【導讀】1942年，奧地利TDussik使用A型超聲成像系統穿透性探測顱腦，并于1949年獲得頭部的超聲圖像，此舉昭示超聲系統進(jìn)入到醫療領(lǐng)域。直到如今，超聲系統作為用于人體內部的無(wú)創(chuàng )可視化技術(shù)，被廣泛用于醫療領(lǐng)域。
1942年，奧地利TDussik使用A型超聲成像系統穿透性探測顱腦，并于1949年獲得頭部的超聲圖像，此舉昭示超聲系統進(jìn)入到醫療領(lǐng)域。直到如今，超聲系統作為用于人體內部的無(wú)創(chuàng )可視化技術(shù)，被廣泛用于醫療領(lǐng)域。最近一份報告稱(chēng)到2022年，中國醫療超聲診斷儀器行業(yè)的市場(chǎng)規模預計將達到15.8億美元，保持6%左右的年均增長(cháng)率。高性能模擬信號鏈前端是超聲設備的關(guān)鍵組成部分，作為高性能模擬技術(shù)主要的提供商ADI將醫療健康領(lǐng)域作為其戰略市場(chǎng)之一，為保證超聲技術(shù)的可持續發(fā)展，ADI為超聲系統關(guān)鍵的信號鏈功能模塊提供了高度集成的解決方案，推動(dòng)實(shí)現一流的臨床成像設備。
超聲系統的原理是通過(guò)向人體發(fā)射聲學(xué)能量，然后接收并處理回波，從而產(chǎn)生內部器官和結構的圖像，繪制血液流動(dòng)和組織運動(dòng)圖，以及提供高度精確的血流速度信息。超聲波掃描使用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖，這些聲波掃描人體內部組織并以不同強度的回波進(jìn)行反射。然后實(shí)時(shí)采集這些回波，并顯示為超聲波掃描圖，其中可能包含不同類(lèi)型信息，如聲阻抗、血流量、組織隨時(shí)間的活動(dòng)狀態(tài)或其僵硬程度。
實(shí)現最佳醫療影像，數據采集模擬前端性能很關(guān)鍵
所以不難看出，想要提升超聲系統的圖片質(zhì)量，其深藏于復雜機器內部的前端性能至關(guān)重要。醫療超聲前端的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端(AFE)組成，它包括低噪聲放大器、可變增益放大器、抗混疊濾波器(AAF)、ADC和解調器。對AFE最重要的要求之一是動(dòng)態(tài)范圍。根據成像模式，該要求可能需要達到70 dB至160 dB，以便區分血液信號與探頭和身體組織運動(dòng)所產(chǎn)生的背景噪聲。因此，ADC必須具有高分辨率、高采樣速率和低總諧波失真(THD)，以保持超聲信號的動(dòng)態(tài)保真度。對此，ADI面向醫療超聲設備提供的一款集成式AFE AD9671可實(shí)現最佳圖像質(zhì)量。
AD9671采用14位ADC，具有最高可達125 MSPS的采樣速率和75 dB SNR性能，超聲成像質(zhì)量更佳。每個(gè)通道都經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在連續波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動(dòng)態(tài)性能和62.5 mW的低功率。其內置8通道的可變增益放大器(VGA)、低噪聲前置放大器(LNA)、具有可編程相位旋轉功能的CW諧波抑制I/Q解調器、抗混疊濾波器(AAF)、模數轉換器(ADC)以及用于處理數據和降低帶寬的數字解調器和抽取器。每個(gè)通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信號路徑以及有源輸入前置放大器終端，且都專(zhuān)門(mén)針對高動(dòng)態(tài)范圍與低功耗而優(yōu)化設計。
LNA具有單端轉差分增益，可以通過(guò)SPI進(jìn)行選擇。假設噪聲帶寬(NBW)為15 MHz且LNA增益為21.6 dB，則LNA輸入信噪比(SNR)為94 dB。CW多普勒模式下，各LNA輸出端驅動(dòng)一個(gè)I/Q解調器。各解調器具有獨立可編程的相位旋轉和16種相位設置。
從推車(chē)到便攜，如何做到減尺寸不減性能？
隨著(zhù)智能化技術(shù)的發(fā)展，便攜式醫療設備逐漸成了主流發(fā)展趨勢之一。過(guò)去，實(shí)現超聲成像系統需要大量高性能發(fā)射電路和接收電路，由此產(chǎn)生的是龐大且昂貴的推車(chē)式系統。不過(guò)如今系統設計人員能夠采用AD9671實(shí)現尺寸更小、成本更低、更便攜的成像解決方案，而其性能則接近推車(chē)式系統。
AD9671通過(guò)集成5Gb JESD204B接口，與其它數據接口標準相比，可減少多達80%的超聲系統 I/O 數據路由。減少路由可滿(mǎn)足制造商設計小型、高性能超聲系統的需要，在簡(jiǎn)化超聲設備電路板設計的同時(shí)，更符合業(yè)界對更高數據速率、更多通道數和更佳圖像分辨率的要求。
此外，AD9671接收器能夠調理8通道射頻到基帶頻率數據，與其他器件相比，可降低至少50%的系統FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）處理負擔。并且各通道均可單獨進(jìn)入省電模式，從而延長(cháng)便攜式應用的電池使用時(shí)間。利用待機模式則可以快速上電，以便開(kāi)機重啟。在CW多普勒模式工作時(shí)，VGA、AAF和ADC均進(jìn)入省電模式。不僅如此，ADC還內置多種功能特性，例如可編程時(shí)鐘、數據對準、生成可編程數字測試碼等，可使器件的靈活性達到最佳、系統成本降至最低?？梢哉f(shuō)這款8通道集成式接收器前端AD9671，專(zhuān)為中到高端便攜和手推車(chē)式超聲系統而設計。
結語(yǔ)
超聲系統在當前小型化趨勢下還面臨更多挑戰，包括：波束形成器的復雜度，要達到很高的圖形質(zhì)量，必須有大量的波束形成通道；高復雜度進(jìn)而導致高功耗，并且需要更多成像空間來(lái)實(shí)施，而隨著(zhù)設備向小型化發(fā)展，尤其是以提升圖像質(zhì)量為目標時(shí)，散熱問(wèn)題變得很重要。本文介紹的AD9671僅僅只是ADI醫療超聲系統解決方案的其中一款產(chǎn)品，還有一系列種類(lèi)豐富的前端、放大器、數據轉換、信號處理和電源管理解決方案供用戶(hù)選擇，包括SNR性能的改進(jìn)在諧波成像(HI)方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢的線(xiàn)性發(fā)射解決方案等，可以使推車(chē)式和便攜式超聲設備達到最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗和成本。
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