超声便携式设备的系统划分以及未来趋势

2008-07-13 16:56:48来源: 嵌入式在线
  上世纪90年代初,便携式电话风靡一时,随着电子技术的长足发展,现今的手机除了可以发送电子邮件和短信,还能拍照、查询股票价格、安排会议;当然,也可以同世界上任何地方的任何人通话。

        同样在医疗领域中,以前所谓的便携式超声系统曾装载在手推车上以便于拖拽;而今天的医用超声系统也在持续向小型化发展,并且被医生们称为“新型听诊器”。
  
  超声系统的便携式趋势

  由于超声的优异功用,市场对超声系统的便携性有很高的要求。便携性的提升可以在无法提供可靠电源的远程应用中使用这些设备,如偏远乡村的临床医疗、紧急医疗服务、大型动物饲养、以及桥梁、大型机械和输油管线的检验等。

       超声系统可以分为高、中、低端三类。高端超声系统采用最新的技术,满足市场最新的要求,并且提供最佳的图像质量。中端超声系统在不牺牲图像质量的前提下,通常具有高端超声系统的部分特性。而低端超声系统的体积一般较小,一般应用于临床医疗等特定应用。
  
  超声信号链

  医用超声的波束成形被定义为信号的相位对准和求和,该信号由共同的源生成,但是由多元超声传感器在不同的时间点接收。在CWD(连续多普勒)路径中,对接收器通道进行移相和求和,以提取一致的信息。波束成形具有两个功能:一个是向传感器指明方向,即提高其增益;另一个是定义人体内的焦点,由该焦点得到回波的位置(图1)。

图1典型的超声信号链路

        对于波束成形,可以采用两种截然不同的方法,即模拟波束成形(ABF)和数字波束成形(DBF)。ABF和DBF系统之间的主要差别在于完成波束成形的方式,这两种方法都需要良好的通道间匹配。ABF中使用了“模拟延迟线”和求和的方式,其中仅需要一个(分辨率非常高的)高速ADC。而在DBF系统中,需要多个高速高分辨率ADC。有时候在ABF系统的ADC之前使用对数放大器压缩动态范围。在DBF系统中,应尽可能接近传感器单元来采集信号,然后将信号延迟并对其进行数字求和。

  由于数字IC的性能以非常高的速度持续提高,在采集数据之后,数字存储和求和是“完美的”,因此通道间的匹配也是完美的;通过对FIFO中不同位置的数据求和,可以容易地形成多个波束而更加灵活,出于以上优势,大部分现代图像采集超声系统常采用DBF,此外模拟延迟线的通道之间的匹配性往往较差,延迟抽头的数目也受到限制,且必须使用微调电路。
然而另一方面,ABF和DBF之间的优缺点也是相对的。相对于ABF,DBF需要多个高速高分辨率ADC(脉宽多普勒需要约60 dB的动态范围,因此至少需要10 bit的ADC),而ADC的采样速率直接影响分辨率和通道间的相位延迟调节的准确度,采样速率越高,相位延迟就越精细;另外由于使用多个ADC和数字波束成形ASIC,因此功耗较高。
  
  系统划分策略

  虽然已存在许多先进的电子技术,但是超声系统的设计仍然十分复杂。许多年来,制造商通过设计定制ASIC来实现复杂的系统。该解决方案通常包括两个ASIC,其涵盖了TGC路径和Rx/Tx路径的主要部分,如图2所示。在多通道VGA、ADC和DAC广泛使用之前,这一方法非常常见。该定制电路允许设计人员加入一些廉价的、灵活的功能。由于集成大部分的信号链路,减少了系统中使用外部元件的数目,因此该解决方案成本较低;但是其缺点在于,随着时间的推移,光刻技术的发展使得这些ASIC已不能满足进一步减小体积和功耗的需求。ASIC具有大量的门电路,它们的数字技术不能针对集成模拟功能进行优化;而且仅有有限的供应商可以定制ASIC器件,这将导致设计者面临一些瓶颈。

图2系统的ASIC实现方式

  超声系统的便携性是有局限的,但的确是可行的。即便这样,这也是解决系统划分问题的重要的第一步。便携性不仅指产品体积,而且也表现在电池寿命方面,因为这些电路对功耗的要求非常高。随着四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出现,体积和功耗得到进一步减小,也随之产生了解决便携性问题的新型的系统方法。多通道器件允许设计人员在构造系统时,将敏感电路放置在两个或更多的电路板上,可以减小系统体积,并且有利于在多个开发平台上重复利用该电路。但是这一方法也存在缺点,系统体积减小也依赖于系统划分,多通道器件可能使PCB的布线极为繁琐,迫使设计人员使用通道数目较少的器件,例如从八通道ADC变为四通道ADC,而且如果系统体积较小,还会带来散热的问题。

  随着完整的TGC路径的进一步集成,多通道、多元件的集成使设计变得更加容易,这是因为它们对PCB尺寸和功耗的要求进一步降低。随着更高级的集成方案的广泛使用,可以进一步减少成本、供应商数量、系统体积和功耗。系统散热量有效降低,可延长便携式单元中的电池寿命。ADI公司的AD9271超声子系统为满足紧凑性要求而设计,它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封装,每个完整的TGC通道在40 MSps下功耗仅为150 mW。AD9271使用串行I/O接口以减少引脚数目,因此使每个通道的总面积至少减少1/3,功耗至少降低25%。
但是AD9271不可能满足每个超声系统设计人员的要求。理想的解决方案是将更多的功能单元集成到探针中,或者使其尽可能接近探针元件。需要注意的是:连接探针单元的电缆会对动态范围有些不良影响,而且成本较高。如果前端电子元件比较接近探针,那么就可以减少影响信号灵敏度的探针损耗,允许设计人员降低系统对LNA的要求。也可将LNA集成到探针单元中;或将VGA控制放在探针和电路板上的元件之间。随着器件的尺寸不断缩小,系统也可以封装到超小型封装中。但是这种方法的缺点在于,设计人员需要对探针进行全定制设计。换言之,探针/电子器件的定制设计将使设计人员回到ASIC实例中存在的技术瓶颈,而且供应商是有限的。

  现今大部分超声系统公司将其大部分知识产权(IP)应用于探针和波束成形技术,使用多通道集成的常用器件,包括四通道和八通道ADC来完成系统,消除了对高成本元器件的需要,而且简化了独立TGC路径的调整和优化。此外,也可以考虑进一步集成超声系统的其它部分。在生产能力许可且市场导向目标适当的前提下,这些其它信号链路部分的集成将是有利的。

  结论

  脉冲回波技术早期用于检测大型水下船体和潜艇,也可检验结构制造中的裂缝,目前超声技术已走入日常生活,其进一步的广泛应用也仅仅是一个时间问题。医疗和工业应用对便携式超声系统的需求日益增长,各种系统对设备的紧凑性和便携性都有着类似的要求。随着技术的不断进步,相信在不久的将来,用户就可以利用手机发送胎儿的扫描图像了。

关键字:链路  通道  多普勒  接收  波束  传感器

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_195.html
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