便携式超声设备的设计原理及系统划分详解

2011-03-10 19:34:37来源: 互联网

  90年代初期,便携式电话风靡一时。随着膝上型计算机的体积缩小,它们也被称为“背包电话”。目前,电子行业已经取得长足的发展,现今的手机可以发送电子邮件和短信,可以拍照、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装载在手推车上,并且可以拖拽,但是实际上它们是难于拖拽的。幸而超声系统也在持续改进,并且被医生们称为“新型听诊器”。

  本文将回顾经典的超声信号链路,讨论不同的系统划分策略以及它们的优缺点,并且展示这些系统划分策略在便携式超声应用中的意义。

超声信号链路

 

图1. 典型的超声信号链路

  图1所示的是超声系统的简化原理图。系统的传感器均位于相对较长的电缆末端,这些电缆约两米长。这些电缆包含有至少8个至256个微型同轴电缆,是系统最昂贵的部件之一。几乎在每个系统中,电缆由传感器单元直接驱动。电缆的电容成为传感器元件的负载,引起了很大的信号损耗,这对接收端提出了灵敏度的要求,以便保持动态范围和实现最佳系统性能。

  在发射端(Tx路径),波束成形器确定了延迟模式和脉冲序列,其是专为所需的焦点而设定的。然后,驱动传感器的高压发射放大器将波束成形器的输出放大。这些放大器可由数模转换器(DAC)或者高压FET开关阵列控制,将发射脉冲整形,以便较好的将能量传递到传感器单元。而在接收端,发射/接收(T/R)开关(通常是二极管电桥)阻挡Tx高压脉冲。在某些阵列中使用高压(HV)多路复用器/多路分离器减少发射和接收硬件的复杂度,但是这牺牲了灵活性。

  时间增益控制(TGC)路径由一个低噪声放大器(LNA)、一个可变增益放大器(VGA)和一个模数转换器(ADC)构成。在操作人员的控制下,TGC路径用于在扫描过程中保持图像的均匀性。良好的噪声性能取决于LNA,它可以减少后面的VGA对噪声的贡献。对于受益于输入阻抗匹配的应用,有源阻抗控制可以优化噪声性能。

  通过VGA将宽动态范围的输入信号压缩,以满足ADC的输入范围要求。LNA的折算至输入端的噪声限制了可分辨的最小输入信号,而折算至输出端的噪声主要取决于 VGA,它限制了特定增益控制电压下的最大瞬时动态范围。该限制是根据量化的本底噪声设定的,而量化本底噪声由ADC的分辨率决定。

  抗混叠滤波器(AAF)限制了信号带宽,同时也限制了ADC之前的TGC路径中的其它噪声。

  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。

  对于波束成形,可以采用两种截然不同的方法: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。在ABF中,使用模拟延迟线和求和。其中仅需要一个(分辨率非常高的)高速ADC。而另一方面,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。而在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。在图2和3中示出了这两种类型的波束成形体系结构的简化的原理图。

 

图2. ABF系统的简化原理图

图3. DBF系统的简化原理图

  

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关键字:便携医疗设备  系统软件  便携超声设备  设计原理

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0310/article_1914.html
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