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摘要：通过讨论构建紧凑型超声系统的一些必要因素，提出未来便携式医疗电子设备的新兴技术发展趋势和市场应用空间。
关键词：超声；医疗电子；便携式；ADI；DBF
医疗超声系统是目前广泛使用的最复杂的信号处理设备之一。虽然与雷达或声纳系统类似，但超声系统的RF工作速度比雷达慢几个数量级，而比声纳快几个数量级。在早期手推式超声系统的发展下，医疗行业已经将这种实时技术用于早期健康问题诊断和一般诊断过程。随着时间的推移，超声系统变得越来越便携，有些甚至正发展为超紧凑型的掌上设备。在不远的将来，超声系统可能会变成一种专用的个人数字助理(PDA)－虽然不像医生的听诊器那么常用。
超声系统架构
超声系统中常用的图像采集方法为数字波束成形(DBF)。对于医疗超声来说，波束成形被定义为从一个普通信号源产生，而在不同时间被多单元超声传感器接收的信号的相位对齐及求和。波束成形采用16～32(或更多)个接收器通道的相移阵列和求和阵列来提取相干信息，包含两个功能：一是为传感器指示方向，以增强其增益；二是确定人体内的焦点，即产生回波的位置。在最简单的状态下，DBF系统框图如图1所示，首先放大每个传感器单元的输出，将其转换为数字信号，再按顺序进行排列，最后对多个通道进行空间求和，以得到图像。
DBF架构要优于以前的模拟波束成形系统(ABF)，这是因为DBF架构具有更好的通道间匹配特性和更大的灵活性，而ABF是一种在转换前使用可变延迟线和模拟求和系统。当采集到信号，可通过DBF中的波束控制和相干信号求和等数字运算来提高成像质量。将数字引擎靠近超声传感器，能获得比模拟系统更精细的调整。尽管DBF在功耗(由于通道数较多)和尺寸(为了获得并产生精确的信号通常需要大量器件)方面还面临着重大挑战，它仍然是目前最常用的架构。
直到最近，大多数DBF系统还是由分立解决方案和多个IC等许多器件构成。接收(Rx)信号链路主要包含用作前置放大器的低噪声放大器(LNA)；用作时间增益放大器的可变增益放大器，它作为时间的函数(或作为深度的函数)用来补偿人体组织对返回信号的衰减；抗混叠滤波器(AAF)以及模数转换器(ADC)。通用的DBF架构包含了大量的这些元件。只要通道噪声是随机或不相关的，就可以通过增加通道数来提高动态范围。高端系统通常具有64～256个通道，而便携式的中端或低端超声系统通常则具有16～64个通道。
为什么要推出便携式系统
许多要求严格的应用可获益于能提供实时扫描功能的轻型、紧凑型便携设备。显然，现场紧急医疗服务(EMS)团队可以更迅速地到达病人身边，并能在病人进入急诊室(ER)之前提供检查结果。如果路途遥远，医生在等待病人的同时还可以进行远程诊断。在日常的办公室诊断过程中，普通医生无需专科医生的帮助，即可对病人进行超声扫描，将其作为检查的一部分。
增强的便携性可以提供使用这些设备的机会，以便为没有可靠电力的偏远地区和农村提供更好的医疗服务。
而在动物医疗检查方面，兽医发现便携式超声设备对于大型动物和宠物的现场诊断也是非常有帮助的。另外，它对猪和牛畜牧场的现场诊断也很有帮助。
超声设备在无创检测和预防性维护方面的应用也是一个不断增长的市场。典型应用包括扫描桥梁、工业机械轴承及输油管道的系统。它能够降低检测成本，避免重要设备的停机。在工厂中，便携式扫描设备可用于捕捉潜在的灾难性问题，避免问题发生，这是非常关键的。
采用便携式超声设备当然也会导致一定的成本开销，如用于购买这些诊断、扫描和分析设备的成本，以及培训用户的成本。但是，在很多情况下，从便携式超声设备获得的好处会远远超过所付出的成本。
另一种常见的成像形式是连续波(CW)多谱勒或D模式，它用于显示血液流动的速度及其频率。顾名思义，CW模式利用连续产生的信号来生成图像，其中一半的传感器用于发送，另一半用于接收。CW具有精确测量高速血液流动的优势，但缺乏传统脉冲波系统具有的深度和穿透性。由于每种方法都具有自身的优点和局限性，根据具体的应用，现代超声系统通常会同时使用两种形式——AD9273便可采用这两种方式进行工作。特别的是，它允许用户通过采用集成的交叉点开关而使其工作于连续波多普勒模式。这个交叉点开关允许将具有相似相位的通道相干叠加成群，用于相位对齐与求和。AD9273支持低端系统的延迟线以及具有可编程相位调整的AD8339四通道解调器，可获得最佳性能。AD8339允许对相位对齐及求和进行精细调整，以提高成像精度。这款器件易于外部连接，允许用户为需要极大动态范围的信号集成更多必需的信号链路。
动态范围与噪声要求
随着高频声波信号穿透人体，它们以1dB／cm／MHz衰减。例如，当使用8MHz探头且穿透深度为4cm时，如果考虑发射与反射衰减，那么从内部组织反射的信号幅度变化与接近表面反射的信号幅度之间的差异将为64dB(或4×8×2)。增加50dB的成像分辨率，并考虑骨骼组织、线缆及其他失配导致的损耗，所需的动态范围将接近119dB。为了更加全面的理解这一点，在12MHz带宽内具有1.42nV／rt-Hz本底噪声的0.55Vp-p满量程信号意味着92dB的输入动态范围，使用多个通道可获得额外的动态范围[10×logN(通道)]，例如128个通道可增加21dB的动态范围，这确定了动态范围的实际限制为100～120dB。
可获得的动态范围会受到前端器件的限制。由于并非每时每刻都需要整个动态范围，因此可使用动态范围较小的ADC，通过扫描VGA的增益来对接收到的反射信号随时间的衰减(正比于穿透深度)进行补偿，这被称作时间增益补偿(TGC)。LNA设置了可映射到ADC的等效动态范围。AD9273在12MHz带宽内具有92dB的等效动态范围(162.7 dB／rt-Hz)，能处理来自被扫描组织的极小和极大信号(回声)，如图3所示。LNA的满量程应该足够大，从而不会被近场信号饱和，而且，本底噪声越小，动态范围就越大。
所需的最大增益决定于：
(ADC的本底噪声／VGA输入本底噪声)+裕量
所需的最小增益决定于：
(ADC输入满量程／VGA输入满量程)+裕量
为了处理较低的噪声电平，就必须增加功耗需求，而在便携式应用中，需要考虑权衡功耗的限制。请注意，在表1所示的解决方案中，AD9272和VGA AD8332具有最低的折合到输入端噪声和最大的输入动态范围，没有一种方案是理想的，尽管数字处理是当今所有解决方案的基本特性，但具体的实现以及器件的选择是每个超声系统制造商所专有的。
结论
在医疗和工业应用中，便携式超声都呈现出不断增长的趋势。在偏远地区，这种系统在紧凑性和便携性方面都具有相似的需求。AD9273通过在小型IC封装中集成8个同时支持脉冲波和连续波多谱勒系统的接收信号链路通道，满足了日益增长的便携性需求。AD927X系列包含多款产品，适合于具有不同功耗和噪声需求的多种应用，甚至将应用范围拓展到了未来的超声系统。
关键词：超声；医疗电子；便携式；ADI；DBF
医疗超声系统是目前广泛使用的最复杂的信号处理设备之一。虽然与雷达或声纳系统类似，但超声系统的RF工作速度比雷达慢几个数量级，而比声纳快几个数量级。在早期手推式超声系统的发展下，医疗行业已经将这种实时技术用于早期健康问题诊断和一般诊断过程。随着时间的推移，超声系统变得越来越便携，有些甚至正发展为超紧凑型的掌上设备。在不远的将来，超声系统可能会变成一种专用的个人数字助理(PDA)－虽然不像医生的听诊器那么常用。
超声系统架构
超声系统中常用的图像采集方法为数字波束成形(DBF)。对于医疗超声来说，波束成形被定义为从一个普通信号源产生，而在不同时间被多单元超声传感器接收的信号的相位对齐及求和。波束成形采用16～32(或更多)个接收器通道的相移阵列和求和阵列来提取相干信息，包含两个功能：一是为传感器指示方向，以增强其增益；二是确定人体内的焦点，即产生回波的位置。在最简单的状态下，DBF系统框图如图1所示，首先放大每个传感器单元的输出，将其转换为数字信号，再按顺序进行排列，最后对多个通道进行空间求和，以得到图像。
DBF架构要优于以前的模拟波束成形系统(ABF)，这是因为DBF架构具有更好的通道间匹配特性和更大的灵活性，而ABF是一种在转换前使用可变延迟线和模拟求和系统。当采集到信号，可通过DBF中的波束控制和相干信号求和等数字运算来提高成像质量。将数字引擎靠近超声传感器，能获得比模拟系统更精细的调整。尽管DBF在功耗(由于通道数较多)和尺寸(为了获得并产生精确的信号通常需要大量器件)方面还面临着重大挑战，它仍然是目前最常用的架构。
直到最近，大多数DBF系统还是由分立解决方案和多个IC等许多器件构成。接收(Rx)信号链路主要包含用作前置放大器的低噪声放大器(LNA)；用作时间增益放大器的可变增益放大器，它作为时间的函数(或作为深度的函数)用来补偿人体组织对返回信号的衰减；抗混叠滤波器(AAF)以及模数转换器(ADC)。通用的DBF架构包含了大量的这些元件。只要通道噪声是随机或不相关的，就可以通过增加通道数来提高动态范围。高端系统通常具有64～256个通道，而便携式的中端或低端超声系统通常则具有16～64个通道。
为什么要推出便携式系统
许多要求严格的应用可获益于能提供实时扫描功能的轻型、紧凑型便携设备。显然，现场紧急医疗服务(EMS)团队可以更迅速地到达病人身边，并能在病人进入急诊室(ER)之前提供检查结果。如果路途遥远，医生在等待病人的同时还可以进行远程诊断。在日常的办公室诊断过程中，普通医生无需专科医生的帮助，即可对病人进行超声扫描，将其作为检查的一部分。
增强的便携性可以提供使用这些设备的机会，以便为没有可靠电力的偏远地区和农村提供更好的医疗服务。
而在动物医疗检查方面，兽医发现便携式超声设备对于大型动物和宠物的现场诊断也是非常有帮助的。另外，它对猪和牛畜牧场的现场诊断也很有帮助。
超声设备在无创检测和预防性维护方面的应用也是一个不断增长的市场。典型应用包括扫描桥梁、工业机械轴承及输油管道的系统。它能够降低检测成本，避免重要设备的停机。在工厂中，便携式扫描设备可用于捕捉潜在的灾难性问题，避免问题发生，这是非常关键的。
采用便携式超声设备当然也会导致一定的成本开销，如用于购买这些诊断、扫描和分析设备的成本，以及培训用户的成本。但是，在很多情况下，从便携式超声设备获得的好处会远远超过所付出的成本。
另一种常见的成像形式是连续波(CW)多谱勒或D模式，它用于显示血液流动的速度及其频率。顾名思义，CW模式利用连续产生的信号来生成图像，其中一半的传感器用于发送，另一半用于接收。CW具有精确测量高速血液流动的优势，但缺乏传统脉冲波系统具有的深度和穿透性。由于每种方法都具有自身的优点和局限性，根据具体的应用，现代超声系统通常会同时使用两种形式——AD9273便可采用这两种方式进行工作。特别的是，它允许用户通过采用集成的交叉点开关而使其工作于连续波多普勒模式。这个交叉点开关允许将具有相似相位的通道相干叠加成群，用于相位对齐与求和。AD9273支持低端系统的延迟线以及具有可编程相位调整的AD8339四通道解调器，可获得最佳性能。AD8339允许对相位对齐及求和进行精细调整，以提高成像精度。这款器件易于外部连接，允许用户为需要极大动态范围的信号集成更多必需的信号链路。
动态范围与噪声要求
随着高频声波信号穿透人体，它们以1dB／cm／MHz衰减。例如，当使用8MHz探头且穿透深度为4cm时，如果考虑发射与反射衰减，那么从内部组织反射的信号幅度变化与接近表面反射的信号幅度之间的差异将为64dB(或4×8×2)。增加50dB的成像分辨率，并考虑骨骼组织、线缆及其他失配导致的损耗，所需的动态范围将接近119dB。为了更加全面的理解这一点，在12MHz带宽内具有1.42nV／rt-Hz本底噪声的0.55Vp-p满量程信号意味着92dB的输入动态范围，使用多个通道可获得额外的动态范围[10×logN(通道)]，例如128个通道可增加21dB的动态范围，这确定了动态范围的实际限制为100～120dB。
可获得的动态范围会受到前端器件的限制。由于并非每时每刻都需要整个动态范围，因此可使用动态范围较小的ADC，通过扫描VGA的增益来对接收到的反射信号随时间的衰减(正比于穿透深度)进行补偿，这被称作时间增益补偿(TGC)。LNA设置了可映射到ADC的等效动态范围。AD9273在12MHz带宽内具有92dB的等效动态范围(162.7 dB／rt-Hz)，能处理来自被扫描组织的极小和极大信号(回声)，如图3所示。LNA的满量程应该足够大，从而不会被近场信号饱和，而且，本底噪声越小，动态范围就越大。
所需的最大增益决定于：
(ADC的本底噪声／VGA输入本底噪声)+裕量
所需的最小增益决定于：
(ADC输入满量程／VGA输入满量程)+裕量
为了处理较低的噪声电平，就必须增加功耗需求，而在便携式应用中，需要考虑权衡功耗的限制。请注意，在表1所示的解决方案中，AD9272和VGA AD8332具有最低的折合到输入端噪声和最大的输入动态范围，没有一种方案是理想的，尽管数字处理是当今所有解决方案的基本特性，但具体的实现以及器件的选择是每个超声系统制造商所专有的。
结论
在医疗和工业应用中，便携式超声都呈现出不断增长的趋势。在偏远地区，这种系统在紧凑性和便携性方面都具有相似的需求。AD9273通过在小型IC封装中集成8个同时支持脉冲波和连续波多谱勒系统的接收信号链路通道，满足了日益增长的便携性需求。AD927X系列包含多款产品，适合于具有不同功耗和噪声需求的多种应用，甚至将应用范围拓展到了未来的超声系统。