超声便携式设备的系统划分与趋势

上世纪90年代初，便携式电话风靡一时，随着电子技术的长足发展，现今的手机除了可以发送电子邮件和短信，还能拍照、查询股票价格、安排会议；当然，也可以同世界上任何地方的任何人通话。

同样在医疗领域中，以前所谓的便携式超声系统曾装载在手推车上以便于拖拽；而今天的医用超声系统也在持续向小型化发展，并且被医生们称为“新型听诊器”。

1 超声系统的便携式趋势

由于超声的优异功用，市场对超声系统的便携性有很高的要求。便携性的提升可以在无法提供可靠电源的远程应用中使用这些设备，如偏远乡村的临床医疗、紧急医疗服务、大型动物饲养、以及桥梁、大型机械和输油管线的检验等。

超声系统可以分为高、中、低端三类。高端超声系统采用最新的技术，满足市场最新的要求，并且提供最佳的图像质量。中端超声系统在不牺牲图像质量的前提下，通常具有高端超声系统的部分特性。而低端超声系统的体积一般较小，一般应用于临床医疗等特定应用。

2 超声信号链路

医用超声的波束成形被定义为信号的相位对准和求和，该信号由共同的源生成，但是由多元超声传感器在不同的时间点接收。在CWD（连续多普勒）路径中，对接收器通道进行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有两个功能：一个是向传感器指明方向，即提高其增益；另一个是定义人体内的焦点，由该焦点得到回波的位置（图1）。

对于波束成形，可以采用两种截然不同的方法，即模拟波束成形（ABF）和数字波束成形（DBF）。ABF和DBF系统之间的主要差别在于完成波束成形的方式，这两种方法都需要良好的通道间匹配。ABF中使用了“模拟延迟线”和求和的方式，其中仅需要一个（分辨率非常高的）高速ADC。而在DBF系统中，需要多个高速高分辨率ADC。有时候在ABF系统的ADC之前使用对数放大器压缩动态范围。在DBF系统中，应尽可能接近传感器单元来采集信号，然后将信号延迟并对其进行数字求和。

由于数字IC的性能以非常高的速度持续提高，在采集数据之后，数字存储和求和是“完美的”，因此通道间的匹配也是完美的；通过对FIFO中不同位置的数据求和，可以容易地形成多个波束而更加灵活，出于以上优势，大部分现代图像采集超声系统常采用DBF，此外模拟延迟线的通道之间的匹配性往往较差，延迟抽头的数目也受到限制，且必须使用微调电路。

然而另一方面，ABF和DBF之间的优缺点也是相对的。相对于ABF，DBF需要多个高速高分辨率ADC（脉宽多普勒需要约60 dB的动态范围，因此至少需要10 bit的ADC），而ADC的采样速率直接影响分辨率和通道间的相位延迟调节的准确度，采样速率越高，相位延迟就越精细；另外由于使用多个ADC和数字波束成形ASIC，因此功耗较高。

3 系统划分策略

虽然已存在许多先进的电子技术，但是超声系统的设计仍然十分复杂。许多年来，制造商通过设计定制ASIC来实现复杂的系统。该解决方案通常包括两个ASIC，其涵盖了TGC路径和Rx/Tx路径的主要部分，如图2所示。在多通道VGA、ADC和DAC广泛使用之前，这一方法非常常见。该定制电路允许设计人员加入一些廉价的、灵活的功能。由于集成大部分的信号链路，减少了系统中使用外部元件的数目，因此该解决方案成本较低；但是其缺点在于，随着时间的推移，光刻技术的发展使得这些ASIC已不能满足进一步减小体积和功耗的需求。ASIC具有大量的门电路，它们的数字技术不能针对集成模拟功能进行优化；而且仅有有限的供应商可以定制ASIC器件，这将导致设计者面临一些瓶颈。

超声系统的便携性是有局限的，但的确是可行的。即便这样，这也是解决系统划分问题的重要的第一步。便携性不仅指产品体积，而且也表现在电池寿命方面，因为这些电路对功耗的要求非常高。随着四通道和八通道TGC、ADC和DAC的出现，体积和功耗得到进一步减小，也随之产生了解决便携性问题的新型的系统方法。多通道器件允许设计人员在构造系统时，将敏感电路放置在两个或更多的电路板上，可以减小系统体积，并且有利于在多个开发平台上重复利用该电路。但是这一方法也存在缺点，系统体积减小也依赖于系统划分，多通道器件可能使PCB的布线极为繁琐，迫使设计人员使用通道数目较少的器件，例如从八通道ADC变为四通道ADC，而且如果系统体积较小，还会带来散热的问题。

随着完整的TGC路径的进一步集成，多通道、多元件的集成使设计变得更加容易，这是因为它们对PCB尺寸和功耗的要求进一步降低。随着更高级的集成方案的广泛使用，可以进一步减少成本、供应商数量、系统体积和功耗。系统散热量有效降低，可延长便携式单元中的电池寿命。ADI公司的AD9271超声子系统为满足紧凑性要求而设计，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封装，每个完整的TGC通道在40 MSps下功耗仅为150 mW。AD9271使用串行I/O接口以减少引脚数目，因此使每个通道的总面积至少减少1/3，功耗至少降低25%。

但是AD9271不可能满足每个超声系统设计人员的要求。理想的解决方案是将更多的功能单元集成到探针中，或者使其尽可能接近探针元件。需要注意的是：连接探针单元的电缆会对动态范围有些不良影响，而且成本较高。如果前端电子元件比较接近探针，那么就可以减少影响信号灵敏度的探针损耗，允许设计人员降低系统对LNA的要求。也可将LNA集成到探针单元中；或将VGA控制放在探针和电路板上的元件之间。随着器件的尺寸不断缩小，系统也可以封装到超小型封装中。但是这种方法的缺点在于，设计人员需要对探针进行全定制设计。换言之，探针/电子器件的定制设计将使设计人员回到ASIC实例中存在的技术瓶颈，而且供应商是有限的。

现今大部分超声系统公司将其大部分知识产权（IP）应用于探针和波束成形技术，使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC来完成系统，消除了对高成本元器件的需要，而且简化了独立TGC路径的调整和优化。此外，也可以考虑进一步集成超声系统的其它部分。在生产能力许可且市场导向目标适当的前提下，这些其它信号链路部分的集成将是有利的。