在設計超聲前端電路時，需要考慮主要的權衡取舍。前端電路組件的性能參數會影響診斷性能，相反，系統配置和目標也會影響組件的選擇。

設計人員必須了解特別重要的規格、它們對系統性能的影響，以及它們如何受到集成電路（IC）設計權衡（在集成和半導體工藝技術方面）的影響，這些權衡將限制用戶的設計選擇。了解這些考慮因素將有助于設計人員實現最有利的系統分區。我們從高層次的系統概述開始，然后更詳細地描述超聲系統的工作原理。

系統介紹

醫用超聲機是當今廣泛使用的最復雜的信號處理機器之一。與任何復雜機器一樣，由于性能要求、物理場和成本，在實現過程中需要權衡取舍。為了充分理解所需的前端IC功能和性能水平，需要一些系統級的理解，特別是對于：低噪聲放大器（LNA）;時間增益補償放大器（TGC）;和模數轉換器 （ADC）。

在超聲前端以及許多其他復雜的電子系統中，這些模擬信號處理組件是決定整體系統性能的關鍵因素。前端組件特性定義了系統性能的限制;一旦引入噪聲和失真，幾乎不可能消除它們。當然，這是任何接收信號處理鏈中的普遍問題，無論是超聲波還是無線。

有趣的是，超聲波基本上是一種雷達或聲納系統，但它的運行速度與這些系統相差幾個數量級。典型的超聲系統在概念上與商用和軍用飛機以及軍用飛機上的相控陣雷達系統幾乎相同。雷達在GHz范圍內工作，聲納在kHz范圍內工作，超聲波在MHz范圍內工作。超聲設計人員采用并擴展了使用相控陣的轉向波束原理，該原理由雷達系統設計人員發起。今天，這些系統涉及一些最先進的信號處理設備。

圖1顯示了超聲系統的簡化圖。在所有此類系統中，在相對較長（約2米）電纜的末端都有一個多晶探頭。該電纜包含 48 至 256 根極細同軸電纜，是系統中最昂貴的部件之一。在大多數系統中，幾種不同的探頭探頭（也稱為手柄——手柄是包含傳感器元件并通過電纜連接到系統的單元）可以連接到系統，允許操作員選擇合適的探頭以實現最佳成像。手柄通過高壓 （HV） 繼電器選擇，這在電纜上增加了大的寄生電容。

圖1.超聲系統框圖。

某些陣列中使用高壓多路復用器/解復用器來降低發送和接收硬件的復雜性，但以犧牲靈活性為代價。最靈活的系統是相控陣數字波束成形器系統——由于需要對所有通道進行全電子控制，它們也往往是最昂貴的系統。然而，當今最先進的前端IC，如AD8332可變增益放大器（VGA）和AD923812位模數轉換器（ADC）正在不斷降低每通道成本，因此即使在中低成本系統中，現在也引入了對所有元件的全電子控制。

在發射（Tx）側，Tx波束形成器確定設置所需發射焦點的延遲模式和脈沖序列。然后，波束成形器的輸出由驅動換能器的高壓發射放大器放大。這些放大器可能由數模轉換器（DAC）控制，以塑造發射脈沖，以便更好地將能量傳輸到換能器元件。通常，使用多個傳輸焦點區域（區域），也就是說，通過將傳輸能量集中在身體中逐漸更深的點來加深要成像的場。多區域的主要原因是，對于身體深處的點，傳輸能量需要更大，因為信號在進入體內（和返回）時會衰減。

在接收（Rx）側，有一個T/R開關，通常是二極管橋，用于阻止高壓Tx脈沖。其次是低噪聲放大器（LNA）和一個或多個可變增益放大器（VGA），它們實現時間增益補償（TGC），有時還實現切趾（空間“窗口化”以減少波束中的旁瓣）功能。時間增益控制 - 為來自身體深處的信號提供增加的增益（因此稍后到達） - 在操作員的控制下，用于保持圖像均勻性。

放大后，執行波束成形，以模擬（ABF）或數字（DBF）形式實現。在現代系統中，它大多是數字的，除了連續波（CW）多普勒處理，其動態范圍仍然太大，無法通過與圖像相同的通道進行處理。最后，對Rx光束進行處理以顯示灰度圖像，2-D圖像上的Colorflow疊加和/或多普勒輸出。

超聲系統挑戰

為了充分了解超聲的挑戰及其對前端組件的影響，重要的是要記住這種成像模式試圖實現的目標。首先，它應該準確表示人體的內部器官，其次，通過多普勒信號處理，它是確定體內的運動（例如，血流）。根據這些信息，醫生可以得出有關心臟瓣膜或血管正確功能的結論。

采集模式

有三種主要的超聲采集模式：B模式（灰度成像;2D）;F模式（彩色流或多普勒成像;血流）;和 D 模式（光譜多普勒）。B模式創建傳統的灰度圖像;F 模式是 B 模式顯示屏上顯示血流的顏色疊加層;D 模式是多普勒顯示器，可以顯示血流速度及其頻率。（還有一個 M 模式，它顯示單個 B 模式時間線。

醫療超聲的工作頻率在 1 MHz 至 40 MHz 范圍內，外部成像機通常使用 1 MHz 至 15 MHz 的頻率，而靜脈心血管機器使用的頻率高達 40 MHz。 原則上，更高的頻率更可取，因為它們提供更高的分辨率，但組織衰減限制了給定穿透距離的頻率。但是，不能任意增加超聲波頻率以獲得更精細的分辨率，因為信號會經歷約1 dB / cm / MHz的衰減;即，對于 10 MHz 超聲波信號和 5 cm 的穿透深度，往返信號已衰減 5 3 2 3 10 = 100 dB！為了在任何位置處理約60 dB的瞬時動態范圍，所需的動態范圍為160 dB（電壓動態范圍為1億比1）！這種幅度的動態范圍是無法直接實現的;因此，人們必須支付高度復雜系統的成本，并在前端進行權衡 - 穿透深度（由于允許的最大發射功率而受到安全法規的限制）或圖像分辨率（使用較低的超聲頻率）。

接收信號的大動態范圍是最嚴重的挑戰。前端電路必須同時具有極低噪聲和大信號處理能力，這是任何有通信需求經驗的人都熟悉的要求。電纜不匹配和損耗直接增加了系統的噪聲系數。例如，如果電纜在特定頻率下的損耗為 2 dB，則 NF 會降低 2 dB。這意味著電纜之后的第一個放大器的噪聲系數必須比無損電纜所需的噪聲系數低2 dB。解決這個問題的一種潛在方法是在換能器手柄中放置一個放大器。但是，存在嚴重的尺寸和功率限制;此外，由于需要高壓發射脈沖保護，因此這種解決方案難以實現。

另一個挑戰是換能器元件和主體之間的大聲阻抗不匹配。聲阻抗失配需要匹配層（類似于電阻抗匹配RF電路）才能有效地傳輸能量。這通常由手柄中換能器元件前面的幾個匹配層組成，然后是透鏡，然后是耦合凝膠。凝膠與身體建立了良好的聲學接觸，因為空氣是一種非常好的聲學反射器。

接收電路的另一個重要問題是快速過載恢復。盡管T/R開關應該保護接收器免受大脈沖的影響，但這些脈沖中泄漏開關的一小部分足以使前端電路過載。過載恢復不良會使接收器在恢復之前“失明”，直接影響圖像與皮膚表面的距離。

如何生成超聲圖像—B 模式

圖 2 顯示了如何生成不同的掃描圖像。在所有四次掃描中，掃描線以矩形為界的圖像是圖像的實際表示，因為它將在顯示器上看到。此處顯示了單個換能器的機械運動（沿箭頭指示的方向），以方便理解圖像生成;但是相同類型的圖像可以由線性陣列生成，而無需機械運動。在線性掃描示例中，換能器元件沿水平方向移動;對于每條掃描線（圖像中顯示的線），發送一個Tx脈沖，并記錄來自不同深度的反射信號并對其進行掃描轉換以顯示在視頻顯示器上。單個換能器在圖像采集過程中的移動方式決定了圖像的形狀。這直接轉化為線性陣列探頭的形狀，即對于線性掃描，陣列將是直的，而對于電弧掃描，陣列將是凹形的。

圖2.單傳感器圖像生成。

從機械單傳感器系統到電子系統所需的步驟也可以通過檢查圖2中的線性掃描輕松解釋。如果將單個換能器元件分成許多小塊，那么如果一次激發一個元件并記錄來自身體的反射，則也會得到如圖所示的矩形圖像，只是現在不需要移動換能器元件。由此可以看出，弧形掃描可以由具有凹形的線性陣列組成;扇形掃描將由具有凸形的線性陣列組成。

盡管上面的示例解釋了B模式超聲圖像生成的基礎知識，但在現代系統中，一次使用多個晶片來生成掃描線，因為它允許改變系統的孔徑。改變光圈就像改變光學中焦點的位置一樣，它有助于創建更清晰的圖像。圖3顯示了線性陣列和相控陣是如何做到這一點的;主要區別在于，在相控陣中同時使用所有晶片，而在線性陣列中僅使用總陣列晶片的子集。使用較少數量的元件具有節省電子硬件的優點;但它增加了對給定視野進行成像的時間。相控陣則不同;由于其餅形，非常小的換能器可以對遠場中的大面積區域進行成像。這就是為什么相控陣探頭是心臟成像等應用中的首選探頭，在這些應用中，人們必須處理肋骨之間的小空間，需要通過這些空間對大得多的心臟進行成像。

圖3.線性成像與相控陣成像。

陣列中的激勵沿著掃描線定向，由一組脈沖的延遲曲線決定，這些脈沖旨在同時到達焦點。脈沖（圖3）由陣列上方垂直時間線上的“波浪線”表示（陰影色），時間從陣列表面垂直增加。圖3中的線性步進陣列將向一組晶片（孔徑）提供成形激發，然后通過添加一個超前元件并放下一個尾隨晶片來步進孔徑。在每個步驟上，由脈沖同時到達形成一條掃描線（光束）。在相控陣中，所有探頭同時處于活動狀態。在所示示例中，暗線是成像由代表性脈沖圖案產生的反射數據的掃描線。

模擬與數字波束成形

在模擬波束成形（ABF）和數字波束成形（DBF）超聲系統中，從特定焦點沿波束反射的接收脈沖被存儲到每個通道，然后及時對齊，并相干相加 - 這提供了空間處理增益，因為通道的噪聲是不相關的。圖像可以形成為一系列模擬電平，這些電平使用模擬延遲線延遲，求和并轉換為數字求和后（ABF），或者通過盡可能靠近傳感器元件的模擬電平采樣，將它們存儲在存儲器中（FIFO），然后以數字方式求和（DBF）。

圖 4 和圖 5 顯示了 ABF 和 DBF 系統的基本框圖。這兩種類型的系統都需要完美的通道間匹配。請注意，兩種實現方案都需要可變增益放大器（VGA），并將繼續采用數字模式，直到具有足夠大動態范圍的ADC以合理的成本和足夠低的功耗提供。請注意，ABF成像系統只需要一個非常高分辨率的高速ADC，但DBF系統需要許多高速、高分辨率ADC。有時，ABF系統中使用對數放大器來壓縮ADC之前的動態范圍。

圖4.ABF系統的簡化框圖。

圖5.DBF系統的簡化框圖。

動態范圍

在前端電路中，LNA的本底噪聲決定了信號的接收強度。但與此同時，特別是在CW多普勒信號處理期間，LNA還必須能夠處理非常大的信號。因此，最大化LNA的動態范圍至關重要（通常，由于噪聲限制，不可能在LNA之前實現任何濾波）。請注意，這些相同的條件適用于任何接收器——在通信應用中，最靠近天線的電路也不具有大量濾波的優勢;因此，它需要應對最大的動態范圍。

CW多普勒在超聲系統中具有最大的動態范圍 - 在CW期間，正弦波與換能器陣列的一半連續傳輸，而另一半則接收。Tx信號有強烈的泄漏到Rx側的趨勢;并且還有來自靠近表面的靜止身體部位的強烈反射。這往往會干擾檢查，例如，身體深處靜脈中的血流，伴隨非常弱的多普勒信號。

在當前技術水平下，CW多普勒信號無法通過數字波束成形（DBF）系統中的主成像（B型）和PW多普勒（F型）路徑進行處理;因此，圖1中為CW多普勒處理提供了模擬波束成形器（ABF）。ABF具有更大的動態范圍。當然，DBF超聲中的“圣杯”是通過DBF鏈處理所有模式（以實際成本），并且關于如何到達那里的大量正在進行的研究。

權力

由于超聲系統需要多個通道，因此所有前端組件（從T/R開關到LNA、VGA和ADC，再到波束成型器的數字電路）的功耗是一個非常關鍵的規格。如上所述，總會有人推動增加前端動態范圍，以便最終將所有超聲模式集成到一個波束成型器中，這種趨勢將導致增加系統的功率。然而，相應地需要使超聲系統永遠更小，并有降低功率的趨勢。數字電路中的功率通常隨電源電壓而降低;但對于模擬和混合信號電路，情況并不一定如此。此外，考慮到模擬“裕量”減小往往會減小動態范圍，電源電壓可以達到的低程度以及仍能達到所需的動態范圍是有限制的。

結論

我們試圖通過首先解釋這種系統的基本操作，然后指出需要哪些特定的性能參數來確保最佳系統運行，從而展示超聲前端IC所需的權衡取舍。本文的更完整版本1可用于提供更多詳細信息。

審核編輯：郭婷