超聲系統(tǒng)進(jìn)入到醫(yī)療領(lǐng)域早在1942年,。
直到如今,，超聲系統(tǒng)作為用于人體內(nèi)部的無創(chuàng)可視化技術(shù),，被廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域,。最近一份報(bào)告稱到2022年,，中國醫(yī)療超聲診斷儀器行業(yè)的市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到15.8億美元,，保持6%左右的年均增長率,。高性能模擬信號(hào)鏈前端是超聲設(shè)備的關(guān)鍵組成部分,，作為高性能模擬技術(shù)主要的提供商ADI將醫(yī)療健康領(lǐng)域作為其戰(zhàn)略市場之一，為保證超聲技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展,，ADI為超聲系統(tǒng)關(guān)鍵的信號(hào)鏈功能模塊提供了高度集成的解決方案,，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)一流的臨床成像設(shè)備。
超聲系統(tǒng)的原理是通過向人體發(fā)射聲學(xué)能量,，然后接收并處理回波,，從而產(chǎn)生內(nèi)部器官和結(jié)構(gòu)的圖像，繪制血液流動(dòng)和組織運(yùn)動(dòng)圖,，以及提供高度精確的血流速度信息,。超聲波掃描使用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖，這些聲波掃描人體內(nèi)部組織并以不同強(qiáng)度的回波進(jìn)行反射,。然后實(shí)時(shí)采集這些回波,，并顯示為超聲波掃描圖，其中可能包含不同類型信息,，如聲阻抗,、血流量、組織隨時(shí)間的活動(dòng)狀態(tài)或其僵硬程度,。
實(shí)現(xiàn)最佳醫(yī)療影像,，數(shù)據(jù)采集模擬前端性能很關(guān)鍵。
所以不難看出,，想要提升超聲系統(tǒng)的圖片質(zhì)量,，其深藏于復(fù)雜機(jī)器內(nèi)部的前端性能至關(guān)重要。醫(yī)療超聲前端的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端(AFE)組成,，它包括低噪聲放大器,、可變?cè)鲆娣糯笃鳌⒖够殳B濾波器(AAF),、ADC和解調(diào)器,。對(duì)AFE最重要的要求之一是動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)成像模式,，該要求可能需要達(dá)到70 dB至160 dB,，以便區(qū)分血液信號(hào)與探頭和身體組織運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的背景噪聲,。因此，ADC必須具有高分辨率,、高采樣速率和低總諧波失真(THD),，以保持超聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)保真度。對(duì)此,，ADI面向醫(yī)療超聲設(shè)備提供的一款集成式AFE AD9671可實(shí)現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量,。
AD9671采用14位ADC，具有最高可達(dá)125 MSPS的采樣速率和75 dB SNR性能,，超聲成像質(zhì)量更佳。每個(gè)通道都經(jīng)過優(yōu)化,，在連續(xù)波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動(dòng)態(tài)性能和62.5 mW的低功率,。其內(nèi)置8通道的可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、低噪聲前置放大器(LNA),、具有可編程相位旋轉(zhuǎn)功能的CW諧波抑制I/Q解調(diào)器,、抗混疊濾波器(AAF)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及用于處理數(shù)據(jù)和降低帶寬的數(shù)字解調(diào)器和抽取器,。每個(gè)通道均具有最大52 dB的增益,、完全差分信號(hào)路徑以及有源輸入前置放大器終端，且都專門針對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍與低功耗而優(yōu)化設(shè)計(jì),。
LNA具有單端轉(zhuǎn)差分增益,，可以通過SPI進(jìn)行選擇。假設(shè)噪聲帶寬(NBW)為15 MHz且LNA增益為21.6 dB,，則LNA輸入信噪比(SNR)為94 dB,。CW多普勒模式下，各LNA輸出端驅(qū)動(dòng)一個(gè)I/Q解調(diào)器,。各解調(diào)器具有獨(dú)立可編程的相位旋轉(zhuǎn)和16種相位設(shè)置,。
從推車到便攜，如何做到減尺寸不減性能?
隨著智能化技術(shù)的發(fā)展,，便攜式醫(yī)療設(shè)備逐漸成了主流發(fā)展趨勢(shì)之一,。過去，實(shí)現(xiàn)超聲成像系統(tǒng)需要大量高性能發(fā)射電路和接收電路,，由此產(chǎn)生的是龐大且昂貴的推車式系統(tǒng),。不過如今系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠采用AD9671實(shí)現(xiàn)尺寸更小、成本更低,、更便攜的成像解決方案,，而其性能則接近推車式系統(tǒng)。
AD9671通過集成5Gb JESD204B接口,，與其它數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)相比,，可減少多達(dá)80%的超聲系統(tǒng) I/O 數(shù)據(jù)路由,。減少路由可滿足制造商設(shè)計(jì)小型、高性能超聲系統(tǒng)的需要,，在簡化超聲設(shè)備電路板設(shè)計(jì)的同時(shí),，更符合業(yè)界對(duì)更高數(shù)據(jù)速率、更多通道數(shù)和更佳圖像分辨率的要求,。
此外,，AD9671接收器能夠調(diào)理8通道射頻到基帶頻率數(shù)據(jù)，與其他器件相比,，可降低至少50%的系統(tǒng)FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)處理負(fù)擔(dān),。并且各通道均可單獨(dú)進(jìn)入省電模式，從而延長便攜式應(yīng)用的電池使用時(shí)間,。利用待機(jī)模式則可以快速上電,，以便開機(jī)重啟。在CW多普勒模式工作時(shí),，VGA,、AAF和ADC均進(jìn)入省電模式。不僅如此,，ADC還內(nèi)置多種功能特性,，例如可編程時(shí)鐘、數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn),、生成可編程數(shù)字測(cè)試碼等,，可使器件的靈活性達(dá)到最佳、系統(tǒng)成本降至最低,?？梢哉f這款8通道集成式接收器前端AD9671，專為中到高端便攜和手推車式超聲系統(tǒng)而設(shè)計(jì),。
超聲系統(tǒng)在當(dāng)前小型化趨勢(shì)下還面臨更多挑戰(zhàn),，包括：波束形成器的復(fù)雜度，要達(dá)到很高的圖形質(zhì)量,，必須有大量的波束形成通道;高復(fù)雜度進(jìn)而導(dǎo)致高功耗,，并且需要更多成像空間來實(shí)施，而隨著設(shè)備向小型化發(fā)展,，尤其是以提升圖像質(zhì)量為目標(biāo)時(shí),，散熱問題變得很重要。
本文介紹的AD9671僅僅只是ADI醫(yī)療超聲系統(tǒng)解決方案的其中一款產(chǎn)品,，還有一系列種類豐富的前端,、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,、信號(hào)處理和電源管理解決方案供用戶選擇,，包括SNR性能的改進(jìn)在諧波成像(HI)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)的線性發(fā)射解決方案等,，可以使推車式和便攜式超聲設(shè)備達(dá)到最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗和成本,。
如今系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠采用AD9671實(shí)現(xiàn)尺寸更小,、成本更低、更便攜的成像解決方案,，而其性能則接近推車式系統(tǒng),。