概述

通過發射超聲能量進入人體(ti) ，接收並處理返回的反射信號，相控陣超聲係統可以生成體(ti) 內(nei) 器官和結構的圖像，映射血液流動和組織運動，同時提供高準確度的血流速度信息。傳(chuan) 統設計中，構建這樣的成像係統需要大量的高性能相控陣發射器和接收器，使得車載設備體(ti) 積龐大且價(jia) 格昂貴。近年來，隨著集成工藝的進步，設計人員能夠獲得小尺寸、低成本而且高度便攜的成像係統方案，並可達到接近大型成像設備的性能指標。而新的設計挑戰依然存在，即在進一步提高方案集成度的同時提高係統性能和診斷能力。

傳(chuan) 感器

成像係統的關(guan) 鍵器件是超聲傳(chuan) 感器。典型的超聲成像係統需要使用各種傳(chuan) 感器支持特定的診斷要求。每個(ge) 傳(chuan) 感器由一組壓電傳(chuan) 感器單元陣列構成，它們(men) 集中能量並發射到人體(ti) 內(nei) 部，然後接收相應的反射信號。每個(ge) 單元通過纖細的同軸電纜連接到超聲係統。通常，傳(chuan) 感器由32至512個(ge) 單元構成，工作頻率為(wei) 1MHz至15MHz。多數超聲係統提供兩(liang) 個(ge) 至四個(ge) 傳(chuan) 感器轉換接口，臨(lin) 床醫生可根據不同的檢測類型方便地更換傳(chuan) 感器。

高壓複用開關(guan)

典型的相控陣超聲係統配備了32至256個(ge) 發射器和接收器。多數情況下，係統配備的發射器和接收器的數量少於(yu) 傳(chuan) 感器單元的數量。這些情況下，需要在傳(chuan) 感器或係統中安裝高壓開關(guan) ，用於(yu) 信號複用，開關(guan) 連接在特定的傳(chuan) 感器單元和發送器/接收器(Tx/Rx)對之間。由此，係統能夠在所提供的傳(chuan) 感器陣列中動態改變有效的傳(chuan) 感器孔徑。

成像係統對高壓開關(guan) 的要求主要包括幾個(ge) 方麵：必須能夠承受電壓擺幅高達200VP-P且峰值電流高達2A的發射脈衝(chong) ;開關(guan) 必須能夠迅速切換，以快速調整有效孔徑、滿足圖像幀率的要求;最後，這些開關(guan) 還必須具有極小的電荷注入，從(cong) 而避免雜散傳(chuan) 輸以及相關(guan) 的虛假圖像。

高壓發射機

數字發射波束成形器用於(yu) 產(chan) 生所要求的數字發射信號，以正確的時間和相位生成聚焦發射信號。高性能超聲係統可通過任意波形發生器產(chan) 生複雜的發射波形，從(cong) 而優(you) 化圖像質量。這些情況下，發射波束成形器以大約40MHz速率生成8位至10位數字字符，並以此產(chan) 生所要求的發射波形。數/模轉換器(DAC)將數字波形轉換成模擬信號，通過線性高壓放大器進行放大，用於(yu) 驅動傳(chuan) 感器單元。由於(yu) 這種發射技術占用較大體(ti) 積，而且價(jia) 格昂貴、需要消耗較高能量，所以，這種架構隻限於(yu) 昂貴的非便攜設備。多數超聲係統並不使用這種發射波束成形技術，而是采用多級高壓脈衝(chong) 發生器產(chan) 生需要發射的信號。在這種替代方案中，利用高集成度、高壓脈衝(chong) 發生器快速切換傳(chuan) 感器單元至適當的可編程高壓電源，產(chan) 生發射波形。為(wei) 了產(chan) 生一個(ge) 簡單的兩(liang) 極發射波形，脈衝(chong) 發生器需要交替地將傳(chuan) 感器單元切換到由數字波束成形器控製的正、負發射電壓。更複雜的設計可以讓傳(chuan) 感器單元切換至多路電源和地，從(cong) 而產(chan) 生更複雜、性能更好的多重波形。

近幾年，隨著二次諧波成像的廣泛應用，高壓脈衝(chong) 發生器對於(yu) 斜率和對稱性的要求越來越高。二次諧波成像利用了人體(ti) 的非線性聲學特性。這些非線性特性傾(qing) 向於(yu) 將頻率fo的聲能轉變成2fo頻率。多種原因使得接收二次諧波信號能夠獲得更高的圖像質量，因此，二次諧波成像得到了廣泛應用。

二次諧波成像有兩(liang) 種基本的實現方法。一種稱為(wei) 標準諧波成像，盡可能抑製發射信號的二次諧波，從(cong) 而使接收到的二次諧波主要源於(yu) 人體(ti) 的非線性。這種模式要求二次諧波的發射能量至少低於(yu) 基波能量50dB。所以，發射脈衝(chong) 的占空比要求是準確的50%且誤差小於(yu) ±0.2%。另一種方法稱為(wei) 脈衝(chong) 反相，利用反相後的發射脈衝(chong) 產(chan) 生同一圖像路徑的相位相反的兩(liang) 路接收信號。在接收器中對這兩(liang) 路反相接收信號求和，恢複由於(yu) 人體(ti) 非線性產(chan) 生的諧波信號。這種脈衝(chong) 反相的方法必須在疊加時盡可能抵消發射脈衝(chong) 的反相成分。所以，高壓脈衝(chong) 發生器的上升時間和下降時間必須嚴(yan) 格一致。

成像通道接收機

超聲成像通道的接收機用於(yu) 檢測二維(2D)信號以及彩超流體(ti) 成像所需的脈衝(chong) 多普勒(PWD)信號和頻譜PWD。接收機包括Tx/Rx開關(guan) 、低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)和模/數轉換器(ADC)。

Tx/Rx開關(guan)

Tx/Rx開關(guan) 可以保護低噪聲放大器免受高壓發射脈衝(chong) 的影響，同時在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發射機。該開關(guan) 一般采用一組正確偏置的二極管陣列實現，當有高壓發射脈衝(chong) 出現時，它們(men) 會(hui) 自動閉合或斷開。Tx/Rx開關(guan) 必須具備很快的恢複時間，以保證接收機在發射一個(ge) 脈衝(chong) 後能夠立刻開啟。這些快速恢複時間對於(yu) 淺埋成像和提供低導通電阻確保接收靈敏度至關(guan) 重要。

低噪聲放大器(LNA)

接收機中的LNA必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對於(yu) 設計合理的接收機，LNA將決(jue) 定整個(ge) 接收機的噪聲性能。傳(chuan) 感器單元通過較長的同軸電纜連接到相應的低阻抗LNA的輸入端。如果沒有適當的電纜終端匹配，電纜電容和傳(chuan) 感器單元的源阻抗將大大製約從(cong) 寬帶傳(chuan) 感器接收信號的帶寬。傳(chuan) 感器電纜匹配至低阻，有助於(yu) 降低這一濾波的影響，有效提高圖像質量。不幸的是，這種端接也降低了LNA的輸入信號，因而降低接收靈敏度。由此可見，為(wei) LNA提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。#p#分頁標題#e#

可變增益放大器(VGA)

VGA有時也稱為(wei) 時間增益控製(TGC)放大器，能夠在整個(ge) 接收周期內(nei) 為(wei) 接收機提供足夠的動態範圍。超聲信號在體(ti) 內(nei) 大約每秒傳(chuan) 輸1540米，往返衰減率為(wei) 1.4dB/cm-MHz。發射一個(ge) 超聲脈衝(chong) 後，可立即在LNA輸入接收到高達0.5VP-P的回波信號，該信號會(hui) 快速跌落到傳(chuan) 感器單元的熱噪聲基底。接收該信號所要求的動態範圍約為(wei) 100dB至110dB，超出了實際ADC的輸入量程。因此，需要利用VGA 將信號轉換成與(yu) ADC量程相當的信號幅度。典型應用中采用12位ADC，要求VGA能夠提供30dB至40dB的增益。增益隨時間調整(即“時間增益控製”)，實現所要求的動態範圍。