AD9271 — революционное решение для переносных ультразвуковых систем от Analog Device

Архитектуры ультразвуковых систем

Для получения изображения в ультразвуковых системах широко применяется цифровое формирование пучка (digital beamforming — DBF). В применении к медицинским УЗ-системам этот термин определяется как фазирование и суммирование сигналов, которые были генерированы общим источником, но приняты в разные моменты времени многоэлементным УЗ сенсором. Сигналы 16–32 (или более) приемных каналов сдвигаются по фазе и суммируются для выделения когерентной информации, и DBF в данном случае выполняет две функции: придает сенсору направленность — повышает его коэффициент передачи и определяет фокальную точку в теле, с которой был получен отраженный сигнал (рис. 1). Выходной сигнал каждого сенсора усиливается, преобразовывается в цифровой вид и расставляется в последовательность. Для получения изображения пространственно суммируются сигналы множества каналов.

Архитектура DBF предпочтительнее прежней архитектуры аналоговых систем формирования пучка (ABF), в которых применяются переменные линии задержки и аналоговое суммирование каналов до преобразования, — потому что в DBF характеристики каналов совпадают лучше и они более гибкие. Когда сигнал уже преобразован, качество его может быть улучшено проведением таких цифровых действий, как управление диаграммой направленности и когерентное суммирование сигнала. Перемещение цифровых методов ближе к УЗ-сенсорам позволяет делать более тонкие регулировки, чем в аналоговых системах. Сегодня DBF — наиболее часто применяемая архитектура, несмотря на большее потребление энергии (из-за большего количества каналов) и размеры (из-за огромного числа компонентов, обычно необходимых для точного сбора и обработки сигналов).

До недавнего времени большинство систем DBF собиралось из многих компонентов, с применением дискретных решений и большого числа ИС. Цепь принятого сигнала включает в себя: малошумный усилитель (МШУ), действующий как предварительный усилитель; усилитель с переменным коэффициентом усиления (УПКУ), действующий как усилитель с коэффициентом усиления, зависящим от времени, — для компенсации ослабления возвращенного из тканей тела сигнала, как функция от времени; антиалиасный фильтр (ААФ), а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В обычной архитектуре цифрового формирования пучка требуется множество копий этих цепей. Увеличение числа каналов улучшает динамический диапазон, потому что шумы каналов случайны или некоррелированы. В высококачественных системах обычно 64–256 каналов, а переносные ультразвуковые системы и системы среднего и нижнего классов имеют 16–64 канала.

Зачем нужна портативность?

Компактность переносных устройств, обеспечивающих сканирование в реальном масштабе времени, является очень ценным качеством при решении многих задач. Очевидно, что бригады скорой медицинской помощи будут иметь более быстрый доступ к пациенту и смогут получить результаты сканирования еще до прибытия в больницу. Если расстояние большое, врач сможет диагностировать дистанционно, в ожидании прибытия пациента в больницу. При обычных визитах больного общепрактикующий врач сможет для изучения состояния пациента просканировать его без помощи специалиста.

Переносимость этих устройств дает возможность использовать их для обеспечения лучшего качества медицинского обслуживания в отдаленных районах и селах, не имеющих надежного электропитания.

Ветеринарам портативные ультразвуковые приборы будут полезны для диагностики на месте крупных домашних и сельскохозяйственных животных.

Растет потребность на рынке ультразвуковых приборов с целью использования их для неразрушающего контроля и профилактического обслуживания. Примерами могут служить сканирование балок мостов, подшипников промышленного оборудования и нефтепроводов. Затраты на инспектирование будут снижены и критические выходы из строя дорогостоящего оборудования будут предупреждены. Портативное сканирующее оборудование на промышленных предприятиях может стать жизненно важным для обнаружения катастрофических проблем до их возникновения.

Внедрение портативных ультразвуковых систем, конечно, требует затрат как для приобретения этих приборов, которые диагностируют, сканируют и анализируют, так и для подготовки персонала для работы с новыми приборами. Однако во многих случаях выгоды намного перевешивают издержки.

AD9271 экономит место, энергию и деньги

Analog Devices, разработанная для удовлетворения требованиям компактности, — небольшая микросхема (14×14×1,2 мм) AD9271 (рис. 2) — объединяет в себе все необходимые сигнальные цепи для сбора данных по восьми каналам при существенном снижении места на плате и потребляемой мощности. По сравнению с решением, в котором применены дискретные элементы, AD9271 снижает общую площадь более чем на 1/3 на канал и потребление энергии более чем на 25%, потребляя лишь 150 мВт на канал при скорости 40 MSPS. AD9271 также предлагает варианты настроек, доступных по последовательному интерфейсу, позволяющих дальнейшую оптимизацию мощности и настроек в зависимости от конкретных требований.

В AD9271 имеется 8-канальная сигнальная цепь; каждый канал состоит из малошумного усилителя (МШУ), усилителя с переменным коэффициентом усиления (УПКУ), антиалиасного фильтра (ААФ) и аналого-цифрового преобразователя. Это — схема для принятого сигнала, обычно используемая для обработки эхо-импульсов в импульсном режиме: B-режим— сканирует для получения изображения вшкале серого, и F-режим, который накладывает на дисплей в режиме B цвет для показа кровотока. В импульсном режиме сенсор последовательно работает на передачу и на прием, чтобы создавать периодически обновляемое двумерное изображение.

Другой часто применяемый вид отображения — доплеровский с непрерывным излучением, или режим D, для показа скоростей кровотока и его частот. Как видно из названия, изображение строится непрерывно генерируемыми сигналами, когда половина каналов сенсора излучает, а вторая половина принимает. Непрерывное излучение имеет преимущество при точном измерении высоких скоростей кровотока, но работает не так глубоко, как это делают традиционные импульсные системы. Так как каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, современные ультразвуковые системы (и в частности AD9271) обычно применяют оба способа. Например, микросхема может работать в режиме доплеровского непрерывного излучения, применяя при этом интегрированную в нее матрицу переключателей. Эта матрица переключателей позволяет каналы с одинаковой фазой когерентно объединять в группы для выравнивания фазы и суммирования. AD9271 поддерживает линии задержки для дешевых систем и счетверенный демодулятор с программируемой регулировкой фазы AD8339 — для систем высокой производительности. Чтобы улучшить качество изображения, AD8339 позволяет лучше регулировать фазу и суммирование. Эта ИС легко подключается к внешним цепям, что дает возможность объединять большее количество сигнальных цепей, если нужен очень большой динамический диапазон.

Требования к динамическому диапазону и уровню шумов

Когда высокочастотные звуковые сигналы проходят через тело, они ослабляются примерно на 1 дБ/см/МГц. Например, с зондом на 8 МГЦ при глубине проникновения 4 см — считая ослабление в обоих направлениях — амплитуда сигнала, отраженного от внутренних тканей, будет отличаться от отраженного от внешней поверхности на 64 дБ (или 4×8×2) [2]. Добавим 50 дБ для разрешения изображения, учтем потери на кабелях и другие потери и получим требуемый динамический диапазон 119 дБ. Принимая это в перспективе, сигнал с амплитудой 0,333 В и уровнем шума 1,4 нВ√Гц предполагает динамический диапазон в 88 дБ. Дополнительный динамический диапазон достигается использованием большого числа каналов [10×log(N каналов)], например 128 каналов увеличивают динамический диапазон на 21 дБ. Это устанавливает практическую границу динамического диапазона между 100 и 120 дБ.

Достижимый динамический диапазон ограничен входными элементами. Поскольку весь диапазон требуется не всегда, можно применить АЦП с меньшим динамическим диапазоном, если изменять коэффициент усиления УПКУ во времени (пропорционально глубине проникновения). Это называется компенсацией посредством коэффициента усиления по времени (TGC — time-gain compensation). МШУ устанавливает эквивалентный динамический диапазон, который может быть отображен на АЦП. AD9271 имеет эквивалентный динамический диапазон 88 дБ при полосе пропускания 10 МГц (158 дБ/√Гц), позволяющий ей обрабатывать как очень малые, так и большие сигналы (отраженное эхо) от сканируемых тканей, как показано на рис. 3. Полный размах сигналов МШУ должен быть достаточно большим, чтобы он не насыщался от ближних сигналов; уровень шума должен быть минимальным, динамический диапазон — большим.

Поскольку для обеспечения меньших уровней шума требуется больше мощности, при применениях переносных устройств должен быть найден некий компромисс, потому что мощность ограничена. Хотя динамический диапазон 88 дБ у AD9271 больше, чем у конкурентных решений, он остается меньше, чем у потребляющих больше энергии продуктов УПКУ, таких как AD8332, с его приведенным к входу шумом 0,72 нВ/√Гц, как показано в таблице. Отметим, что среди показанных решений AD8332 имеет самый низкий приведенный к входу шум и самый большой динамический диапазон. Ни один подход не является идеальным. Хотя сегодня важной характеристикой всех решений считается цифровая обработка, конкретная реализация и выбор компонентов — право каждого производителя ультразвуковой аппаратуры.

Заключение

Как для медицинских, так и для промышленных применений ультразвуковых систем растет спрос на портативные приборы. Все такие системы имеют одинаковые требования к компактности и переносимости в удаленное место. AD9271 делает портативность легко реализуемой, сочетая в маленьком корпусе восемь каналов обработки принятого сигнала, и работает как в импульсных, так и в доплеровских системах с непрерывным излучением. На основе AD9271 будет создано семейство продуктов, предоставляющих варианты с малым энергопотреблением или малыми шумами, таким образомвсе далее отодвинутся границы достижимых параметров в последующих поколениях приборов.