為什么要推動(dòng)便攜式？

許多要求苛刻的應(yīng)用都可以實(shí)現(xiàn)提供實(shí)時(shí)掃描的輕量級(jí)便攜式緊湊型設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。顯然，現(xiàn)場(chǎng)緊急醫(yī)療服務(wù)（EMS）團(tuán)隊(duì)將更快地接觸到患者，并能夠在到達(dá)急診室之前發(fā)送結(jié)果。如果旅程很長(zhǎng)，醫(yī)生可以在急診室等待患者時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。在例行的辦公室訪問期間，全科醫(yī)生可以對(duì)患者進(jìn)行掃描作為檢查的一部分，而無需專家。

便攜性的提高提供了使用這些設(shè)備的機(jī)會(huì)，以便在可能沒有可靠電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)和村莊提供更好的醫(yī)療服務(wù)。

獸醫(yī)發(fā)現(xiàn)便攜式超聲可用于大型動(dòng)物和寵物的現(xiàn)場(chǎng)診斷。它在豬和牛牧場(chǎng)也可用于現(xiàn)場(chǎng)診斷。

超聲波在無損檢測(cè)和預(yù)防性維護(hù)中也是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)。示例包括部署用于掃描橋梁梁、工業(yè)機(jī)械中的軸承和石油管道的系統(tǒng)?？梢越档蜋z測(cè)成本，避免昂貴設(shè)備的關(guān)鍵停機(jī)時(shí)間。工業(yè)廠房中的便攜式掃描設(shè)備對(duì)于在潛在災(zāi)難性問題出現(xiàn)之前發(fā)現(xiàn)它們至關(guān)重要。

采用便攜式超聲波當(dāng)然需要付出代價(jià)，無論是購(gòu)買這些診斷、掃描和分析的設(shè)備，還是培訓(xùn)這些新設(shè)備的用戶。但在很多這樣的案例中，收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過成本。

利用AD9271節(jié)省空間、功耗和資金

ADI公司的基本子系統(tǒng)AD14（圖14）是ADI公司為滿足緊湊性要求而設(shè)計(jì)的基本子系統(tǒng)，×1 mm×2.9271 mm，匯集了采集2個(gè)通道數(shù)據(jù)所需的所有信號(hào)鏈模塊，大幅減少了電路板空間和功耗。與采用分立元件的解決方案相比，AD9271將每通道總面積減小1/3以上，功耗降低25%以上，在150 MSPS時(shí)每通道功耗僅為40 mW。AD9271還提供多種定制選項(xiàng)（可通過串行端口接口獲得），可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化功耗和可配置性。

圖2.AD9271原理框圖

AD9271采用8通道信號(hào)鏈，每個(gè)通道包括低噪聲放大器（LNA）、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）、抗混疊濾波器（AAF）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這是通常用于處理脈沖波模式下返回脈沖的接收鏈：用于灰度成像的B模式掃描和用于顯示血流的F模式（B模式顯示器上的彩色疊加層）。在脈沖波模式下，換能器在發(fā)射和接收之間交替，以形成周期性更新的二維圖像。

另一種常見的成像形式是連續(xù)波（CW）多普勒或D模式，用于顯示血流速度及其頻率。顧名思義，圖像是使用連續(xù)生成的信號(hào)生成的，其中一半換能器通道在傳輸，另一半在接收。CW具有精確測(cè)量高速血流的優(yōu)點(diǎn)，但它缺乏傳統(tǒng)脈沖波系統(tǒng)中的深度和穿透力。由于每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性，根據(jù)應(yīng)用的不同，現(xiàn)代超聲系統(tǒng)通常同時(shí)使用這兩種模式，而AD9271適用于這兩種模式。特別是，它允許用戶通過使用集成的交叉點(diǎn)開關(guān)在連續(xù)波多普勒模式下工作。該交叉點(diǎn)開關(guān)允許將相似相位的通道相干地相加成組，以進(jìn)行相位對(duì)齊和求和。AD9271支持低端系統(tǒng)的延遲塊，AD8339四通道解調(diào)器具有可編程相位調(diào)整功能，可實(shí)現(xiàn)最佳性能。AD8339允許對(duì)相位對(duì)齊和求和進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)整，以提高鏡像精度。該器件可輕松與外部連接，允許用戶壓縮需要非常大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)所需的更多信號(hào)鏈。

動(dòng)態(tài)范圍和噪聲要求

當(dāng)高頻聲學(xué)信號(hào)穿透人體時(shí)，它們會(huì)衰減約1 dB/cm/MHz。例如，對(duì)于8 MHz探頭和4厘米深度穿透（并考慮出線和返回衰減），來自內(nèi)部組織的信號(hào)幅度變化將與表面附近的反射相差64 dB（或4 × 8 × 2）[延伸閱讀2]。增加50 dB的成像分辨率，并考慮到骨頭、電纜和其他不匹配造成的損耗，所需的動(dòng)態(tài)范圍接近119 dB。從這個(gè)角度來看，在 0 MHz 帶寬內(nèi)具有 333.1nV/rt-Hz 本底噪聲的 4.10V p-p 滿量程信號(hào)意味著 88 dB 輸入動(dòng)態(tài)范圍。通過使用多個(gè)通道[10 ×log（N通道）]可以實(shí)現(xiàn)額外的動(dòng)態(tài)范圍，例如，128個(gè)通道將動(dòng)態(tài)范圍增加21 dB。這為100 dB和120 dB之間的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)定了實(shí)際限制。

可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍受到前端組件的限制。由于不需要在所有時(shí)刻都要求整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，因此可以通過掃描VGA的增益來匹配接收到的反射隨時(shí)間推移的衰減（與穿透深度成比例），從而使用小于全動(dòng)態(tài)范圍的ADC。這稱為時(shí)間增益補(bǔ)償（TGC）。LNA設(shè)置可映射到ADC的等效動(dòng)態(tài)范圍。AD9271在88 MHz帶寬（10 dB/rt-Hz）內(nèi)具有158 dB的等效動(dòng)態(tài)范圍，使其能夠處理來自被掃描組織的非常小和大的信號(hào)（回波），如圖3所示。LNA的滿量程應(yīng)足夠大，以免近場(chǎng)信號(hào)飽和;本底噪聲越低，動(dòng)態(tài)范圍越高。

圖3.12位ADC的TGC增益要求。

由于必須提高功率要求以處理較低的噪聲水平，因此由于功率限制，必須在便攜式應(yīng)用中做出一些妥協(xié)。雖然AD88的9271 dB動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)解決方案，但仍低于AD8332等更高功率的VGA產(chǎn)品，其折合到輸入端的噪聲為0.72 nV/rt-Hz，如表1所示。請(qǐng)注意，AD8332具有所示解決方案中最低的折合到輸入端的噪聲和最高的輸入動(dòng)態(tài)范圍。沒有一種方法是理想的。盡管數(shù)字處理是當(dāng)今所有解決方案的基本特征，但組件的具體實(shí)施和選擇是每個(gè)超聲制造商專有的。

表 1.使用ADI公司元件的解決方案比較

結(jié)論

對(duì)于醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，便攜式超聲都有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。所有這些系統(tǒng)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的緊湊性和便攜性都有類似的要求。AD9271在微型IC封裝中集成了適用于脈沖波和連續(xù)波多普勒系統(tǒng)的接收信號(hào)鏈的9271個(gè)通道，使便攜性越來越容易實(shí)現(xiàn)。AD<>注定將催生一系列產(chǎn)品，提供低功耗或更低噪聲的選項(xiàng)，在未來幾代產(chǎn)品中進(jìn)一步突破界限。

審核編輯：郭婷