超聲系統(tǒng)進入到醫(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)計將達到15.8億美元，保持6%左右的年均增長率。高性能模擬信號鏈前端是超聲設(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)鍵的信號鏈功能模塊提供了高度集成的解決方案，推動實現(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，繪制血液流動和組織運動圖，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)部組織并以不同強度的回波進行反射。然后實時采集這些回波，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、組織隨時間的活動狀態(tài)或其僵硬程度。
實現(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、可變增益放大器、抗混疊濾波器(AAF)、ADC和解調(diào)器。對AFE最重要的要求之一是動態(tài)范圍。根據(jù)成像模式，該要求可能需要達到70 dB至160 dB，以便區(qū)分血液信號與探頭和身體組織運動所產(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)，以保持超聲信號的動態(tài)保真度。對此，ADI面向醫(yī)療超聲設(shè)備提供的一款集成式AFE AD9671可實現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量。
AD9671采用14位ADC，具有最高可達125 MSPS的采樣速率和75 dB SNR性能，超聲成像質(zhì)量更佳。每個通道都經(jīng)過優(yōu)化，在連續(xù)波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動態(tài)性能和62.5 mW的低功率。其內(nèi)置8通道的可變增益放大器(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。每個通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信號路徑以及有源輸入前置放大器終端，且都專門針對高動態(tài)范圍與低功耗而優(yōu)化設(shè)計。
LNA具有單端轉(zhuǎn)差分增益，可以通過SPI進行選擇。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)動一個I/Q解調(diào)器。各解調(diào)器具有獨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)展趨勢之一。過去，實現(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)計人員能夠采用AD9671實現(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)計的同時，更符合業(yè)界對更高數(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進入省電模式，從而延長便攜式應(yīng)用的電池使用時間。利用待機模式則可以快速上電，以便開機重啟。在CW多普勒模式工作時，VGA、AAF和ADC均進入省電模式。不僅如此，ADC還內(nèi)置多種功能特性，例如可編程時鐘、數(shù)據(jù)對準(zhǔn)、生成可編程數(shù)字測試碼等，可使器件的靈活性達到最佳、系統(tǒng)成本降至最低。可以說這款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。
超聲系統(tǒng)在當(dāng)前小型化趨勢下還面臨更多挑戰(zhàn)，包括：波束形成器的復(fù)雜度，要達到很高的圖形質(zhì)量，必須有大量的波束形成通道;高復(fù)雜度進而導(dǎo)致高功耗，并且需要更多成像空間來實施，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，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、信號處理和電源管理解決方案供用戶選擇，包括SNR性能的改進在諧波成像(HI)方面具有顯著優(yōu)勢的線性發(fā)射解決方案等，可以使推車式和便攜式超聲設(shè)備達到最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗和成本。
如今系統(tǒng)設(shè)計人員能夠采用AD9671實現(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)。