摘 要：在介紹了傳統超聲診斷" title="超聲診斷">超聲診斷系統結構的基礎上，重點介紹了ADI公司推出的圖像處理芯片AD9271。AD9271在單一芯片上集成了一個完整的8通道超聲接收器，可顯著降低系統尺寸和功耗。
關鍵詞：超聲系統 AD9271 便攜式
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? 自從早期超聲診斷系統（推車式）問世以來，醫學界已經將這種實時處理技術用于早期健康檢查和一般診斷過程。超聲診斷系統變得越來越便攜，有些超聲診斷系統已經發展為超小型掌上設備。在不遠的將來，超聲診斷系統會像醫生的聽診器一樣成為一種專用的掌上電腦（PDA）。
1 超聲診斷系統的體系結構
? 迄今為止，大多數超聲診斷系統是在使用分立器件和多片集成電路（IC）的元件級基礎上發展起來的。接收信號鏈路" title="鏈路">鏈路主要由低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）和模數轉換器（ADC）組成。在常見的數字波束成形（DBF）體系結構中會多次重復使用這些器件。只要通道噪聲不相關，就可以增加通道數量提高其動態范圍" title="動態范圍">動態范圍。對于高端的超聲診斷系統64～256個通道是最常見的，而對于中低端的便攜式超聲診斷系統16～64個通道比較常見。
? 最簡單的DBF系統如圖1所示，該系統通過將多個通道在空間累加產生一幅圖像。因為DBF體系結構的通道之間的匹配特性越來越好，DBF體系結構優于早期的模擬波束成形系統。當系統采集到信號時，就將信號數字化，從而可以完成波束控制和相干信號累加以提高信號質量。它的數字引擎與超聲傳感器越接近，就越能實現精細的調整，可以達到模擬系統中的精度。雖然DBF是當今最普遍使用的體系結構，但仍然面臨一些重大的挑戰，例如由于通道數量和規模的增加及為滿足合成信號的精確性所需要的大量的元件數目所引起的能量消耗。
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圖1. 典型DBF系統的簡化框圖
2 推出便攜式系統的意義
? 許多要求嚴格的便攜式應用可獲益于能提供實時掃描功能的輕便超小型設備。很明顯，現場急診醫療服務（EMS）的醫護人員能夠更快地對病人做檢查，并且能夠事先提供檢測結果。如果路途遙遠，醫生在急救室（ER）等候病人的同時可進行遠程診斷。普通醫生在日常辦公室接待病人期間作為常規檢查的一部分可以對病人做快速超聲掃描，無需專家幫助。提高便攜性" title="便攜性">便攜性為將便攜式設備用于需要醫療關注但卻沒有供電的偏遠地區和農村提供更多的機會。獸醫發現便攜式超聲診斷設備對于現場診斷大型動物或寵物非常有用，同時也可用于那些專門從事食品產品的大農場中的豬牛繁殖。
? 超聲無損檢測也是一塊日益增長的市場。正在配置更多的超聲系統檢查橋架大梁、工業設備軸承和油管，從而降低檢查成本并且減少關鍵時刻對昂貴設備的必需性。它也可以用來開發更有效的預防性維護項目。該領域的便攜性應用對于在問題發生之前捕捉潛在問題非常重要。
? 采用便攜式超聲診斷系統需要承擔成本，不僅包括提供用于診斷、掃描和分析的新設備，而且還包括培訓費用。但對于許多單位來說，這與豐厚的收益相比微不足道。
3 關于AD9271
? AD9271集成了全部所需的信號鏈路模塊，從而能夠大大降低系統的功耗和電路板（PCB）所需空間。與分立解決方案相比，每通道電路板總面積減小1/3, 每通道功耗在 40 Ms/s時僅為150 mW。AD9271還提供很多定制選項（通過串行端口提供），從而使用戶可根據具體應用對功耗和配置作進一步優化。
? AD9271工作原理框圖如圖2所示。AD9271使用由低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混淆濾波器（AAF）和模數轉換器（ADC）組成的八通道接收鏈路，該鏈路通常用于脈沖波形模式（B模式掃描用于灰度級圖像，F模式用于在B模式上顯示彩色疊加，表示血液流動）。脈沖波成像方式利用傳感器在發射模式和接收模式間的交替變化而產生周期性更新的二維圖像。另外一種常見的成像方式是連續波（CW）多普勒" title="多普勒">多普勒模式或D模式，用來顯示血液流動的速度和頻率。顧名思義，為了產生圖像，CW包含不斷產生的圖像信號。雖然CW具有精確測量血液流動速度的優勢，但其無法測量傳統脈沖波系統所能測量的深度和滲透度。由于每種方法都有其自身的優勢和局限性，因此現代超聲診斷系統通常會同時使用這兩種方式。AD9271允許用戶通過使用一個集成交叉點開關而按照CW多普勒模式工作。該交叉點開關允許把具有相同相位的通道相干地累加成相位對齊和累加的組。AD9271支持低檔系統的延遲線，并且支持通過采用可設置相位調整的AD8339正交解調器以達到最佳性能。AD8339可以對相位對齊和累加進行精細地調整以提高圖像精度。該器件易于外部擴展，從而允許用戶為需要極大動態范圍的信號集成更多的必需信號鏈路。
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? 圖2. AD9271工作原理框圖
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4 動態范圍和噪聲要求
? 當信號穿過身體時信號會衰減大約為1 dB/cm/MHz。例如，如果使用8 MHz探頭并且穿透4 cm深度，則從皮膚表面反射回的信號幅度變化為64 dB（或4×2×8）[1]。如果增加50 dB的圖像分辨率，并且考慮來自骨頭、電纜和其他失配損耗，則要求的動態范圍接近119 dB。為了更加直觀地理解這一點，即10 MHz帶寬內具有1.4 nV/√Hz本底噪聲的0.333 Vpp滿度（FS）信號需要88 dB的輸入動態范圍。附加動態范圍可以達到10log（通道數），例如128個通道可將動態范圍增加21 dB，從而把動態范圍實際限制在大約100～120 dB之間。
? 可達到的動態范圍受前端元件限制。由于各時刻并不是都需要整個動態范圍，因此可以使用具有較小動態范圍的ADC，通過掃描VGA的增益對接收到的隨時間衰減的反射信號進行匹配，將這種時間增益補償稱作TGA。LNA用于設置映射到ADC的等效動態范圍。AD9271在10 MHz帶寬內具有88 dB的等效動態范圍（158 dB/√Hz）以處理來自被掃描組織的極微弱信號和大幅度信號（回聲），如圖3所示。LNA的滿度范圍應該足夠大，從而不會在近場信號和具有較低本底噪聲的較大動態范圍之間飽和。
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圖3. TGC對12 bit ADC的增益要求
? 因為要減小噪聲幅度需要增大功率，所以對于便攜式應用需要考慮功率限制而作一些折衷。雖然AD9271的88 dB動態范圍優于其他解決方案，但其動態范圍仍然小于大功率VGA，例如AD8332折合到輸入端的噪聲為0.72 nV/√Hz，如表1中所示。請注意AD8332在表1列出了全部具有最小折合輸入端噪聲和最大輸入動態范圍的解決方案。當今所有的處理方案都采用一些數字處理技術。一家超聲診斷系統制造商如何采用這些數字處理技術通常作為該公司的知識產權。
? 無論是醫學應用還是工業應用，以及減小系統的尺寸并且將它們應用到偏遠地區，都對超聲檢測系統提出了便攜化的便攜式超聲診斷呈現增長趨勢。為了都有相同的要求。AD9271是通過兼備脈沖波和連續波兩種工作模式多普勒系統的8通道接收信號鏈路將便攜性提高到另一水平的首款器件。我們期待著AD9271發展成為可提供降低功耗或降低噪聲選擇的系列產品，在其第二代產品中進一步縮小限制條件。不包括探頭和導電膠。
參考文獻
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[2] JOSEPH A, DAVID B. Principles of Doppler echocardiography and the Doppler examination #1[OL]. http://www.echoincontext.com/doppler01.pdf.
[3] KUIJPERS F A. The role of technology in future Medical Imaging [OL]. http://www.medical.philips.com/main/news/assets/docs/medicamundi/mm_vol40_no3/kuijpers.pdf
[4] BANDES A. How Are Your Bearings Holding Up Find Out with Ultrasound. Sensors Magazine, 2006,(7): 24-27.
[5] Basic Ultrasound, Meire, Hulton B. and Farrant, Pat 1995, pp 1-66