医疗成像系统快速样机制造指南

产品上市时间对于医疗产品至关重要。产品发布时间差几个月会对项目投资收益率 (ROI) 产生极大的影响，可能会损失收益，也可能会错过产品上市的最佳时机。但是，另一方面，医疗成像系统开发人员还必须使用最新的技术，让系统拥有优异的模拟性能、复合信号处理与可视化，并利用高速模数转换器 (ADC) 和更多的通道数目，获得较高的数据吞吐量。
 
要求产品快速上市的同时又要使用新技术，这给产品设计带来了巨大的挑战。但是，现在新出现的一些工具可以帮助工程师们迅速地让新的设计转入样机制造，并使其系统达到最佳性能。这些工具帮助开发人员使用可重配置现场可编程门阵列 (FPGA) 技术和面向应用型集成模拟前端 (AFE)，并结合灵活的集成平台，更加快速地进行成像系统样机开发。开发人员现在可以把模块化 FPGA 硬件、集成 AFE、高级设计工具和工业标准平台组合到一起，以构建高度灵活、可调节和可定制的成像系统。
 
个案研究—3个月制造出超声波成像系统样机
 
一家总部位于英国的公司 Diagnostic Sonar，对一种新型相控阵超声波成像系统进行了概念展示。通过对现成 FPGA 硬件和具体应用集成 AFET 进行设计，并使用高级设计工具，它们从确定构架到制造出一台能够显示实时超声波图像的样机系统，总共只用了“3 个月”的时间。由于使用了现成的模块化 FPGA 和 AFE 硬件构建系统，这个开发团队才能够在如此短的时间内制造出他们的首台样机系统。这种方法拥有极大的灵活性，并且具有可定制特性，从而让开发团队可以专心致力于超声波处理算法和 I/O 接口这些更需要发挥其专业知识的方面。

图 1 Diagnostic Sonar 利用 PXI 平台构建其超声波成像系统样机
FPGA 拥有许多设计灵活性，让开发人员可以尝试一些新的想法，降低了系统开发早期存在的风险。由于 FPGA 可以通过软件进行再配置，设计人员可以节省开发时间，能够对 FPGA 编程以适应某些改动的同时演示基于硬件的处理过程，而这些改动是最初设计产品规格时所没有想到的。
 
使用 FPGA进行样机制造的一个挑战是，利用传统的硬件描述语言（例如：VHDL 等）对某个系统进行编程是一件非常耗时的工作，从而加长了项目的计划时间线。但是，开发工具的一些最新进展让我们可以将高级图形工具用于总体系统设计，从而使 FPGA 编程变得更加高效。在适当情况下，它可使用现有的 VHDL IP（Xilinx CORE Generator™、内部开发、第三方等）。若使用正确，这些工具可以实现非常快速的原型系统开发，这样算法和硬件性能便都能得到评估和改进。
 
Diagnostic Sonar 的开发团队利用美国国家仪器公司的工具制造出了其系统样机。这些工具包括使用 LabVIEW™ FPGA 组件编程的 NI FlexRIO™ 模块化 FPGA 硬件，它是一种图形设计语言，可用于设计 FPGA 电路，并且无需知道 VHDL 编码知识。NI FlexRIO 把可交换、可定制 I/O 适配器组件和一个用户可编程 FPGA 组件，一起组合到一个 PXI 或者 PXI Express 机架内。Virtex 系列 Xilinx FPGA 用在电路板上，目的是达到医疗成像等应用要求的 I/O 和信号处理性能。Diagnostic Sonar 公司过去使用 FPGA 开发电路板，但现在 NI FlexRIO 更能吸引他们，因为他们想使用熟悉的优秀硬件来制造样机，而这些硬件已经包括了许多用于 I/O 连接、PCI Express 总线接口和 DRAM 通信的基础组件。自己在内部开发这些组件会花费大量的时间，并且会转移开发人员的注意力，让其无法专心致力于产品的创新，而产品的最大附加值正是创新。

 

图 2 NI FlexRIO 是一个产品实例，它将用户可编程 FPGA 和高度集成的 TI AFE与可定制 I/O 结合
 
一旦 Diagnostic Sonar 公司决定利用使用 NI FlexRIO 的现成模块化 FPGA 构架来制造其系统样机，下一步便是定义系统的 I/O。NI FlexRIO 平台拥有各种模拟和数字适配器组件，可以满足许多应用需求，但是它也允许系统开发人员设计其自己的定制 I/O，使用适配器组件开发工具包 (MDK) 连接至 FPGA。Diagnostic Sonar 公司已经具备了设计超声波前端的经验。但是，他们意识到要想达到最佳系统性能的通道密度要求，他们必需使用专门为超声波应用设计的全集成 AFE。
 
利用集成 AFE 开发更高性能系统
 
超声波系统性能会受到其模拟电路的极大影响。因此，AFE 的每一个特性对所有超声波系统设计都至关重要。
 
超声波系统的 AFE 由一个低噪放大器 (LNA)、压控衰减器 (VCA)、可编程增益放大器 (PGA)、图形保真滤波器 (AAF) 和模数转换器 (ADC) 组成。LNA 提供获得良好灵敏度所需的低噪放大。VCA 和 PGA 是时间增益控制 (TGC) 模块的组成部分，可改善系统的动态范围。另外，它们还允许增益随时间而增加，目的是在信号通过人体时对增大的信号衰减进行补偿。之后，对经过放大处理的信号进行滤波，以改善其信噪比 (SNR)。然后，通过一个 ADC 将所得到的信号转换成数字格式，并利用接收波束生成器对其进行处理。AFE 的性能极大地推动着超声波系统特性的演变，让它的体积更小、重量更轻、电池寿命更长和图像质量更高。
 
在开始 IC 设计以前，工艺选择是半导体制造厂商的一个关键考虑因素。工艺选择必须平衡性能、功耗、成本和升级可行性等方面。
 
不管设计的对象是高端汽车还是一个手持便携式系统，AFE 通道整合都很重要。便携式系统开发人员必须尽可能多地节省其电路板空间，并且高端系统必须针对高通道数目进行优化。过去五年，AFE 迅猛发展。2004 年，使用离散方法设计一个 16 通道的 AFE 需要超过 40 个组件。现在，只需要 2 个！
 
半导体工艺技术的发展让我们能够缩小尺寸、降低功耗和提高总性能。今天的一些AFE，例如：TI 的 AFE5808，性能提高了一倍，电路板空间减小了 94%，功耗降低了 67%。AFE　器件中更高的通道集成度让尺寸大大减小，更少的组件数目节省了成本，而其布局也更加简单—所有这些，最终让系统拥有更高成本效益和更短产品上市时间成为现实。

 

图 3 过去几年面向具体应用的模拟前端极大地提高了集成度和性能
 
超声波系统组件的集成
 
许多设计人员的应用都要求尽可能地使用最高性能的 AFE，而 Diagnostic Sonar 公司则考虑使用 NI FlexRIO MDK 来围绕最新的 AFE 构建其自己的设计。但是，最终他们都意识到可以利用 TI 的 AFE5801 所提供的高性能来实现其应用。AFE5801 拥有 8 通道，可提供 –5Db 到 +31Db 的数控扫描增益。他们可以使用一种现货适配器组件 NI 5752，其将四个这种 AFE 集成到一个 32 通道组件中，拥有 50 MS/s 的采样速率和 12 比特分辨率。
 
在系统接收端使用现成组件为他们节省了大量的开发时间，这样他们可以将其精力放在硬件设计方面：NI FlexRIO（同 NI 5752 配对使用）的 32 通道、高压脉冲生成器组件。使用模块化 FPGA 硬件进行样机制造，让他们能够迅速地生产出一台可以工作运行的样机系统，并确定需要进行哪些硬件改动，原因是 I/O 从 FPGA 反端分离了出来。由于他们都使用了模块化 FPGA 板构建其设计，他们的样机系统都只有 32 条通道，但对构架进行简单的调整，便可以拥有 64 条、128 条、256 条甚至更多（需为 32 的倍数）同时用于收发的通道数目，集成多路传输功能，并且适应于各种超声波阵列。另外，通过将 FPGA 用于硬件式信号处理，他们的信号处理可以根据系统增加通道数目情况进行调整，无需让 CPU 限制系统的成像速率。
 
在软件端，Diagnostic Sonar 公司一开始在主机上使用 LabVIEW 编制算法—包括波束生成、滤波和矫正等，并使用一种图形用户界面 (GUI) 实现数据的可视化。在样机系统演示之后，他们便可以利用 LabVIEW FPGA 将算法移至 NI FlexRIO 板上的 FPGA，以进一步提高信号处理性能。最后，Diagnostic Sonar 公司使用模块化 FPGA 硬件和图形软件，创造出了一种高性能、多通道超声波采集和处理系统。该系统可以针对各种应用进行调整和定制。这些技术让他们能够为其客户提供各种选项，可以提供一种可立即投入使用的标准系统配置，也可以向那些拥有系统集成能力的公司分开出售单个组件（例如：32 通道脉冲生成器、定制阵列连接和波束生成IP等）。
 
最终结果—可调和可定制的系统
 
Diagnostic Sonar 是一家小型公司，但是他们利用 FPGA 的信号处理能力和可重配置性以及 TI 超声波AFE拥有的优异模拟性能，制造出了一个可轻松调整和定制的超声波系统。另外，他们利用现成定制硬件在非常短的时间内（仅 3 个月）便完成了对初始系统的样机论证工作。
 
总之，这种需求会不断增长。各大医疗系统开发公司需要使用各种方法将下一代技术集成到其产品中，并且还要在上市产品中实现新的创新。Diagnostic Sonar 和许多其他公司都在使用同样的设计方法，即利用 FPGA 和 AFE 帮助实现下一代成像系统的这些创新。