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以可携式超音波装置开创新的市场
 

【作者: Rob Reeder、Corey Petersen】2008年12月08日 星期一

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在今天广为普及最精密复杂的信号处理机器中,医疗用超音波系统已经位居其中的重要地位。虽然与雷达或是声纳类似,但是它们在RF(射频)速度下运作时会比雷达慢,比声纳快,而且其差距是以数量级表示。从早期在开发以手推式装置为基础的超音波系统时,医疗工业就已经采用此实时技术来做为健康问题的早期侦测以及一般的诊断程序。随着时间的演进,超音波系统也变成了便携设备,甚至发展成如同手掌大小般的极精巧装置。在不久后的将来,超音波系统将会变成特殊的个人化数字助理(PDA),尽管不会像是医生的听诊器一般的常见。本文将讨论一些关于精巧尺寸的必要元素。


超音波系统的架构

在超音波系统中最常用来获取影像的方法就是数字波束成型(digital beamforming;DBF)。应用于医疗用超音波的波束成型,其定义为:将产生自共同源极,但是在不同的时间利用多组件超音波换能器予以接收的信号进行相位校准以及加总。波束成型以16至32个(或是更多)接收器信道的数组相移并且予以加总,藉此取得一致的讯息,其具有两种功能:直接传送给换能器来加强其增益,并且在内部以接收到回波的位置定义为一个焦点(focal point)。在其最简单的状态下,DBF系统的方块图可以参考图一。每组传感器零件的输出都被加以放大,转换成数字化,并且依序安排。将多重的信道以空间化的方式加总,藉以发展出整组影像。



《图一 典型DBF系统的简化方块图》
《图一 典型DBF系统的简化方块图》

比起早期的模拟式波束成型系统(ABF)(注:其在转换之前使用可变延迟线以及模拟加总),DBF架构更加受到青睐,这是因为它们往往具有较佳的信道对信道匹配特点,而且具有更多的弹性。一旦接获了信号,藉由执行像是波束操控(beam steering)以及一致性的信号加总之类的数字化作业,将可以使其质量加强。把数字引擎放置在更靠近超音波传感器的位置,这将使得比以往模拟式系统中更精细的调整都能够达成。DBF是目前最为常用的架构,即使其具有包括高功率消耗(肇因于大量的信道)以及尺寸太大(由于组件数通常必须用来获取与产生正确的信号)等重大挑战。


直到最近,大多数的DBF系统都还是由许多的组件,采用分离式解决方案以及多种IC组合而成的。接收(Rx)信号链主要是由低噪声放大器(LNA)(注:做为前置放大器之用)、可变增益放大器(VGA)(注:做为时间增益放大器之用),用以补偿透过身体组织当作时间函数(深度的代理功能)之回返信号的衰减、抗锯齿滤波器(AAF)、以及模拟数字转换器(ADC)所组成。在常用的数字波束成型(DBF)架构当中,需要使用到许多组这些相同的组件。增加信道的数量可以改善动态范围,只要信道的噪声是随机出现或者是无关联的话。对于高阶系统来说,从64到256组信道的范围是较为常用的,而16至64组信道则较常使用于可携式、中阶、低阶超音波系统当中。


为何要推动便携设备?

在许多要求严苛的应用中都可以实现能够提供实时扫描功能的轻量化可携式精巧装置的优点。很明显的,现场紧急医疗服务(EMS)团队将能够更快速地处理病患,而且在到达急诊室之前就能够将结果先传送过去。假如运送路程很远,医生可以在等待病患送抵急诊室之前先采用远程诊察。在例行性的诊所看诊当中,一般的开业医师可以对病患执行扫描,以做为检查的一部分,而不需要仰赖专门的人员。


可移植性的提高对于处在偏远区域以及可能缺乏稳定电力的村庄而言,得以利用这些装置提供更为良好的医疗服务的机会。


兽医将会发现,对于大型动物以及宠物等的现场诊疗来说,可携式超音波装置会是相当有用的。对于养猪与养牛农场的现场诊疗也是帮助甚大。


在非破坏性测试以及预防性维护上,超音波也是一个正在成长的市场。举例来说,包括用以扫描桥梁梁柱、工业机械中的轴承、以及输油管线等而布署的系统。检查的成本可以降低,而且更重要的是时间也可以缩短,这是因为可以避免使用昂贵的设备。在工业厂房中的可携式扫描设备也相当的重要,其可以用来将潜在的灾难性问题在发生之前就先找出来。当然,采用可携式超音波需要负担一定的成本,其中包括了取得这些用以诊疗、扫描与分析的装置,再加上对于这些新装置用户的训练。但是在大多数的情况下,其所能带来的好处是远大过于其成本的。


节省空间、功耗与金钱

本文以ADI专为满足尺寸精巧需求而设计的基本子系统─14mm×14mm×1.2mm小体积的AD 9273(图二)为例,说明该系统芯片所需之设计功能。其将所有必要的信号链全部整合在一起,以便对八个信道进行数据的撷取,这可以使电路板空间与功耗大幅降低。这使得相较于采用分离组件的解决方案,每个信道的总区域可减少达1/3以上,功率消耗则比使用分离式组件减少达40%以上。在40MSPS下,每个信道只需要消耗100mW。透过串行埠接口设定功能,也具有非常多的客制化选项,可以依据应用装置而进一步的将功率、噪声以及可配置性优化。


《图二 AD 9273方块图》
《图二 AD 9273方块图》

在8信道的信号链中,每个信道都含有一个低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗锯齿滤波器(AAF),以及模拟数字转换器。在脉冲波(pulsed-wave)模式下,这是经常被使用于处理回返脉冲的接收链:B模式扫描用于灰阶影像,而F模式则是将色彩覆盖于B模式的显示影像上,以便显示血液流动。在脉冲波模式当中,换能器会在传送与接收之间切换,以便形成定期更新的二维影像。


另一个影像的常见形式就是连续波(CW)都卜勒,或者称为D模式,用来显示血液流动速度以及其频率。就如同其名称中所提到的,其影像乃是利用连续产生的信号所生成,而其中有一半的换能器信道是做为发射之用,另外一半则是做为接收之用。CW具有可以精确量测高速血液流动的优点,但是其欠缺传统脉冲波系统所具有的深度以及穿透力。由于每一种方法都具有其优点与限制,必须依据其应用领域而定,因此现代的超音波系统通常都会采用两种形式。本文所例举之组件即可应用于此两种形式。此外,该组件允许用户只需要利用整合于内的交叉点开关,即可在连续波都卜勒模式下运作。此交叉点开关让类似相位的信道可以一致的加总成为群组,以做为相位校准以及加总之用。AD 9273支持使用于低阶系统的延迟线,而具有可编程相位调整功能的AD 8339四倍解调变器可以达到最佳的性能,透过相位校准与加总方面可以做更精密的调整,藉以提高影像的精确度。该组件能够很轻易的链接于外部,让用户可以将需要极大动态范围信号所需的信号链制作得更为紧凑。


《图三 针对12位ADC的TGC增益需求》
《图三 针对12位ADC的TGC增益需求》

动态范围以及噪声需求

由于高频率的音声信号会穿透过本体,因此它们会有大约1dB/cm/MHz的衰减。举例来说,使用8MHz探针以及4cm穿透深度,同时将输出与回返衰减都纳入计算,来自于内部组织的信号振幅变化将会与接近表面的反射(Reference 1)之间出现64dB(或是4×8×2)的差异。增加50dB的影像分辨率,并且将由于骨架、缆线以及其它不匹配所造成的损耗都计算进去,预期的动态范围可以接近119dB。客观的来看,在12MHz带宽中具有1.42nV/rt-Hz噪声层的0.55V全尺度信号所代表的就是92dB的输入动态范围。额外的动态范围可以藉由使用多重信道10×log(N信道))来加以达成,举例来说,128个信道可以提高21dB的动态范围。这将可以为介于100dB至120dB之间的动态范围建立出一个比较实际的限制。


可实现的动态范围会受到前端组件的限制。由于并非在每一瞬间都需要完整的动态范围,因此藉由清除掉VGA的增益,以便在经过一段时间后与接收到的反射之衰减相互匹配(与穿透深度成比例),如此即可使用具有低于完整动态范围的ADC。这叫做时间增益补偿(time-gain compensation;TGC)。LNA会设定能够对应至ADC当中的等量动态范围。组件当中若具有一个在12MHz(162.7dB/rt-Hz)带宽中92dB的等量动态范围,便使其能够处理来自于经过扫描之组织的极小与极大信号(回波),如图三所示。LNA的完整范围应当要大到足以不会因近场(near-field)信号而使其饱和;此外,噪声层越低,动态范围越高。


  • 所需最大增益是由如下公式得出:


  • (ADC Noise Floor /VGA Input Noise Floor) + Margin = 20 log (224/5.5) + 12 dB = 44 dB


  • 所需最小增益是由如下公式得出:


  • (ADC Input FS/VGA Input FS) + Margin = 20 log ( 2/0.55) – 10 dB = 3 dB



为了要处理较低的噪声位准,电源需求必须增加,因此在电源受到限制的可携式应用装置当中,某些妥协是必须要做的。注意到表一所展示的解决方案当中,AD 9272以及VGA AD 8332都具有最低的输入参照噪声以及最高的输入动态范围。没有一种方案是最理想的。虽然数字化处理是目前所有解决方案的基本特点,但是对于每个超音波生产厂商而言,特定的实现方法以及组件的选择才是其独家技术。


(表一) 解决方案比较表

产品

(表一) 解决方案比较表

LNA输入噪声

总信道输入噪声

对信道的输入动态范围
(@ 12MHz带宽)

AD8332 + AD9222
(以手推式装置为基础)

550mVpp

0.74nV/Hz

0.82nV/Hz

97 dB

AD8335 + AD9222

625mVpp

1.2nV/Hz

1.3nV/Hz

94 dB

AD9271

400mVpp
333mVpp
250mVpp

(可携式)
1.2nV/√Hz
1.1nV/√Hz

1.65nV/√Hz
1.44nV/√Hz
1.31nV/√Hz

88 dB
87 dB
86 dB

AD9273

733mVpp
550mVpp
367mVpp

1.31nV/√Hz
1.60nV/√Hz
1.42nV/√Hz

1.26nV/√Hz
1.92nV/√Hz
1.63nV/√Hz

92 dB
91 dB
89 dB

AD9272
(以手推式装置为基础)

733mVpp
550mVpp
367mVpp

1.37nV/√Hz
0.98nV/√Hz
0.75nV/√Hz

1.21nV/√Hz
1.01nV/√Hz
0.83nV/√Hz

96 dB
95 dB
93 dB


结论

0.83nV/√Hz


<参考数据:


对于医疗以及工业应用领域而言,目前正有一股朝向可携式超音波成长的趋势。在偏远地点,所有这类型的系统对尺寸精巧以及 可移植性都有类似的需求。因此组件必须在小巧的IC封装当中,将可应用之接收信号链的8个信道予以结合成为脉冲式与连续波都卜勒系统,才可进而提高可移植性。本文所例举之AD 927X家族拥有相当多样化的产品,能够为许多具有不同电源与噪声需求的应用装置提供选项,进而推动超音波的领域朝向未来更进一步的发展。


(2) Kisslo, Joseph A. and David B. Adams, Principles of Doppler Echocardiography and the Doppler Examination #1, London: Ciba-geigy, 1987


(1) Brunner, Eberhard, “How Ultrasound System Consideration Influence Front-End Component Choice,” Analog Dialogue 36, Part 1 (2002).


(3) Kuijpers, F. A., “The role of technology in future Medical Imaging,” Medicamundi, 1995, Vol. 40, No. 3, Philips Medical Systems.


(4) Bandes, Alan, “How Are Your Bearings Holding Up? Find Out with Ultrasound,” Sensors Magazine, July, 2006, pp. 24-27.


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