超声成像中的模拟和混合信号组件的研究

简介

现代技术正在推动医疗超声波机器达到新的性能高度，从而使图像具有更高的清晰度和分辨率。超声用于心脏，产科和许多其他诊断区域的成像。即使机器的能力增加，机器的成本也会降低。虽然超声波在很大程度上依赖于数字处理，但其性能的关键在于高度模拟技术。我们将在这里研究超声成像中使用的模拟和混合信号组件的贡献。当然，由于每个元素本身都需要一个章节或一本书来为系统设计者提供完全有用的信息，因此本文旨在提供概述并提供对医学超声结构的基本了解。

获取图像

图像是通过以下方式获得的：将一束狭窄的声能扫入生物体内，并分析身体内部结构反射回来的能量模式，就像搜索雷达一样。由于接收换能器处理模拟信号，但分析是以数字方式进行的，因此信号必须数字化。将电脉冲施加到压电陶瓷元件以产生2到20MHz的发射频率的能量。使用的频率取决于应用。较高的频率提供最佳分辨率但穿透较少，因为它们在信号穿过身体时衰减得更快。高频脉冲的强度有限，因为过量的电量对患者来说是不健康的。最常用的频率范围为2到7 MHz。

返回电平范围从身体表面附近的1-V回波到身体深处的图像小于10μV。信号通过电缆传导到手持件中的陶瓷元件和从前端电子器件传导到前端电子器件，该电缆将受到噪声和衰减。宽范围的信号必须放大到2 V，以驱动模数转换器。为此，使用时间增益补偿（ TGC ）放大器。它将通过指数因子放大信号来补偿指数信号衰减，该指数因子取决于机器等待返回脉冲的时间。

功率电平，使用的频率，放大和光束聚焦决定了图像的清晰度。这些东西由超声医师（技师）控制，与系统的固有属性相互作用。

使用的成像模式

1。 灰度 - 生成基本的黑白图像。它将解决小至1毫米的伪影。通过发射能量脉冲并分析返回能量（如上所述）来进行显示。

2。 多普勒 - 医学多普勒超声的最佳类比是彩色多普勒天气雷达。顾名思义，多普勒模式通过跟踪返回信号的频移来检测运动中物体的速度。这些原理适用于检查体内血液或其他流体。它是通过将连续波传输到体内并产生返回的快速傅立叶变换（FFT）来实现的。计算过程将确定来自身体的信号的频率分量以及它们作为流体速度的函数的关系。一个箱包含基本发射频率，而其他箱包含多普勒频移。通常采用4倍过采样。

3。 静脉和动脉模式 - 他们将多普勒与灰度模式结合使用。首先，将找到静脉或动脉的图像。操作员将在其周围的小光标窗口中拨号。然后，多普勒接合在光标区域内。如上所述，将测量发射信号的多普勒频移。音频也将与光标图像一起使用。静脉流产生哗哗的声音（如瀑布），而脉搏的砰砰声则表示动脉血流。同时，血流速度将显示在数字读数上。窦性心律将在屏幕上显示为X-Y图。通过处理来自多普勒频移的音频信号获得速度和节奏显示。

整个系统

框图（图1）显示了系统的元素：传感器，多路复用器，发射器及其波束形成装置，发射/接收（T / R）开关，低噪声放大器，信号和图像处理显示器，音频，A / D转换器及其驱动器，TGC放大器。在目前的技术水平下，机器可以使用多达256个通道（包括256个陶瓷元件，放大器，ADC等）

探头及其传输信号

每个通道的探头都有一个陶瓷元件（最多256个）。这些元件由压电陶瓷材料制成，例如锆钛酸铅。

在某些设计中，每当脉冲发出约100 ns的短发射脉冲时，脉冲就会以几个周期的脉冲串振（“ping和环”）。激发脉冲幅度大约为100 V.脉冲的大小将决定射入患者体内的能量。

为了使失真最小化，一些系统发送高斯脉冲。图2对比了宽带脉冲在体内反弹后的失真频谱。它的光谱与发射脉冲的光谱几乎没有相似之处。畸形脉冲将显示谐波失真和不需要的伪造伪像。另一方面，对发射的高斯脉冲频谱的响应看起来与没有旁瓣的情况大致相同。

激励脉冲可能是DAC的输出，通过数字合成器给出所需形状的信号。然后，低幅度脉冲将被放大到所需的幅度（大约100 V）。

接收器必须具有宽带宽，以适应DSP的FFT计算中必须处理的各种复杂频率。快速边缘速率增加了对带宽的需求。

波束转向和聚焦

在雷达的旧时代，盘子或香蕉形天线会旋转，寻找所有目标方向。当它慢慢地扫过时，磁控管会向天空发射能量脉冲。以光速行进，在天线不同步之前，反射的能量将返回到接收器。如今，旋转是由相控阵产生的。通过改变天线辐射器之间信号的相位和功率来操纵光束，并且光束在没有任何移动部件的情况下扫过天空。

这与医学超声扫描光束的方法相同。身体周围的声能。在传递到换能器头中排列的压电元件的能量脉冲之间将存在编程的相位和幅度偏移。这将导致沿着线进入体内的入射能量束。光束会像天空中的雷达一样在身体中来回扫过。

Mux和T / R开关

要传输的信号必须从功率放大器传递到陶瓷，接收信号从陶瓷传递到接收器。由于100 V发送和微伏级接收信号必须通过同一根电缆，因此需要一个T / R开关（发送/接收）和多路复用器（多路复用器）来控制信号。

接收器光束形成

通过延迟每个通道来聚焦光束，以便来自焦点（或 区域的返回脉冲>）同时到达处理器（参见图3）。机器将建立由操作员设定的焦点区域。波束形成目前使用模拟和/或数字技术完成。机器将调整焦点计算扫描线位置所需的延迟。它将通过使用每个通道聚焦图像所需的延迟来计算显示器的相应像素。较新的机器具有多个聚焦区域。

时间增益控制（TGC）

TGC（时间增益补偿）放大器是超声信号路径中的关键链路。它必须具有放大信号的能力，范围从几微伏到1伏，高达一到两伏的ADC。沿每条发送/接收扫描线，该增益将呈指数增加。在楔形的近端，增益将非常低。在100 V陶瓷激励脉冲之后，它必须立即处理1-V返回信号。随着激励脉冲通过后的时间，增益将被扫描到非常高的水平。这必须在保持非常低的噪声的同时完成，以避免掩盖来自身体深处的低电平信号。操作员将调整TGC放大器控制以改善图像质量。 AD604可变增益放大器广泛应用于此应用，具有两个通道，可接受线性时间扫描，并在48 dB范围内产生指数增加的增益（功率比接近100,000：1）。

A / D转换器

ADC的输入端存在许多噪声源，包括人体组织，增益级和电缆噪声。作为链中的最后一环，重要的是ADC本身具有低噪声。不得将其噪声与来自其他组件的幸存信号混淆。通过使用更高分辨率的转换器来改善量化噪声。许多超声系统使用10位转换器，理论量化噪声为-61.7dB。较新的机器正在使用12位转换器，这使理论量化噪声降至<73dB。

许多超声设计人员都关注谐波失真和接近基波的频率下的伪像。与测量超速本田速度时处理大频移的州警察多普勒雷达不同，超声系统测量静脉或动脉血液速度的多普勒模式产生的移位仅为几赫兹。在FFT图中，基频尖峰基极附近的区域必须非常安静，并且没有通常由ADC或系统时钟抖动引起的杂散信号，以免掩盖这种偏移。转换器的线性度对多普勒超声的质量也很重要。

ADC中的低互调失真将有助于防止多普勒的各种谐波伪影从混合返回形成别名或增加形成大杂散。身体内部的反射信号可以被认为是多音信号。如果ADC具有较差的谐波失真特性，则音调将与ADC的谐波相结合，这可能使低幅度返回信号相形见绌。

许多超声波制造商使用4倍过采样来改善信噪比降低抗混叠滤波器的复杂性。然而，12 MHz乳腺X射线摄影机需要优于48 MHz以适应系统。过采样率取决于信号处理链处理数据流的能力。

显示

扫描点后，必须显示它们现在考虑机器如何放置屏幕上的图像。它将基于手持件中陶瓷行中元素与元素之间的时间延迟来计算屏幕上目标的位置。它根据信号从每个陶瓷元件返回的时间来判断深度。像素值将从存储器中读出并调制CRT迹线。

机器必须计算每个陶瓷元件的位置。指向并添加颜色。也许它会将几个接收的扫描平均在一起。然后它将在扇形显示器的顶部开始CRT扫描。

谐波成像

从更高频率获得更高的分辨率，同时改善深度的困境穿透与能量水平，使用谐波成像。谐波成像通过处理基本发射脉冲的二次谐波来收集增加的分辨率。谐波由组织本身或注射到组织中的造影剂的使用产生。该技术将对放大器和ADC施加压力，通过保持低谐波失真来最大限度地减少额外的谐波。

未来组件要求

对低功耗组件的持续需求。在医院的早期阶段，便携式设备意味着笨重的机器有大轮子，并且它可以由医院房间的120V / 15安培插座供电，而不是放射学中的220V / 30-A插座。如今，人们越来越关注在紧急车辆中安装超声波并使其真正便携。组件设计的趋势支持这种动力。例如，之前的高速10位ADC的功耗> 400mW。当近距离有256个转换器时，这是很大的功率。相比之下，10位，40 MSPS AD9203的功耗仅为75 mW。

成本比几年前降低了2到3倍。这样可以实现更高分辨率，更快速的ADC，例如低成本，12位65 MHz AD9226。