高性能模拟前端信号链解决方案如何助力医疗超声系统发展

1942年，奥地利TDussik使用A型超声成像系统穿透性探测颅脑，并于1949年获得头部的超声图像，此举昭示超声系统进入到医疗领域。直到如今，超声系统作为用于人体内部的无创可视化技术，被广泛用于医疗领域。最近一份报告称到2022年，中国医疗超声诊断仪器行业的市场规模预计将达到15.8亿美元，保持6%左右的年均增长率。高性能模拟信号链前端是超声设备的关键组成部分，作为高性能模拟技术主要的提供商ADI将医疗健康领域作为其战略市场之一，为保证超声技术的可持续发展，ADI为超声系统关键的信号链功能模块提供了高度集成的解决方案，推动实现一流的临床成像设备。
 
超声系统的原理是通过向人体发射声学能量，然后接收并处理回波，从而产生内部器官和结构的图像，绘制血液流动和组织运动图，以及提供高度精确的血流速度信息。超声波扫描使用频率范围为1 MHz至18 MHz的声波脉冲，这些声波扫描人体内部组织并以不同强度的回波进行反射。然后实时采集这些回波，并显示为超声波扫描图，其中可能包含不同类型信息，如声阻抗、血流量、组织随时间的活动状态或其僵硬程度。
 
实现最佳医疗影像，数据采集模拟前端性能很关键

所以不难看出，想要提升超声系统的图片质量，其深藏于复杂机器内部的前端性能至关重要。医疗超声前端的关键功能模块由集成的多通道模拟前端(AFE)组成，它包括低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器(AAF)、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态范围。根据成像模式，该要求可能需要达到70 dB至160 dB，以便区分血液信号与探头和身体组织运动所产生的背景噪声。因此，ADC必须具有高分辨率、高采样速率和低总谐波失真(THD)，以保持超声信号的动态保真度。对此，ADI面向医疗超声设备提供的一款集成式AFE AD9671可实现最佳图像质量。

AD9671采用14位ADC，具有最高可达125 MSPS的采样速率和75 dB SNR性能，超声成像质量更佳。每个通道都经过优化，在连续波模式下具有160 dBFS/√Hz的高动态性能和62.5 mW的低功率。其内置8通道的可变增益放大器(VGA)、低噪声前置放大器(LNA)、具有可编程相位旋转功能的CW谐波抑制I/Q解调器、抗混叠滤波器(AAF)、模数转换器(ADC)以及用于处理数据和降低带宽的数字解调器和抽取器。每个通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信号路径以及有源输入前置放大器终端，且都专门针对高动态范围与低功耗而优化设计。
 
LNA具有单端转差分增益，可以通过SPI进行选择。假设噪声带宽(NBW)为15 MHz且LNA增益为21.6 dB，则LNA输入信噪比(SNR)为94 dB。CW多普勒模式下，各LNA输出端驱动一个I/Q解调器。各解调器具有独立可编程的相位旋转和16种相位设置。
 
从推车到便携，如何做到减尺寸不减性能？
 
随着智能化技术的发展，便携式医疗设备逐渐成了主流发展趋势之一。过去，实现超声成像系统需要大量高性能发射电路和接收电路，由此产生的是庞大且昂贵的推车式系统。不过如今系统设计人员能够采用AD9671实现尺寸更小、成本更低、更便携的成像解决方案，而其性能则接近推车式系统。
 
AD9671通过集成5Gb JESD204B接口，与其它数据接口标准相比，可减少多达80%的超声系统 I/O 数据路由。减少路由可满足制造商设计小型、高性能超声系统的需要，在简化超声设备电路板设计的同时，更符合业界对更高数据速率、更多通道数和更佳图像分辨率的要求。
 
此外，AD9671接收器能够调理8通道射频到基带频率数据，与其他器件相比，可降低至少50%的系统FPGA（现场可编程门阵列）处理负担。并且各通道均可单独进入省电模式，从而延长便携式应用的电池使用时间。利用待机模式则可以快速上电，以便开机重启。在CW多普勒模式工作时，VGA、AAF和ADC均进入省电模式。不仅如此，ADC还内置多种功能特性，例如可编程时钟、数据对准、生成可编程数字测试码等，可使器件的灵活性达到最佳、系统成本降至最低。可以说这款8通道集成式接收器前端AD9671，专为中到高端便携和手推车式超声系统而设计。
 
结语
 
超声系统在当前小型化趋势下还面临更多挑战，包括：波束形成器的复杂度，要达到很高的图形质量，必须有大量的波束形成通道；高复杂度进而导致高功耗，并且需要更多成像空间来实施，而随着设备向小型化发展，尤其是以提升图像质量为目标时，散热问题变得很重要。本文介绍的AD9671仅仅只是ADI医疗超声系统解决方案的其中一款产品，还有一系列种类丰富的前端、放大器、数据转换、信号处理和电源管理解决方案供用户选择，包括SNR性能的改进在谐波成像(HI)方面具有显著优势的线性发射解决方案等，可以使推车式和便携式超声设备达到最佳图像质量，并降低功耗和成本。