小型便携式或手持式系统中打包控制台性能。