医疗超声与控制紧凑型系统中的噪声设计挑战

本文档解决了医学超声应用的设计挑战和解决方案。这尤其适用于紧凑型设计，因为它们的用途现已广泛应用于医疗保健领域。本说明重点介绍了通过模拟集成和噪声抑制来应对挑战。

对更便携式和低成本医学超声成像设备的需求对其设计产生了重大影响。本应用笔记回顾了使这些紧凑型超声系统成为可能的模拟集成的最新进展，然后讨论了与控制紧凑型系统中的噪声相关的一些设计挑战以及正确的前期系统设计的重要性。

在过去的十年中，医学超声成像设备经历了一场革命。集成电子技术的进步使设备制造商能够显着提高这种功能强大的医疗工具的便携性和可承受性。曾经重达数百磅，需要推车才能移动的东西，如今已经变成了便携式笔记本电脑的大小。毋庸置疑，对医学界和患者的影响是深远的。在发达国家，现在在患者的护理点使用超声波，这可以降低成本并改善结果。在发展中国家，超声成像现在可用于其主要是农村人口的更大比例的人群。这些新的，更便携式的低成本系统对全球医疗保健的影响是巨大的，并广受欢迎。

开发这些紧凑型成像解决方案的道路并不容易。随着制造商努力使这些系统更便携，更便宜，性能更高，已经存在并将继续存在巨大的设计挑战。本应用笔记重点介绍了该设备设计人员面临的一些更重要的设计挑战。

高质量成像和空间溢价

紧凑型超声系统的设计人员必须适合将大量高质量图像发送到可用的小空间所需的超声收发器。这不是简单的任务。当前最先进的系统通常拥有128个或更多这些收发器。典型的超声收发器框图如图1所示。为了产生超声图像，收发器的高压发射器会生成适当的定时高压脉冲，以激发超声换能器元件并产生聚焦的声波传输。来自该传输的声能被患者体内的阻抗不连续性反射，被相同的元件接收，并被路由回收发器的接收器部分。

超声波收发器框图显示了所需的各种功能。

接收器由发射/接收（T / R）开关，低噪声放大器（LNA），可变增益放大器（VGA），抗混叠滤波器（AAF）和模数转换器组成（ADC）。每个换能器元件都通过T / R开关连接到LNA，该开关可保护LNA输入免受高压发射信号的影响。LNA本身提供初始固定增益，以优化接收器的噪声性能。VGA用于补偿体内超声信号随时间的衰减，从而降低了后续ADC的动态范围要求。接收链中的AAF可以防止超出正常最大成像频率的任何高频噪声被ADC映射到接收频段。放大并数字化的信号在超声系统的数字波束形成器中被延迟和求和，以生成聚焦的接收波束形成信号。所得的数字信号用于生成2D图像以及脉冲模式多普勒信息。

接收器在LNA之后还有一条单独的连续波多普勒（CWD）接收器/波束形成器路径。在CWD模式下，接收机的动态范围要求非常苛刻，超出了VGA / ADC信号路径的范围。通过将接收到的信号与适当相位的本机振荡器（LO）混合并相加所得的基带信号，可以实现CWD波束成形。结果，CWD接收器模块由高动态范围模拟同相/正交（I / Q）混频器和可编程LO发生器组成。

可以看到，典型的收发器具有重要的功能，将其中128或更多的功能集成到PC大小的设备中是一项设计挑战。模拟IC制造商已通过更高度集成的解决方案来应对这一挑战。因此，现在很常见的是找到八进制接收器，包括最小10mm x 10mm的LNA，VGA，AAF和ADC。高压脉冲发生器现在也提供4通道和8通道单封装配置，尺寸小至10mm x 10mm。这些进步意义重大，并在使当前的便携式系统成为主流方面发挥了关键作用。然而，展望未来，会有更多的整合机会。

MAX2082超声收发器集成了完整的接收器，T / R开关，耦合电容器和3电平高压脉冲发生器。

MAX2082八通道收发器（图2）是高度集成的超声解决方案最新进展的一个例子。它包括完整的接收器，T / R开关，耦合电容器和3级高压脉冲发生器，并采用10mm x 23mm的单个封装。该单个收发器节省了大量空间，减少了设计时间，并降低了整体系统成本。

发射/接收（T / R）开关具有九个分立组件。在128通道系统中，仅这些开关就有1000多个分立部件。

这种高度集成的收发器可以节省大量空间。仅集成的T / R开关即可节省大量资金。考虑一下大多数现有超声系统中使用的典型离散T / R开关（图3）。此T / R开关实现中有九个分立组件。在128通道系统中，仅T / R开关功能就代表1000多个分立部件！

收发器电源管理

电源也是这些高度集成设计中的主要关注点。这些超声波系统中有许多是便携式的，两次充电之间必须用电池运行一个小时或更长时间。热量管理也存在问题，因为组件密度非常高，并且PCB之间的距离非常近，几乎没有空气流通的空间。超声波收发器占整个系统功率预算的很大一部分，因此，需要引起大量设计关注。

在过去的10年中，超声波接收器的功率已减少了一半。现在常见的IC接收器解决方案包括LNA，VGA，AAF和ADC，每个通道的功耗不到150mW。这些新一代接收器还具有更灵活的功率控制功能，允许用户在功率与性能之间进行权衡，并在系统处于非成像模式时利用低功率，快速唤醒的“小睡”模式来节省功率。

未来还有更多的改进机会。例如，由于需要大量的偏置电流来降低二极管的导通阻抗，以满足所需的噪声性能，因此T / R开关本身每个通道的耗电量可能会超过80mW。这几乎与接收器的其余部分一样强大！像上面提到的MAX2082收发器这样的产品中，较新的专有集成式T / R开关设计比这些分立设计具有更好的噪声性能，每通道不到15mW。

编辑：hfy