超声成像系统及主要子功能电子元件的设计考虑

低噪声放大器(LNA)

接收机中的LNA必须具有出色的噪声性能和足够增益。对于设计合理的接收机，LNA将决定整个接收机的噪声性能。传感器单元通过较长的同轴电缆连接到相应的低阻抗LNA的输入端。如果没有适当的电缆终端匹配，电缆电容和传感器单元的源阻抗将大大制约从宽带传感器接收信号的带宽。传感器电缆匹配至低阻，有助于降低这一滤波的影响，有效提高图像质量。不幸的是，这种端接也降低了LNA的输入信号，因而降低接收灵敏度。由此可见，为LNA提供有源输入端接非常重要，可以在上述条件下提供必要的低输入阻抗端接和出色的噪声性能。



可变增益放大器(VGA)

VGA有时也称为时间增益控制(TGC)放大器，能够在整个接收周期内为接收机提供足够的动态范围。超声信号在体内大约每秒传输1540米，往返衰减率为1.4dB/cm-MHz。发射一个超声脉冲后，可立即在LNA输入接收到高达0.5VP-P的回波信号，该信号会快速跌落到传感器单元的热噪声基底。接收该信号所要求的动态范围约为100dB至110dB，超出了实际ADC的输入量程。因此，需要利用VGA 将信号转换成与ADC量程相当的信号幅度。典型应用中采用12位ADC，要求VGA能够提供30dB至40dB的增益。增益随时间调整(即“时间增益控制”)，实现所要求的动态范围。

超声接收机的瞬态动态范围也很关键，它会影响2D图像的质量和系统检测多普勒偏移(血液或组织的运动)的能力，尤其是在二次谐波成像系统中，感兴趣的二次谐波信号明显低于发射信号的基波。对于小的多普勒信号同样如此，多普勒信号频率可能在1kHz以内，幅度远远低于组织或血管壁的反射信号。因此，需要特别关注可变增益放大器的带宽和近载波SNR，这些参数通常是制约接收机性能的关键。

抗混叠滤波器(AAF)和ADC

抗混叠滤波器AAF置于接收通道，用于滤除高频噪声和超出正常最大成像频率范围的信号，防止这些信号通过ADC转换混叠至基带。设计中大多采用可调节的AAF，为了抑制混叠并保证信号的时域响应，滤波器需要对第一奈奎斯特频率以外的信号进行衰减。因此，常常使用巴特沃斯滤波器或更高阶的贝塞尔滤波器。

典型应用中采用12位ADC，采样率通常在40Msps至60Msps之间。ADC提供必要的瞬态动态响应范围，同时具有适当的成本和功耗。在设计得当的接收器中，ADC会限制接收通道的瞬态SNR。如上所述，性能差的VGA会限制整个接收通道的SNR指标。

　　数字波束成形器

ADC的输出信号通过高速LVDS串口传输给数字接收波束成形器。这种传输方式降低了PCB的设计复杂度和接口引脚数。波束成形器内置上变频低通滤波器或带通数字滤波器，这些滤波器把有效采样速率提高4倍，提高了系统波束成形的精度。上变频信号存储在内存中，经过适当的延时，通过延迟系数加法器进行叠加，得到合适的焦点。信号还进行适当的加权或“变迹”，在叠加之前进行变迹，可以调节接收孔径，降低旁瓣对接收波束的影响，提高图像质量。

　　波束成形的数字信号处理

接收到的波束成形数字超声信号由DSP和基于PC的设备进行处理，得到视频和音频输出信号。这一过程通常可以划分为B超或2D图像处理，以及具有彩超流体成像信息的多普勒处理，多普勒处理又分为脉冲多普勒(PWD)处理和连续波多普勒(CWD)处理。

B超处理

B超处理中，RF波束成形数字信号经过滤波和检波处理。检测信号具有极宽的动态范围，B超处理器必须将这些信号进行数字压缩，使其达到显示器规定的动态范围。

彩超流体信号处理

在彩超流体信号处理中，RF数字波束成形信号与正交本振信号(LO，频率为发射频率)进行混频，得到I、Q基带信号。每个接收通道采集的超声信号都有对应的幅度和相位。彩超流体信号处理中，8至16路超声信号集中在一个成像通道，测量多普勒频移。血液流动或沿成像通道的组织移动产生的反射信号具有一定的多普勒频移，从而改变了I/Q基带采样信号的相位。彩超流体处理器决定了成像通道的8至16路超声信号的平均相移和时间关系。处理器还用彩色表示平均流速。通过这种方法，实现了血液或人体组织移动的二维造影成像。

多普勒频谱

频谱处理中，波束成形数字信号经过数字滤波，并通过正交本振信号(LO，频率为发射频率)混频至基带信号，然后以发射脉冲重复频率(PRF)进行采样。利用复杂的快速傅里叶变换(FFT)获得多普勒频谱，以重现接收信号的速度信息。FFT输出的每个二进制信号幅度经过计算和压缩，使其达到显示图像所要求的动态范围。最终信号幅度作为时间函数，显示在超声设备的显示屏上。

在连续波多普勒(CWD)成像系统中，信号处理的过程基本相同。除了处理这些显示信号外，频谱处理器还产生左、右声道的立体声音频信号，表示正向和负向运动。DAC对这些信号进行转换，驱动外部扬声器和耳机。