便携和高性能医疗设备的超声系统设计方案

对于当今的超声应用市场，便携性和高性能是系统设计师要满足的两个关键指标。便携性推动超声系统向更小的尺寸演进，以满足用户对“可装进口袋”的复杂超声工具的需求，与此同时，性能要求则决定了整个系统的动态范围。更高的动态范围或更低的噪声可提供更高质量的图像，从而使医生能更好地进行诊断。为普通医生和临床医生提供高性能的便携式超声医疗仪器，对系统设计师和系统内的元器件提出了越来越高的要求。

本文将探讨提供便携式高性能超声产品所必须满足的一些最重要设计考虑，以及超声系统设计师如何实现为目前全球市场开发新的成像产品所需的灵活性。

1 系统权衡

尽管超声系统多年的研究和开发已经取得了重大的技术进步，但它仍然很复杂。与其它的复杂系统一样，也存在许多的系统划分方法。

多年来，制造商通过设计他们自己的定制ASIC 来实现这些复杂系统。这种解决方案通常由两个ASIC 组成，它们集成了时间增益压缩（TGC）和Rx/Tx 路径上的大部分元器件，如图1 所示。这一方法在多通道VGA、ADC 和DAC 广为出现之前很常见。定制电路允许设计师集成一些灵活的低成本功能特性，它们随着时间的推移可体现出成本优势，因为把信号链的大部分集成在一起可将外部元件数量减至最少。不幸的是，随着时间的推移，基于光刻技术制造出来的ASIC 在集成度和功耗两方面皆显示出它的局限性。ASIC 拥有大量的逻辑门，但这一数字技术并不是被优化用来成功地实现模拟功能特性的，如高性能ADC。此外，由于供应商数量有限，ASIC 还使得系统设计师只能在一个很小的范围内进行选择。

图1：ASIC方法

2 Doppler Processing 多普勒处理

尽管高性能成像系统可以采用这一系统划分方法来实现，但从便携性、尺寸和功耗的角度来看这并不是最优的。4 通道和8 通道TGC、ADC 和DAC 的出现允许在不牺牲性能的前提下进一步减少尺寸和功耗，从而将新的系统设计方法和新的供应商带进了这些市场。多通道元件允许设计师在PCB 上将元件放得更紧密，从而可提高系统中的通道数；它们也允许设计师将敏感电路分开放在两块或更多的子板上，来完成一个系统的设计，这可以有效地重复利用许多平台开发中成熟的电子电路。

附注：随着通道数的增加，动态范围也将得到提高。噪声可被有效地视为系统中的不相关成份加以处理。通过将系统的通道数翻番，噪声即可降低一半，动态范围可增加3 分贝。因此，与16 通道系统相比，一个64 通道系统可以将动态范围提高12dB 之多。

不过这一方法存在一些缺点：增加通道数可能使PCB 布线成为一个“梦魇”，在某些情况下这将迫使设计师采用较小通道数的元件。这也为机械设计师带来了新的热处理挑战，不仅增加了系统成本，而且还增加了风扇噪音。

今天，IC 制造商能够集成完整的多通道TGC 路径，如图2 所示。多通道、多元件集成使得超声系统设计变得更容易，并可在不牺牲性能的前提下减少PCB 板尺寸和功耗。随着更高集成度方案变得更加占据主导地位，其在成本、尺寸和功耗降低方面的优势将进一步体现出来，并将使得系统的散热量更低、电池寿命更长。

图2：常见的集成方法

超声子系统（如ADI 公司集成了LNA/AAF/ADC 和交叉点开关的AD9272/AD9273）实现了完整的TGC 路径，这是超声系统最常见的接收路径。这两个器件为系统设计师提供了在性能和功耗之间进行权衡的灵活性：高性能AD9272 具有低噪声特性（0.75nV/rt-Hz），低功耗AD9273 在采样率为40MSPS 时每个完整TGC 通道仅消耗100mW。这两款引脚兼容的器件采用串行I/O 来实现低引脚数。它们均采用紧凑的14mm×14mm×1.2mm 封装，与多芯片解决方案相比，它们可将每通道占位面积和功耗降低33％以上。

大多数超声系统公司承认，他们的核心知识产权（IP）在于探头和波束形成技术。多通道芯片正在快速变成大众化器件，它们使得无需再采用高成本的ASIC 元件，以及为了完成系统设计和获得多一点的性能或功耗节省而对单独TGC 路径进行无休止的调整和优化。

设计师正在考虑对超声系统的其它部分进行进一步集成。研究已经表明，如果前端电子电路更接近探头，那么将产生更少的探头损耗和更好的信号灵敏度，从而允许系统设计师放宽对前端器件(如LNA/VGA)的要求。信号链这些部分的集成已证明可能是有益的。

3 超声医疗仪器的发展趋势

随着如此众多的超声应用被开发出来，对性能和便携性两方面的要求也变得很高。高性能需求推动超声应用（如心脏病和4 维图像处理）包含最高数量的通道数、特性和选项。功耗在这里不是一个关键推动因素，因为这些系统往往用于病人的床边、手术室、或护士分诊台，但性能变得非常关键，因为这些系统是用于人类疾病的诊断。

便携式超声设备提供了一个不同类别的应用机会，特别是在电力系统不太稳定或不可靠的地方，如偏远村庄诊所、紧急医疗服务、动物养殖场、桥梁和大型机械设备检修车间。

图3：用于大型动物饲养农场的便携式超声系统

超声系统一般可分为三个档次：高端、中档和低端。高端超声系统采用最前沿的最新技术，并具有市场要求的最齐全的功能特性，它们可产生最好的图像，但也更昂贵。中档系统一般具有高端超声系统功能特性的一个子集，但图像质量没有多大的牺牲。低端超声系统的功能特性进一步缩减，在某些情况下，它仅能满足特定应用的需要，无论是临床应用还是其它应用。随着技术的进步，发展趋势已显示，低端系统正开始在图像质量上追赶上来，以实现更准确、无创式和及时的诊断。

4 面向超声设计的新工具

超声覆盖了广泛的各种应用，因此系统设计师必须做出的权衡之处已经有所增加。每种超声应用都存在通常定义为性能对功耗的局限性。如今，这些挑战已经可以用商业元件来克服，它们允许设计师在IC 内调整性能与功率的比值，从而缩短产品上市时间。

ADI 公司的AD927x 提供了多种可配置性，设计师可调整输入电压范围、偏置电流、采样率和增益。取决于需要的成像方式或探头类型，系统设计师可以适当地对设计进行实时系统级调整，从而可以最低的功耗提供最高的性能。

在一个典型的应用中，来自一个产生0.5Vpp 信号的5MHz 探头的图像将被采集。如果整个通道上只有0.86nV/rt-Hz 或1.4nV/rt-Hz 噪声的LNA（低噪声放大器）是采用50 欧姆电阻进行源端匹配，那么该系统的输入动态范围将是92dB，并产生3.8dB 的噪声指数（NF）。这可转化为66.3dB 的输出动态范围，它允许系统设计师实现每通道仅消耗191mW（在40MSPS 的采样率下）的同时，保持最优的性能。

如果系统的性能超过了预期，又能使每通道能节省50mW 的话，那么系统设计师可能决定将系统输入动态范围减少2dB。系统设计师可以尝试调整增益、偏置、端接匹配和其它参数，来验证这是否可行，但改变所有这些参数来了解系统的权衡可能很困难。

配置工具（如ADI 公司为其AD927x 系列器件开发的配置工具）使得系统设计师可以很方便地评估性能，如图4 所示。在这里，所有的功能特性都已经到位，它们使得系统设计师能够快速地做出这些权衡，以及调整系统以直接集成到一个IC 中。这使得设计师无需改变实际硬件和进行繁琐的图像处理测试，就可以验证这些权衡。

图4：AD9272/9273 配置工具

此外，配置工具将把优化配置参数转换成数字化设置，并生成一个文件，它可以复制成部分系统的最终配置。

5 结论

今天，最新的集成式多通道元件正在将系统灵活性推向一个新的水平。新的创新产品和配置工具毫无疑问已使得系统设计师的工作更加轻松。这提供了一个开发多元化超声系统产品的新方法，使得超声产品的性能与功耗权衡可根据成像方式进行配置和调整。

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