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ADI为超声系统提供高度集成的解决方案,推动实现一流的临床成像设备

2020-04-22
来源:EEWORLD

    超声系统进入到医疗领域早在1942年。

    直到如今,超声系统作为用于人体内部的无创可视化技术,被广泛用于医疗领域。最近一份报告称到2022年,中国医疗超声诊断仪器行业的市场规模预计将达到15.8亿美元,保持6%左右的年均增长率。高性能模拟信号链前端是超声设备的关键组成部分,作为高性能模拟技术主要的提供商ADI将医疗健康领域作为其战略市场之一,为保证超声技术的可持续发展,ADI为超声系统关键的信号链功能模块提供了高度集成的解决方案,推动实现一流的临床成像设备。

    

    超声系统的原理是通过向人体发射声学能量,然后接收并处理回波,从而产生内部器官和结构的图像,绘制血液流动和组织运动图,以及提供高度精确的血流速度信息。超声波扫描使用频率范围为1 MHz至18 MHz的声波脉冲,这些声波扫描人体内部组织并以不同强度的回波进行反射。然后实时采集这些回波,并显示为超声波扫描图,其中可能包含不同类型信息,如声阻抗、血流量、组织随时间的活动状态或其僵硬程度。

    实现最佳医疗影像,数据采集模拟前端性能很关键。

    

    所以不难看出,想要提升超声系统的图片质量,其深藏于复杂机器内部的前端性能至关重要。医疗超声前端的关键功能模块由集成的多通道模拟前端(AFE)组成,它包括低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器(AAF)、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态范围。根据成像模式,该要求可能需要达到70 dB至160 dB,以便区分血液信号与探头和身体组织运动所产生的背景噪声。因此,ADC必须具有高分辨率、高采样速率和低总谐波失真(THD),以保持超声信号的动态保真度。对此,ADI面向医疗超声设备提供的一款集成式AFE AD9671可实现最佳图像质量。

    

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    AD9671采用14位ADC,具有最高可达125 MSPS的采样速率和75 dB SNR性能,超声成像质量更佳。每个通道都经过优化,在连续波模式下具有160 dBFS/√Hz的高动态性能和62.5 mW的低功率。其内置8通道的可变增益放大器(VGA)、低噪声前置放大器(LNA)、具有可编程相位旋转功能的CW谐波抑制I/Q解调器、抗混叠滤波器(AAF)、模数转换器(ADC)以及用于处理数据和降低带宽的数字解调器和抽取器。每个通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信号路径以及有源输入前置放大器终端,且都专门针对高动态范围与低功耗而优化设计。

    LNA具有单端转差分增益,可以通过SPI进行选择。假设噪声带宽(NBW)为15 MHz且LNA增益为21.6 dB,则LNA输入信噪比(SNR)为94 dB。CW多普勒模式下,各LNA输出端驱动一个I/Q解调器。各解调器具有独立可编程的相位旋转和16种相位设置。

    从推车到便携,如何做到减尺寸不减性能?

    随着智能化技术的发展,便携式医疗设备逐渐成了主流发展趋势之一。过去,实现超声成像系统需要大量高性能发射电路和接收电路,由此产生的是庞大且昂贵的推车式系统。不过如今系统设计人员能够采用AD9671实现尺寸更小、成本更低、更便携的成像解决方案,而其性能则接近推车式系统。

    AD9671通过集成5Gb JESD204B接口,与其它数据接口标准相比,可减少多达80%的超声系统 I/O 数据路由。减少路由可满足制造商设计小型、高性能超声系统的需要,在简化超声设备电路板设计的同时,更符合业界对更高数据速率、更多通道数和更佳图像分辨率的要求。

    此外,AD9671接收器能够调理8通道射频到基带频率数据,与其他器件相比,可降低至少50%的系统FPGA(现场可编程门阵列)处理负担。并且各通道均可单独进入省电模式,从而延长便携式应用的电池使用时间。利用待机模式则可以快速上电,以便开机重启。在CW多普勒模式工作时,VGA、AAF和ADC均进入省电模式。不仅如此,ADC还内置多种功能特性,例如可编程时钟、数据对准、生成可编程数字测试码等,可使器件的灵活性达到最佳、系统成本降至最低。可以说这款8通道集成式接收器前端AD9671,专为中到高端便携和手推车式超声系统而设计。

    超声系统在当前小型化趋势下还面临更多挑战,包括:波束形成器的复杂度,要达到很高的图形质量,必须有大量的波束形成通道;高复杂度进而导致高功耗,并且需要更多成像空间来实施,而随着设备向小型化发展,尤其是以提升图像质量为目标时,散热问题变得很重要。

    本文介绍的AD9671仅仅只是ADI医疗超声系统解决方案的其中一款产品,还有一系列种类丰富的前端、放大器、数据转换、信号处理和电源管理解决方案供用户选择,包括SNR性能的改进在谐波成像(HI)方面具有显著优势的线性发射解决方案等,可以使推车式和便携式超声设备达到最佳图像质量,并降低功耗和成本。

    如今系统设计人员能够采用AD9671实现尺寸更小、成本更低、更便携的成像解决方案,而其性能则接近推车式系统。

    

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