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连续多普勒（CW）脉冲多普勒(PW)的区别

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考虑设计超声成像系统和主要子功能电子元件

By: John Scampini

摘要 :该应用笔记介绍了超声成像系统的设计考虑，并讨论了成像系统小型化、低成本和便携化发展趋势还阐述了大型车载系统在小型系统中实现性能和诊断能力的重要条件。本文讨论了超声波系统的子功能和对电子元件的要求，重点讨论了传感器、高压复用器、高压发射机、成像通道接收器、数字波束成形、波束成形数字信号处理和显示处理。

概述

通过发射超声能量进入人体，接收并处理返回的反射信号，相控阵超声系统可以生成体内器官和结构的图像，映射血液流动和组织运动，同时提供高准确度的血流速度信息。在传统的设计中，建立这样的成像系统需要大量的高性能相控阵发射器和接收器，使车载设备体积大，价格昂贵。近年来，随着集成技术的进步，设计师可以获得小尺寸、低成本、高度便携的成像系统方案，并达到接近大型成像设备的性能指标。新的设计挑战依然存在，即在进一步提高方案集成度的同时，提高系统性能和诊断能力。

传感器

超声传感器是成像系统的关键装置。典型的超声成像系统需要使用各种传感器来支持特定的诊断要求。每个传感器由一组压电传感器单元阵列组成，集中能量并发射到人体内部，然后接收相应的反射信号。超声系统通过纤细的同轴电缆连接到每个单元。传感器通常由32到512个单元组成，工作频率为1MHz至15MHz。多数超声系统提供两个至四个传感器转换接口，临床医生可根据不同的检测类型方便地更换传感器。

高压复用开关

典型的相控阵超声系统配备了32至256个发射器和接收器。在大多数情况下，系统配备的发射器和接收器的数量少于传感器单元。在这种情况下，高压开关需要安装在传感器或系统中进行信号重用。开关连接到特定的传感器单元和发送器/接收器(Tx/Rx)对之间。因此，系统可以在提供的传感器阵列中动态改变有效的传感器孔径。

成像系统对高压开关的要求主要包括几个方面：电压摆幅必须高达200VP-P峰值电流高达2A发射脉冲；为了快速调整有效孔径，满足图像帧率的要求，必须能够快速切换开关；最后，这些开关还必须注入极小的电荷，以避免杂散传输和相关虚假图像。

关于超声成像系统的功能框图。Maxim请参考推荐的超声方案：china.maximintegrated.com/ultrasound。

高压发射机

数字发射波束成形器用于在正确的时间和相位生成所需的数字发射信号。高性能超声系统可以通过任何波形发生器产生复杂的发射波形，从而优化图像质量。在这种情况下，发射波束成形器约为40MHz为了产生所需的发射波形，速率生成8位至10位数字符。数/模转换器(DAC)通过线性高压放大器将数字波形转换为模拟信号，以驱动传感器单元。由于这种发射技术体积大，价格昂贵，能量消耗高，这种结构仅限于昂贵的非便携式设备。大多数超声系统不使用这种发射波束成形技术，而是使用多级高压脉冲发生器产生需要发射的信号。在此替代方案中，传感器单元快速切换到适当的可编程高压电源，产生发射波形。脉冲发生器需要将传感器单元交替切换到由数字波束成形器控制的正负发射电压，以产生简单的两极发射波形。更复杂的设计可以将传感器单元切换到多路电源和地面，从而产生更复杂、更好的多波形。

近年来，随着二次谐波成像的广泛应用，高压脉冲发生器对斜率和对称性的要求越来越高。二次谐波成像利用了人体的非线性声学特性。这些非线性特性倾向于频率fo声能转化为2fo频率。由于各种原因，接收二次谐波信号可以获得更高的图像质量，因此，二次谐波成像得到了广泛的应用。

二次谐波成像有两种基本的实现方法。一种称为标准谐波成像，尽可能抑制发射信号的二次谐波，使接收到的二次谐波主要来自人体的非线性。该模式要求二次谐波的发射能量至少低于基波能量50dB。因此，发射脉冲的比例是准确的50%，误差小于±0.2%。另一种方法称为脉冲反相，利用反相后的发射脉冲产生相位相反的两个接收信号。在接收器中，由人体非线性产生的谐波信号恢复两个反相接收信号。在叠加过程中，必须尽可能抵消发射脉冲的反相成分。因此，高压脉冲发生器的上升时间必须严格一致。

成像通道接收器

用于检测二维(2)超声成像通道的接收器D)多普勒脉冲体成像所需的脉冲多普勒(PWD)信号和频谱PWD。接收机包括Tx/Rx低噪，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(ADC)。

Tx/Rx开关

Tx/Rx开关可保护低噪声放大器免受高压发射脉冲的影响，隔离低噪声放大器的输入和发射机。当高压发射脉冲出现时，偏置的二极管阵列，当高压发射脉冲出现时，它们会自动关闭或断开。Tx/Rx开关必须有快速的恢复时间，以确保接收器在发射脉冲后立即打开。这些快速恢复时间对于浅埋成像和提供低导通电阻确保接收灵敏度至关重要。

低噪声放大器(LNA)

接收机中的LNA噪声性能优异，增益充足。设计合理的接收机，LNA整个接收个接收器的噪声性能。传感器单元通过长同轴电缆连接到相应的低阻抗LNA的输入端。如果没有适当的电缆终端匹配，电缆电容器和传感器单元的源阻抗将极大地限制从宽带传感器接收信号的带宽。将传感器电缆匹配到低阻，有助于减少滤波器的影响，有效提高图像质量。不幸的是，这种端接也减少了LNA因此，输入信号降低了接收灵敏度。由此可见，为LNA在上述条件下，提供必要的低输入阻抗端接和优异的噪声性能非常重要。

可变增益放大器(VGA)

VGA有时也叫时间增益控制(TGC)在整个接收周期中，放大器可以为接收器提供足够的动态范围。超声信号在体内每秒传输约1540米，往返衰减率为1.4dB/cm-MHz。超声脉冲发射后，可立即发射LNA输入接收高达0.5VP-P传感器单元的热噪声基底会迅速下降。接收信号所需的动态范围约为100dB至110dB，超出了实际ADC输入量程。因此，需要使用VGA 将信号转换为和ADC量程相当于信号范围。典型应用中使用12位ADC，要求VGA能够提供30dB至40dB的增益。随时调整增益(即时间增益控制)，实现所需动态范围。

超声接收器的瞬态动态范围也很关键，会影响2D图像质量和系统检测多普勒偏移（血液或组织运动）的能力，特别是在二次谐波成像系统中，二次谐波信号明显低于发射信号的基波。对于小的多普勒信号，多普勒信号的频率可能是1kHz范围远低于组织或血管壁的反射信号。因此，需要特别注意可变增益放大器的带宽和近载波SNR，这些参数通常是限制接收机性能的关键。

抗混叠滤波器(AAF)和ADC

抗混叠滤波器AAF用于过滤高频噪声和超出正常最大成像频率成像频率范围的高频噪声和信号，防止这些信号通过ADC将混合物转换为基带。大多数设计都是可调节的AAF，滤波器需要衰减第一奈奎斯特频率以外的信号，以抑制混合并确保信号的时域响应。因此，经常使用巴特沃斯滤波器或更高级别的贝塞尔滤波器。

典型应用中使用12位ADC，采样率一般为40Msps至60Msps之间。ADC具有适当的成本和功耗，提供必要的瞬态动态响应范围。在设计得当的接收器中，ADC接收通道的瞬态限制SNR。如上所述，性能差VGA整个接收通道将受到限制SNR指标。

数字波束成形器

ADC高速输出信号LVDS串口传输给数字接收波束成形器。这种传输方式降低了PCB接口引脚的设计复杂性和数量。波束成形器内置变频低通滤波器或数字滤波器，将有效采样速率提高4倍，提高系统波束成形精度。上变频信号存储在内存中，经过适当的延迟，通过延迟系数加法器叠加，得到适当的焦点。在叠加前进行适当的加权或变迹，可调节接收孔径，减少旁瓣对接收波束的影响，提高图像质量。

处理波束形成的数字信号

接收到的波束成形数字超声信号由DSP和基于PC视频和音频输出信号可分为B超或2D多普勒处理分为脉冲多普勒处理和彩色超声流体成像信息(PWD)波多普勒的处理和连续性(CWD)处理。

B超处理

B超处理中，RF通过滤波和检波处理波束成形数字信号。检测信号具有极宽的动态范围，B超处理器必须数字压缩这些信号，以达到显示器规定的动态范围。

彩超流体信号处理

处理彩超流体信号时，RF数字波束成形信号和正交本振信号(LO，频率为发射频率)进行混频，得到I、Q基带信号。每个接收通道采集的超声信号都有相应的范围和相位。在彩超流体信号处理中，8-16路超声信号集中在一个测量多普勒频移的成像通道上。沿成像通道的血流或组织运动产生的反射信号具有一定的多普勒频移，从而改变了I/Q基带采样信号的相位。彩超流体处理器决定了8-16路超声信号的平均相移和时间关系。平均流速也用彩色表示。这样，血液或人体组织移动的二维造影成像就实现了。

多普勒频谱

波束成形数字在频谱处理中号经过数字滤波，并通过正交本振信号(LO，频率为发射频率)混频至基带信号，然后以发射脉冲重复频率(PRF)进行采样。利用复杂的快速傅里叶变换(FFT)获得多普勒频谱，以重现接收信号的速度信息。FFT输出的每个二进制信号幅度经过计算和压缩，使其达到显示图像所要求的动态范围。最终信号幅度作为时间函数，显示在超声设备的显示屏上。

在连续波多普勒(CWD)成像系统中，信号处理的过程基本相同。除了处理这些显示信号外，频谱处理器还产生左、右声道的立体声音频信号，表示正向和负向运动。DAC对这些信号进行转换，驱动外部扬声器和耳机。
 

显示处理

显示处理器进行必要的计算，绘制极坐标图。B超中的声音、图像数据或彩超流体信息被处理成矩形位图，从而消除图像中的杂散信号。这一过程通常称为R-θ变换，显示处理器还提供空间图像增强功能。
 

连续波多普勒(CWD)

多数的心脏检查和一些通用的超声成像系统中，常常使用连续波多普勒CWD以确保精确测量心脏内高速流动的血液。CWD模式下，超声传感器单元以传感器孔径为中心分割成对等的两部分。一半单元用于发射，产生CWD聚焦波束；另一半单元用于接收，产生聚焦的接收波束。发射单元的驱动波形为多普勒频率的方波，频率范围通常为1MHz至7.5MHz。发射波形的抖动必须足够小，以防止相位噪声对多普勒频移检测的影响。通过正确调整发射波形的相位，实现发射波束聚焦。类似地，通过正确调整接收波形的相位并进行叠加，实现CWD接收信号聚焦。在此模式下，发射和接收同时进行，有用的多普勒信号频率和不移动的人体组织在发射基波频率下产生的强反射信号的频率相差只有几kHz。处理如此大的信号所需要的动态范围已经超出了图像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的范围。因此，CWD必须使用其它高动态范围接收解决方案。

CWD接收机通常使用两种方法处理CWD信号。第一种方法是高性能超声系统在LNA输出端提取接收到的CWD信号。本振频率等于发送频率的混频器对信号进行波束成形，再混频至基带进行处理。I/Q本振信号可以逐通道调整相位，对接收到的CWD信号相位进行偏移。混频器输出相叠加，经带通滤波器，最后进入ADC进行采样。采样得到的基带波束信号处于音频范围(100Hz至50kHz)，采用工作在音频频率范围的ADC对I和Q CWD信号进行数字化。这些ADC需要出色的动态范围，以便处理运动组织产生的较大的低频多普勒信号和血液产生的微弱信号。

另一种方法是使用延迟线接收CWD信号，该方法常用于低成本设备。在此方法中，信号还是从LNA输出提取，然后转化成电流信号。通过一个交叉开关对相同相位的通道进行叠加，产生8至16路独立输出，具体由接收波束成形器决定。延迟线产生延迟，并将这些信号求和构成一路波束成形RF信号，然后利用一个本振频率等于发送频率的I/Q混频器将信号混频至基带，然后将基带音频信号滤波后，转换至数字形式。