超声成像系统和主要子功能所需的电气元件概述

本应用笔记介绍了超声成像系统。它讨论了更小、成本更低、更便携的成像解决方案的趋势，同时解释了保持大型推车系统中的性能和诊断功能所需的条件。概述了超声系统的系统子功能和电气组件。本文重点讨论传感器、高压多路复用、高压发送器、图像路径接收器、数字波束成形器、波束成形数字信号处理和显示处理。

概述

通过将声能传输到体内并接收和处理返回的反射，相控阵超声系统可以生成内部器官和结构的图像，绘制血流和组织运动图，并提供高度准确的血流速度信息。从历史上看，实现这些成像系统所需的大量高性能相控阵发射器和接收器导致了基于推车的大型且昂贵的实施。最近，集成的进步使系统设计人员能够迁移到更小、成本更低、更便携的成像解决方案，其性能接近这些大型系统。未来的挑战是继续推动这些解决方案的集成，同时提高其性能和诊断能力。

传感器

该系统的一个关键部件是超声换能器。典型的超声成像系统使用针对特定诊断应用优化的各种换能器。每个换能器由一系列压电换能器元件组成，这些元件将聚焦的能量传输到体内并接收产生的反射。每个元件都通过细同轴电缆连接到超声系统。典型的换能器有32到512个晶片，工作频率为1MHz至15MHz。大多数超声系统提供两到多达四个可切换的换能器连接器，使临床医生能够轻松地在每种检查类型的各种换能器之间切换。

高压多路复用

典型的相控阵超声系统将有32到256个发射器和接收器。在许多情况下，系统的发射器和接收器将少于可用传感器元件的数量。在这些情况下，位于传感器或系统中的高压开关用作多路复用器，将特定的传感器元件连接到特定的发射器/接收器（Tx/Rx）对。通过这种方式，系统可以在可用的探头元件阵列上动态改变有源探头孔径。

对这些开关的要求非常严格。它们必须处理电压摆幅高达 200V 的发射脉冲P-P峰值电流高达2A。它们必须快速切换，以快速修改有效光圈的配置并最大化图像帧速率。最后，它们必须具有最小的电荷注入，以避免杂散传输和相关的图像伪影。

超声成像系统的功能框图。

高压变送器

数字发射波束成形器通常以适当的时序和相位生成必要的数字发射信号，以产生聚焦的发射信号。高性能超声系统将使用任意波形发生器生成复杂的发射波形，以优化图像质量。在这些情况下，发射波束形成器以大约8MHz的速率生成数字10位至40位字，以产生所需的发射波形。数模转换器（DAC）用于将数字波形转换为模拟信号，然后由线性高压放大器放大以驱动传感器元件。这种传输技术通常保留给更昂贵和更不便携的系统，因为它可能非常大、昂贵且耗电。因此，大多数超声系统不使用这种发射波束成形技术，而是使用多电平高压脉冲发生器来产生必要的发射信号。在这种高度集成的替代实现中，高压脉冲发生器将传感器元件快速切换到适当的可编程高压电源，以生成发射波形。为了产生简单的双极性发射波形，发射脉冲发生器交替地将元件连接到由数字波束成型器控制的正负发射电源电压。更复杂的实现允许连接到多个电源和接地，以生成具有更好特性的更复杂的多电平波形。

近年来，由于二次谐波成像的普及，高压脉冲发生器的压摆率和对称性要求有所增加。二次谐波成像利用了人体的非线性声学特性。这些非线性倾向于将fo处的声能转换为2f处的能量o.由于各种原因，接收这些二次谐波信号产生了更好的图像质量，现在被广泛使用。

有两种基本方法可用于实现二次谐波成像。在一种称为标准谐波成像的方法中，尽可能抑制发射信号的二次谐波。因此，接收到的二次谐波完全来自物体的非线性行为。这种工作模式要求发射能量的二次谐波含量至少低于基波50dB。为此，发射脉冲的占空比必须小于完美的0%占空比的±2.50%。另一种方法称为脉冲反转，它使用反相发射脉冲沿同一图像线生成两个反相接收信号。接收器中这两个反相接收信号的总和可恢复体内非线性过程产生的谐波信号。在这种脉冲反转方法中，相加的反相发射脉冲必须尽可能多地抵消。为此，高压脉冲发生器的上升和下降时间必须非常接近。

图像路径接收器

超声图像路径接收器用于检测彩色流成像和光谱PWD所需的2D和脉冲波多普勒（PWD）信号。接收器包括一个发射/接收开关;低噪声放大器 （LNA）;可变增益放大器 （VGA）;抗混叠滤波器 （AAF）;和一个模数转换器 （ADC）。

发射/接收开关

Tx/Rx开关保护LNA免受高压发射脉冲的影响，并在接收间隔期间将LNA的输入与发射器隔离。该开关通常使用一组适当偏置的二极管来实现，当出现高压发射脉冲时，这些二极管会自动打开和关闭。Tx/Rx开关必须具有快速恢复时间，以确保接收器在发射脉冲后立即开启。这些快速恢复时间对于浅层成像和提供低导通阻抗以确保保持接收器噪声灵敏度至关重要。

低噪声放大器 （LNA）

接收器中的LNA必须具有出色的噪声性能和足够的增益。在设计合理的接收器中，LNA通常会决定整个接收器的噪声性能。传感器元件通过相对较长的同轴传感器电缆连接到LNA，该电缆在LNA的输入端端以相对较低的阻抗端接。如果没有适当的端接，电缆电容与换能器元件的源阻抗相结合，会显著限制从宽带换能器接收信号的带宽。将换能器电缆端接为低阻抗可降低这种滤波效果，并显著提高图像质量。不幸的是，这种端接还会降低LNA输入端的信号电平，因此往往会降低接收器的灵敏度。因此，LNA必须具有有源输入端接能力，以提供这些条件下所需的必要低输入阻抗端接和出色的噪声性能。

可变增益放大器 （VGA）

VGA（有时称为时间增益控制（TGC）放大器）在整个接收周期内为接收器提供足够的动态范围。超声波信号以每秒约1540米的速度在体内传播，并以约1.4dB / cm-MHz往返速率衰减。在声学发射脉冲之后，LNA输入端接收到的“回波”信号可高达0.5VP-P.该信号迅速衰减到换能器元件的本底热噪声。接收此信号所需的动态范围约为100dB至110dB，远远超出实际ADC的范围。因此，VGA用于将该信号映射到ADC。需要增益约为30dB至40dB的VGA，才能将接收信号映射到本应用中使用的典型12位ADC。增益作为时间的函数斜坡上升（即“时间增益控制”），以实现此动态范围映射。

超声接收器的瞬时动态范围也非常重要;它会影响2D图像质量以及系统检测多普勒频移的能力，从而影响血液或组织运动。在二次谐波成像中尤其如此，其中目标的二次谐波信号可能明显小于发射基波处的信号。在多普勒模式下也是如此，其中小多普勒信号可以位于来自组织或血管壁的非常大的信号的1kHz或更小的范围内。因此，宽带和近载波SNR都是主要关注点，并且通常受到接收器这一阶段的限制。

抗锯齿滤波器 （AAF） 和 ADC

接收链中的AAF可防止超出正常最大成像频率的高频噪声和外来信号被ADC混叠回基带。很多时候，设计中提供了可调节的 AAF。为了避免混叠并保持信号的时域响应，滤波器本身需要衰减超过第一奈奎斯特区的信号。因此，使用巴特沃斯或更高阶贝塞尔滤波器。

此应用中使用的ADC通常为12位器件，运行速率为40Msps至60Msps。该转换器以可接受的成本和功率水平提供必要的瞬时动态范围。在设计合理的接收器中，该ADC应限制接收器的瞬时SNR。然而，如前所述，性能不佳的VGA的限制多次限制了接收器SNR性能。

数字波束成形器

ADC的输出信号通常通过高速LVDS串行接口路由到数字接收波束成形器。这种方法降低了 PC 板 （PCB） 的复杂性和接口引脚的数量。波束成形器包含上变频低通或带通数字滤波器，可将有效采样率提高多达 4 倍，从而提高系统的波束成形分辨率。这些上变频信号存储在存储器中并适当延迟，然后由延迟系数计算器求和以产生适当的焦点。在求和之前，使用切趾计算器对信号进行适当的加权或“切趾”。此步骤适当地窗口接收孔径，以降低接收光束的旁瓣干扰并提高图像质量。

波束成形数字信号处理

接收、波束成形的数字超声信号使用各种 DSP 和现成的基于 PC 的计算机解决方案处理用于视觉和音频输出。这个过程通常可以分为B模式或2D图像处理，以及与彩色流图像生成相关的多普勒处理以及PWD和连续波多普勒（CWD）光谱处理。

B 模式处理

在B模式处理中，RF波束成形数字信号被正确滤波和检测。检测到的信号具有极宽的动态范围，B模式处理器必须将其数字压缩为可用于显示器的可见动态范围。

色流处理

在色流处理中，RF数字波束成形数据通过在发射频率上使用正交本振（LO）进行数字混合，以将复杂的混频转换为I和Q基带信号。因此，声学接收线的每个样本都分配了相关的幅度和相位值。在彩色流处理中，通常沿同一图像路径线收集8到16条声线，以测量多普勒频移。来自移动血流或沿该图像路径移动组织的反射将产生多普勒频移，从而改变发生该频移的基带I / Q样本的相位。颜色处理器确定 8 到 16 行上沿该图像路径的每个点的平均相移与时间的关系;处理器还会分配一种颜色来表示该平均速度。通过这种方式，可以制作血液或组织运动的二维颜色表示。

光谱多普勒

在频谱处理中，波束成形数字信号经过数字滤波，在发射频率处使用正交本振（LO）混频到基带，然后在发射脉冲重复频率（PRF）下采样。使用复杂、快速的傅里叶变换（FFT）生成表示信号速度含量的输出频谱。计算并压缩FFT输出每个箱的信号幅度，以优化可用的可见显示动态范围。信号幅度最终在超声显示器上显示与时间的关系。

使用CWD，信号的处理方式大致相同。除了处理这些信号以进行显示外，频谱处理器还生成表示正负速度的左右立体声音频信号。DAC转换这些信号，用于驱动外部扬声器和耳机。

显示处理

显示处理器执行必要的计算，将来自 B 模式或颜色流处理器的极坐标声学图像数据映射到矩形坐标位图图像，以避免图像伪影。这种处理通常称为 R-θ 转换。显示处理器还执行其他空间图像增强滤波功能。

连续波多普勒 （CWD）

CWD是大多数心脏和通用超声成像系统中可用的一种方式，它用于准确测量通常在心脏中发现的高速血流。在CWD模式下，可用的超声换能器元件围绕换能器孔径的中心分成相等的两半。一半的元件用作发射器以产生聚焦的声学CWD发射光束;另一半元件用作接收器以产生聚焦的接收光束。施加到发射元件的信号是目标多普勒频率的方波，通常为1MHz至7.5MHz。需要将发射抖动降至最低，以避免产生可能对多普勒相移检测产生不利影响的相位噪声。通过正确定相施加到发射元件的信号来聚焦发射光束。以类似的方式，CWD接收信号通过对来自每个接收元件的信号进行定相和求和来聚焦。由于在这种模式下发射器与接收器同时开启，因此感兴趣的多普勒信号通常与非常大的接收信号相距几千赫兹，该接收信号由发射基波处静止组织的反射产生。处理这种大信号所需的动态范围远远超出了镜像接收路径中VGA、AAF和12位ADC的范围。因此，需要一种用于CWD的替代高动态接收解决方案。

CWD接收器通常以两种方式之一实现。在一种方法中，高性能超声系统通常在LNA输出端提取接收到的CWD信号。然后使用LO频率等于发射频率的复数混频器对信号进行波束成形，并将其混频到基带进行处理。I/Q LO的相位可以逐通道调整，以改变接收到的CWD信号的相位。这些混频器的输出由ADC求和、带通滤波和转换。产生的基带波束成形信号在音频范围（100Hz至50kHz）内。音频ADC用于对I和Q CWD信号进行数字化处理。这些ADC需要较大的动态范围来处理来自移动组织的大低频多普勒信号和来自血液的较小信号。

接收CWD信号的另一种方法使用延迟块，通常用于低成本系统。在此实现中，再次在LNA的输出端提取信号并将其转换为电流信号。交叉点开关将相位相似的通道相加为 8 到 16 个独立的输出信号，由接收波束成型器确定。延迟块用于延迟并将这些信号汇总为RF频率的单个波束成形信号。然后使用在发射频率处具有LO的I/Q混频器将该信号混频到基带。所得基带音频信号被滤波并转换为数字表示。

审核编辑：郭婷