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連續波多普勒改寫臨床超音波設計

( 01 Apr 2006 )
作者：James Staley, ADI

在醫療電子設備領域，超音波應用的進步堪稱大步流星。從20世紀50年代中期到現在，利用超音波開展的醫學診斷實際上在所有產科實踐中已成為最突出的成像模式，並且在心臟病學和內科領域正迅速獲得同樣地位。超音波技術已從受過特殊培訓的操作師戴著耳機聽血液在體內流動的??聲，發展到即時顯示正在工作的心臟瓣膜的四維視頻畫面。不妨把這一生動的歷程與古老的X光（可追溯到1890年的最早成像模式）穩定而步履緩慢的進步做比較。

數位處理能力的微型化以及兩種模擬技術的結合體——人體的三維生理超音波成像（克里斯汀•多普勒於1842年提出的原理，並以這位發現者的名字命名）——使四維非侵入成像的戲劇性發展成為可能。由於多普勒先生的貢獻，“按聲源速度對聲音做頻率調製”原理普及於國際機隊控制和天氣預報等多種領域。作為醫學超音波系統的的助手，多普勒儀被用於即時檢測人體內血液流動的速度、方向和流量。人們可以幾乎象看DVD電影一樣來觀察心臟瓣膜的工作、胎兒的運動等緻密組織的運動。就受益於微型化而言，沒有哪種醫療電子設備能與醫學超音波領域的主導成像模式專用陣列系統相提並論。這些硬體密集型系統被普遍稱作陣列波束成型，是診斷用超音波機器的核心，並在很大程度上決定了最終產品的品質和彈性。
克服設計挑戰
超音波回波組成了畫面，這些回波的聚焦、局部化和處理方法開始於波束成形器，是超音波機器的硬體密集型、非常擁擠的組合。一般使用兩類波束成形電路——數位式和類比式。雖然有時共用公共的硬體區塊（兩者都需要多條良好匹配的通道），但類比數位轉換器的採樣率和位元解析度限制了數位式波束成形的用處。這些系統性限制決定了圖像品質和類比資料解析度，從而強行限制了呈現畫面的速度率和畫面中的最小可觀察解剖學細節。數位式波束成形已成為了成像標準，但是由於連續波多普勒的動態範圍很高，因此類比波束成形未來將繼續使用，特別是高階超音波系統。

類比式波束成形需要僅受雜訊和動態範圍限制的解析度和速度，但是需要昂貴、高功耗、佔用大量空間的類比式交叉點開關、延時線路和高解析度 I/Q 解調器。為四維設計的機器，或者提供血流和心臟成像能力的機器都使用連續波多普勒技術來檢測血流的方向和速度。由於多普勒儀能量在振幅方面非常低，並被包含在發射載波鄰近的頻率內，因此信號路徑的動態範圍必須非常高。在連續波多普勒資訊顯示精度方面，信號路徑的動態範圍和雜訊性能是限制因素。圖1顯示了基本連續波多普勒系統的單一通道的概念性區塊圖。組合的I和Q資訊被看作單一分析信號。

利用系統時脈作為一致的參考源來生成I和Q信號。透過複製圖1中的系統來組裝陣列，這就創造了一種能被指引路線和能被聚焦的模擬波束成形器，但多條通道的實際實現決不是件容易事。圖2顯示了一張描繪典型模擬式波束成形陣列的塊圖。波束成形器一般至少有32條通道。

為了實現相位校正，接收陣列的每條通道都被連接到延時線路的抽頭。來自體內各個位置的回波都被探針檢測，並對應於抽頭延時來得到相位校正。當這些信號被合在一起，並且I和Q資訊被提取出來時，發射信號的滲透深度可用於實現對焦。焦點的解析度取決於陣列中的通道數量、發射器的功率和接收器的靈敏度。血流速度和方向的精度和檢測是多普勒效應的函數，並且十分依賴於系統雜訊和相位精度。配備多普勒儀的超音波機器的實際限制因素變成了提供充足通道來完成工作而必需的成本和空間。

因此在診斷用超音波系統領域，常規的連續波多普勒系統在成本和空間方面導致了相當多的額外費用。實現64條通道的額外費用也許是1,000美元或更多，結果使連續波多普勒被歸類為高階系統。

創新方法
現在假設，透過從載波的向下變頻（如圖3所示），圖2中信號鏈的輸出端顯示的基頻資訊可被直接推導出來。如果交叉點開關、延時線路和高頻I/Q解調器都被單一元件取代，該元件可直接把射頻載波轉換成基頻I/Q資訊，將大為節省成本，並且如果電路封裝在緊湊的外型中，還能有效地節約空間和功率。改善的連續波檢測將在適用各個市場（從手持系統到最大的推車型系統）的超音波機器中實現多普勒效應。

元件製造商開始認識到這種產品的潛力。圖4顯示了固態類比移相器、下變頻器兼I/Q解調器的區塊圖，是為超音波連續波多普勒波束成形器等應用而設計。用在陣列中時，該電路的移相器部分校正回波響應。I/Q解調器把回應向下變頻，並把處理信號轉換成在輸出端提供的電流。一個外部節點把電流回轉成電壓，電壓然後被濾波並轉換成數位格式。其他通道被連接到節點，因此得到的信號是所有通道之和。該操作類似於圖2所示常規方法中的延時線路求和器。合計回應被濾波來消除基波和更高階的混合產物，並且得到的基頻資訊被一個高解析度（16-18位元）類比數位轉換器轉換用於畫面處理。

由於連續波多普勒只需要有限的相位步長，因此由16個相隔22.5度的相位步長在單晶片方法中實現的解析度綽綽有餘。這些相位步長可與常規的延時線路方法中的延時抽頭相比。相位是由系統演算法設定的，正如延時線路抽頭在常規系統中被選擇那樣。正如常規系統一樣，相位切換是一個靜態過程。

血流的方向性是從同相資訊和正交資訊推導出來的。在連續波多普勒系統中，包含這些資訊的回波極弱，並且在頻譜上鄰近連續波發射頻率。完成這些資訊的檢測和解調需要動態範圍非常高的放大器兼轉換鏈（一種能處理大信號並且雜訊很低的放大器）。與常規系統不同的是，該元件的輸出可直接連到高解析度的類比數位轉換器。

連續波多普勒改寫超音波設備市場
使用連續波多普勒的高性能診斷超音波機器，需要類比式波束成形(ABF)電路，這些電路採用多個放大器、交叉點開關、延時線路和其他複雜電子元件。伴隨而來的費用使這類機器被歸類到市場的高階，產生極高的掃描費用。新的硬體技術已使超音波掃描器即將發生根本變化。初步研究表明：元件佔用空間、功率和成本可被徹底降低，帶來尺寸更小的機器，並使連續波多普勒在整個超音波設備市場普及。

作者簡介
James Staley是ADI工業、儀器和汽車部的高級應用工程師。他擁有密蘇里大學羅拉分校的電機工程學士學位和美國東北大學MBA學位。如需瞭解更多資訊，請與模擬元件公司聯繫，地址：831 Woburn St.,

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