EDN China > 其它文章 > 模拟设计 > 正文
?

(多图) 诊断用超声波设备更小、更快、更有用

Paul Rako?? EDN技术编辑?? 2009年09月30日 ?? 收藏0

  超声波机器中的信号路径是一个多信道收发系统,数据速率快得令人瞠目。工程师们在设计这些复杂机器时,需要权衡众多选项。

  要点
  在治疗方面,内科医生利用超声波来完成击碎肾结石等工作,在诊断方面则用它来探查患者体内情况。
  诊断用超声波可分为常规B超、脉冲波多普勒、连续波多普勒。
  发射路径把数字脉冲或DAC作用于高压放大器。
  信号接收路径类似于相控阵雷达系统的接收路径。
  空间分辨率是信号路径的信道数量和信噪比的函数。

  诊断用超声波机器开发者们必须仔细考虑这些设备的设计及其预定应用,对信噪比(SNR)、信道数量、ADC的选择、多普勒与常规技术、脉冲波(PW)与连续波(CW)方式、功耗、电缆的选择、成本等因素进行折中。随着电子技术的进步,更小更快的机器不断涌现,它们可用于各种新型应用。在这个不断发展的领域,便携式以及三维和四维机器也在取得进展。

  超声波设备综合参数考量

  诊断用超声波技术可产生患者体内器官的图像,并可测量血流(图1)。该技术目前还被用于靶向给药等治疗应用。在此情况下,机器发射某个脉冲波形,后者与患者血液中的微球体耦合;脉冲击破这些球体,由此准确地向预定目标给药。其它应用包括化学增强和兽医,前者帮助化疗药物找到并消灭癌瘤,而后一情形中的患者无法自行描述症状。

便携式超声波机器使医生能获得关于损伤和紧急情况的早期信息
图1,便携式超声波机器使医生能获得关于损伤和紧急情况的早期信息。美国陆军医护人员将SonoSite公司生产的这台机器捐献给了伊拉克的哈威加医院。第25步兵师的Charles Buck少校向伊拉克的一名内科医生说明如何使用这台机器(美国陆军的Sean Kimmons中士提供)。

  诊断用超声波可分为两大类:常规超声波和多普勒。常规超声波也称作B超,代表了经典的技术运用——探查身体器官,有时用于确定胎儿性别。多普勒超声波依赖于多普勒效应,其名称源于奥地利数学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler),他于1842年提出了该效应。多普勒效应为观察者描述了声波频率相对于波源的变化。人们不妨想想救护车警笛在接近自己、恰好在自己旁边,以及远离自己时发出的声音,这样就能想象出这种效应。脉冲波(或称彩色)多普勒把速度信息适当编码,使之成为显示器上的各种颜色。连续波(或称频谱)多普勒把连续声波播送到体内,并测量返回信号的相移。该技术仅产生速度信息,不会产生速度出现位置的轮廓。

  所有超声波系统均能运用波束成形和波束定向技术——这些信号处理技术用于定向信号的收发。内科医生可采用脉冲波多普勒技术来绘制患者体内器官和血流图等。连续波系统必须瞄准特定点,这是因为它们无法知道血液正朝何处流动。因此,内科医生一般把连续波多普勒用作常规超声波信号路径的一种辅助手段。他们可利用常规超声波找到静脉或动脉,然后借助连续波技术的高分辨率来密切观察其血流。

  采用波束定向的多普勒系统均使用压电换能器线性阵列,后者控制波束方向,并提供更高的空间分辨率。通过使线性阵列中心的脉冲延迟,它们可以把发射脉冲聚焦于体内某一点(参考文献1)。若使延迟作用于接收端,则可使反射波始终位于该点。

  超声波机器可具有16至512条信道。信道较少的机器也许是便携式的,而人们也许需要推车来移动具有多条信道的大型机器。多条信道不仅影响成本和尺寸,而且还影响这些机器的功耗。

  然而,对制造商声称的信道数量要小心,这是因为它们会令一些潜在买家感到困惑。一些制造商使用信号处理技术来增加表观信道数量,然后声称前端模拟信道数量增倍。其它制造商则在某个信道数量较大的换能器中把模拟信道加以复用。例如,他们也许会在某个64信道的换能器中切换一个16信道宽的模拟输入段,一次移动一个元件,以便沿换能器长度“绘制”整个波束成形区。一些制造商提供的发射器比接收器更多,相比于为每个换能器元件使用一条模拟信道,这种方式能提供可接受但准确度较低的结果。便携式超声波设备制造商SonoSite公司市场创新副总裁Lee D Dunbar说:若需提高空间分辨率,可使用比元件更多的模拟信道,并在元件之间聚焦。

  三维超声波是该市场的一项新进展,其中的换能器不再是线性阵列,而是二维阵列。该技术使系统软件能创建患者体内的三维视图(如需了解三维超声波详情,参阅“Peering into ultrasound machines”)。四维超声波向三维图像添加了时间维度。它能显示体内器官和结构的运动图像。

  超声波图像还依赖于模拟信号路径的信噪比。如果信号链的动态范围较小,则超声波系统无法区分反射信号。模拟芯片的噪声基准较高,这意味着常规超声波无法探查体内较远的部位,并且无法分辨较小特征,而连续波多普勒超声波将无法辨别较慢而细微的血流变化。但是,若对信道数量和信噪比进行折中,设计者就能为系统软件提供足够信息,来产生准确图像。

  正如在多数模拟信号路径中那样,接收路径中的第一个放大器决定了信噪比大小。可通过向体内播送较大脉冲来提高信噪比,但必须保持在安全能量限度内。超声波系统中的ADC必须提供足够信噪比来适应其前方的放大链。在现代化系统中,这一工作需要一个12比特ADC(用于脉冲路径)和至少一个18比特单元(用于连续波路径)。与此类似,可通过增加前端放大器的功耗来提高模拟信号链中的信噪比,但该方法会影响电池电力消耗。同样棘手的是,如果人们构建了一个具有数百条信道的系统,那么他们就需要数字处理和软件来处理所有信息。该方法也会耗电。人们可以运用“切片数量”技术,即增加信道数量,来提高分辨率、成像速度,并增大自己所能检查的组织体积。


上一页12345下一页
?? ?? ??


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友
?? ??

超声波? 多普勒效应? ADC?

相关文章

我来评论
美国的游客
美国的游客 ??? (您将以游客身份发表,请登录 | 注册)
?
有问题请反馈