超聲技術(shù)

超聲設(shè)備向身體發(fā)射聚焦聲束超聲波，并通過聲波反射的強(qiáng)度及延遲差異重現(xiàn)對象圖像，從而形成生物組織的聲波照片。聲波技術(shù)通常配合探頭模塊末端的壓電式換能器陣列使用，按壓在身體上。壓電式換能器元件在高壓(5VPP–300VPP)脈沖電流激勵下產(chǎn)生振動，進(jìn)而生成發(fā)射聲波。陣列中各個元件的相位彼此對齊，在身體預(yù)先指定的位置和距離形成聚焦聲束超聲波。入射波通過對象時，各組織層之間的聲阻抗差就會產(chǎn)生反射發(fā)回到換能器(見圖1)。

圖1 聲波反射

發(fā)射聲波后，換能器元件立即變成檢測器，接受回波信號。在待分析區(qū)沿著成百上千條掃描線聚焦發(fā)射波束，就能形成代表性身體圖，然后在后端電子系統(tǒng)中重組這些掃描線，就形成了2D圖像(見圖2)。3D超聲系統(tǒng)沿著副軸機(jī)械移動換能器陣列，增加三維掃描線。

圖2 通過掃描線形成圖像

發(fā)射電子器件或發(fā)射波束形成器的工作相對簡單，只需在圖像范圍發(fā)射聲波并正確對齊相位即可。但接收電子器件的任務(wù)則比較復(fù)雜，涉及專有技術(shù)，要把接收到的聲反射轉(zhuǎn)化為圖像。接收電子元件或接收波束形成器必須對各個接收通道適當(dāng)進(jìn)行相位對齊以設(shè)置正確的聚焦深度，濾波輸入的數(shù)據(jù)，對波形進(jìn)行解調(diào)，再將所有通道累加在一起形成掃描線。每條掃描線重復(fù)上述操作，然后對所有掃描線進(jìn)行聚集、內(nèi)插并濾波，以形成最終圖像。

便攜式超聲系統(tǒng)組件

市場上主要有四種不同外形的便攜式超聲產(chǎn)品(圖3)：手持式超聲設(shè)備、平板式超聲設(shè)備、膝上型超聲設(shè)備、“飯盒式”超聲設(shè)備。

圖3 便攜式超聲設(shè)備的外形

本文將重點(diǎn)介紹膝上型超聲設(shè)備。從高級層面而言，超聲系統(tǒng)由三個獨(dú)特的處理模塊組成：模擬前端(AFE)、帶前端處理功能的波束形成器和后端(見圖4)。

圖4 超聲系統(tǒng)模塊方框圖

模擬前端(AFE)

模擬前端(AFE)是超聲應(yīng)用中一款高度專業(yè)化的系統(tǒng)，既可通過每8至16個通道采用全集成單芯片的形式，也可通過每通道采用多芯片定制解決方案來實(shí)現(xiàn)。為了滿足換能器接收信號動態(tài)范圍較大的要求，我們可用可變增益放大器(VGA)或時間增益補(bǔ)償器(TGC)將信號映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)較窄的動態(tài)范圍上。在全集成AFE(圖5)中，VGA/TGC由邏輯通過SPI接口控制。ADC數(shù)據(jù)串行連接，并通過LVDS或新興JEDEC JESD204x標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/數(shù)字" title="數(shù)字" target="_blank">數(shù)字處理器件。

圖5 模擬前端

在AFE發(fā)射側(cè)，DAC用來將輸出脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)。模擬信號驅(qū)動高壓脈沖器或放大器，進(jìn)而產(chǎn)生換能器的發(fā)射波形。

波束形成器

超聲波束形成器包括兩個組成部分。發(fā)射波束形成器(又稱Tx波束形成器)負(fù)責(zé)啟動掃描線并生成發(fā)送給換能器元件的定時脈沖串，以設(shè)置對象所需的聚焦點(diǎn)。接收波束形成器(又稱Rx波束形成器)負(fù)責(zé)從模擬前端接收回波波形數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過濾波、開窗(切趾術(shù))、求和及解調(diào)整理為代表性掃描線。這兩個波束形成器模塊保持時間同步，連續(xù)向彼此傳送時序、位置和控制數(shù)據(jù)。

Tx波束形成器負(fù)責(zé)定時數(shù)字脈沖串的導(dǎo)向(steering)和生成，該脈沖串外部轉(zhuǎn)換為換能器的高壓脈沖。根據(jù)給定掃描線聚焦超聲波束所需的即時位置可實(shí)時計(jì)算出延遲。Tx波束形成器模塊相當(dāng)小，占用的邏輯資源不到Rx波束形成器的10%。其包括時序生成器和脈沖成形，通常并行連接到外部DAC。

Rx波束形成器對原始換能器Rx數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以提取并聚集成超聲掃描線。這是一個DSP密集型模塊，會占用大量的邏輯資源。圖6對處理步驟和子模塊進(jìn)行了匯總。

圖6 Rx波束形成器功能步驟

每個通道都要進(jìn)行上述每個步驟，直到最后求和;而每個掃描線則需要進(jìn)行其他步驟。這是一種典型的處理流程，實(shí)際超聲實(shí)施方案可采用上述步驟的任意組合，并配合其他專有處理模塊。

后端處理

后端處理引擎通常包括B模、M模、多普勒和彩色血流處理功能塊。上述功能塊同時工作，執(zhí)行多種不同的任務(wù)。B模處理引擎負(fù)責(zé)接收解調(diào)和壓縮的掃描線，并用內(nèi)插和灰度映射在掃描線基礎(chǔ)上形成二維灰度圖像。M模將一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)加以比較，從而識別出聲源的運(yùn)動、速度和運(yùn)動位置。多普勒處理來自多普勒專用模擬前端的數(shù)據(jù)，并生成精確的方向和速度信息。彩色血流處理模塊將色度映射到運(yùn)動數(shù)據(jù)上，反映出速度和方向，再將其覆蓋到B模功能塊生成的灰度圖上。隨后后端進(jìn)行清空，根據(jù)超聲醫(yī)師和所用顯示設(shè)備的要求調(diào)節(jié)圖像，并存儲、顯示和發(fā)送靜態(tài)輸出及視頻輸出。

我們可在超聲系統(tǒng)中使用多種不同增強(qiáng)技術(shù)來減少斑點(diǎn)，改進(jìn)聚焦，并設(shè)置對比度和灰度深度。例如：角復(fù)合、小波分解、各向異性雙邊濾波、直方圖均衡化、幀平滑、邊緣檢測等。

功耗

降低功耗是一項(xiàng)主要的設(shè)計(jì)約束。就便攜式醫(yī)療超聲系統(tǒng)而言，降低功耗至關(guān)重要。醫(yī)療系統(tǒng)電源對安全性和質(zhì)量也有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。在滿足上述安全性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的同時，一旦對功率要求有所提升，電源設(shè)計(jì)必將面臨非常嚴(yán)峻的成本和復(fù)雜性挑戰(zhàn)。

散熱也是降低功耗的一大原因。必須做好散熱工作，確保系統(tǒng)組件的溫度在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶鷥?nèi)。因此我們必須認(rèn)真設(shè)計(jì)散熱片、風(fēng)扇、封裝和PCB。而FPGA有助于解決上述一些功耗約束難題。