№9 / 2015 / статья 3

Cоздаем портативные аппараты УЗИ на базе современных аналоговых микросхем

Джон Скампини (Maxim Integrated)

Требования уменьшения габаритов и снижения стоимости приводят к пересмотру принципов построения современных аппаратов УЗИ. В статье рассматриваются последние достижения аналоговой интегральной технологии, которая позволяет создавать малогабаритные ультразвуковые системы, а также обсуждаются проблемы борьбы с шумами в наиболее компактном и современном оборудовании данного типа.

За последнее десятилетие в области медицинского ультразвукового оборудования произошла настоящая революция. Достижения аналоговой интегральной технологии позволили производителям значительно снизить как габариты, так и стоимость мощной медицинской техники. Те приборы, которые раньше весили несколько сот килограмм и требовали тележку для перевозки, теперь имеют размер, сопоставимый с размером ноутбука. Нет необходимости говорить о том, какое огромное значение это имело для медицинского персонала и для больных. В развитых странах снижение цены оборудования привело к снижению стоимости лечения. В развивающихся странах УЗИ стало доступным гораздо большему кругу больных, в том числе – проживающих в сельской местности. Таким образом, новые бюджетные и компактные устройства оказали значительное влияние на медицину. При этом перспективные технологии обещают еще больше преимуществ.

Стоит отметить, что путь совершенствования устройств ультразвуковой диагностики не так-то прост. Всегда существовали и будут существовать проблемы, которые необходимо решать, чтобы снизить габариты, уменьшить стоимость, увеличить производительность. В данной статье рассматриваются основные проблемы, возникающие перед разработчиками такого оборудования.

Высококачественная ультразвуковая диагностика и снижение габаритов

Для получения качественного изображения разработчики компактных систем пытаются разместить как можно больше ультразвуковых приемопередатчиков в ограниченном пространстве корпуса прибора. Это достаточно сложная задача. Так, например, в стандартных на сегодняшний день аппаратах число используемых трансиверов составляет 128 и даже более.

Рис. 1. Функциональная схема ультразвукового приемопередатчика

Рис. 1. Функциональная схема ультразвукового приемопередатчика

Типовая схема ультразвукового приемопередатчика показана на рисунке 1. Для получения ультразвукового изображения высоковольтный передатчик формирует синхронизированные высоковольтные импульсы. Эти импульсы возбуждают ультразвуковой преобразователь (пьезоэлемент), который генерирует направленные звуковые сигналы. Сигналы распространяются и, отражаясь от неоднородностей в теле пациента, принимаются тем же самым преобразователем. Далее они поступают в приемный тракт приемопередатчика.

Приемник содержит несколько функциональных блоков: ключ приема-передачи (transmit/receive switch, T/R), усилитель с низким уровнем шумов (low-noise amplifier, LNA), программируемый усилитель (variable-gain amplifier, VGA), антиалайзинговый фильтр (anti-alias filter, AAF) и аналогово-цифровой преобразователь (analog-to-digital converter, ADC). Для защиты от высоковольтных импульсов малошумящий фильтр подключен к преобразователю через приемопередающий ключ. Коэффициент усиления LNA для снижения чувствительности к шумам фиксирован. Программируемый усилитель VGA используется для компенсации затухания ультразвука в теле человека. Это позволяет согласовать входной сигнал с динамическим диапазоном АЦП. Наличие антиалайзингового фильтра AAF в приемном тракте необходимо для удаления высокочастотных шумовых составляющих, выходящих за границы анализируемого частотного спектра. Усиленные и оцифрованные отсчеты обрабатываются цифровой системой формирования потока для получения направленного и сформированного сигнала. Полученный сигнал используется для создания 2D-изображений или получения дополнительной информации о смещении спектра при работе с сигналами Доплера в импульсном режиме.

Приемник также содержит отдельный блок формирователя потока для работы с сигналами Доплера в полноволновом режиме (continuous-wave Doppler, CWD). Блок CWD расположен сразу после малошумящего усилителя LNA. Это связано с тем, что режим работы CWD очень требователен к динамическому диапазону входного сигнала, который выходит за границы возможностей блоков VGA/ADC. Для получения требуемого выходного потока данных необходимо смешать входной сигнал с частотным сигналом локальных генераторов и суммировать полученные результаты. По этой причине блок CWD должен включать высокодинамические микшеры и программируемые генераторы.

Вполне очевидно, что трансиверы обладают широкой функциональностью, и разместить 128 подобных устройств в форм-факторе персонального компьютера является непростой задачей. Производители электроники отвечают на него повышением уровня интеграции. В настоящее время несложно отыскать микросхемы с восемью приемниками, включающими LNA, VGA, AAF и ADC, и умещающимися в корпусе размерами 10×10 мм. Высоковольтные излучатели также выпускаются в четырех- и восьмиканальном исполнении с размерами корпуса 10×10 мм. Это повышение интеграции является чрезвычайно важным. Оно и сыграло ключевую роль в появлении современного поколения портативных систем. Однако, забегая вперед, стоит сказать, что это не предел возможностей интегральных технологий.

Рис. 2. Ультразвуковой приемопередатчик MAX2082

Рис. 2. Ультразвуковой приемопередатчик MAX2082

Микросхема MAX2082 содержит восемь приемопередатчиков (рисунок 2), и представляет собой яркий пример наиболее современных достижений в области ультразвуковых высокоинтегрированных решений. Микросхема включает в себя полноценный приемный тракт, приемопередающий ключ, развязывающие конденсаторы и трехуровневый датчик импульсов. Все это размещено в корпусе размером 10×23 мм. Такой приемопередатчик экономит занимаемую площадь, сокращает время на разработку, снижает общую стоимость системы.

Рис. 3. Реализация приемопередающего ключа требует девяти дискретных компонентов

Рис. 3. Реализация приемопередающего ключа требует девяти дискретных компонентов

Экономия занимаемой площади при использовании таких микросхем может быть значительной. Даже использование только одного интегрированного приемопередающего ключа уже экономит много места. Рассмотрим типовую и наиболее распространенную схему реализации такого ключа (рисунок 3). Как видно из рисунка, она требует девяти дискретных компонентов. Это значит, что в устройстве со ста двадцатью восемью каналами число дискретных компонентов, необходимых для создания только приемо-передающих ключей, перевалит за 1000!

Рис. 4. 128-канальная плата на базе восьмиканальных приемопередатчиков

Рис. 4. 128-канальная плата на базе восьмиканальных приемопередатчиков

Рисунок 4 демонстрирует печатную плату (ПП) 128-канального приемопередатчика на базе MAX2082. Плата имеет площадь менее 10 квадратных дюймов, что в два раза меньше, чем получается при использовании отдельных микросхем восьмиканальных приемников, восьмиканальных передатчиков и дискретных T/R-ключей.

Управление питанием приемопередатчика

Организация питания устройств с высокой степенью интеграции представляет сложную задачу. Во-первых, большинство ультразвуковых аппаратов является портативными и должно работать от аккумулятора без подзарядки, как минимум, в течение часа. Во-вторых, отвод тепла также является большой проблемой. Плотность расположения компонентов на ПП достаточно высока, а расстояние между ними мало, что приводит к недостатку места для воздушных потоков. Важно отметить, что ультразвуковые приемопередатчики вносят значительный вклад в общее энергопотребление системы, это требует повышенного внимания при проектировании.

За последние десять лет потребление ультразвуковых приемников сократилось вдвое. Сейчас не проблема найти интегральный приемник, имеющий LNA, VGA, AAF, АЦП, потребление которого – менее 150 мВт на канал. Кроме того, новое поколение ресиверов имеет гибкую систему управления питанием, позволяющую пользователю находить компромисс между потреблением и производительностью, использовать спящие режимы с быстрым пробуждением для экономии энергии в неактивном режиме.

Есть и другие перспективы улучшения свойств приемопередатчиков. Так, например, один ключ T/R потребляет до 80 мВт. Это связано с необходимостью протекания токов смещения через диоды для снижения их сопротивления и улучшения шумовых характеристик. А ведь эта мощность равна потреблению всех компонентов приемопередатчика вместе взятых! Новейшие интегральные T/R-ключи, например, MAX2082, имеют лучшие шумовые характеристики, потребляя при этом всего 15 мВт.

Баланс между шумовыми характеристиками и миниатюризацией

Повышение степени интеграции и снижение потребляемой мощности являются основной задачей при создании ультразвуковых систем. Однако не сразу становится очевидным, что эти проблемы напрямую связаны с миниатюризацией оборудования.

Снижение уровня шумов в рабочем частотном диапазоне

Ультразвуковые системы чрезвычайно чувствительны к кондуктивным и радиопомехам, возникающим на частотах 2…15 МГц. Входная чувствительность каждого канала может составлять всего 1 нВ/Гц. В 128-канальных приборах коэффициент усиления нежелательных сигналов может достигать 21 дБ в зависимости от величины задержки между работой каналов при формировании рабочего потока. В результате этого даже шум с малой плотностью 0,09 нВ/√Гц (в рабочем диапазоне частот) отчетливо виден и проявляется в виде артефактов на получаемом изображении. Такие артефакты являются общеизвестными, их часто называют «мерцающими огнями», они напоминают яркие вспышки в тех местах изображения, для которых установлен наиболее высокий коэффициент усиления. Существует большое количество источников кондуктивных и радиопомех, вызывающих такие шумы.

Разработчикам ультразвуковых схем необходимо затратить множество усилий, чтобы сформировать контуры заземления, а также физически оградить и экранировать чувствительные аналоговые элементы от шумных цифровых схем. К сожалению, инженерам, создающим портативные ультразвуковые приборы, в большинстве случаев недоступна такая роскошь, как физическое разделение чувствительных и шумных схем, а экранирование затруднено из-за ограниченного пространства и проблем с отводом тепла. В результате наличие шумов в рабочем диапазоне частот является практически неизбежным явлением, особенно в тех приборах, где в непосредственной близости находятся одноплатные компьютеры, которые необходимы для обсчитывания получаемых данных и вывода их на экран. Таким образом, необходимо уделять максимальное внимание вопросам заземления и экранирования на самых ранних этапах проектирования. Попытки изменить устройства с высокой степенью интеграции на более поздних этапах, когда создаются опытные прототипы, могут оказаться чрезвычайно сложными и затратными.

Минимизация аудиошумов

Рис. 5. Примеры влияния уровня шумов при анализе доплеровских сигналов

Рис. 5. Примеры влияния уровня шумов при анализе доплеровских сигналов

В ряде случаев акустический шум может быть источником еще более сложных проблем. При выполнении УЗИ движение крови определяется по небольшому Доплеровскому смещению отраженных и принятых волн. Любая низкочастотная модуляция излучаемого или принимаемого сигнала от неподвижных объектов вызывает шум, который может заглушать полезные сигналы или даже формировать ложные пики в рабочем спектре частот (рисунок 5). При работе с доплеровскими сигналами в импульсном режиме соотношение «сигнал/шум» в диапазоне смещения 1 кГц должно быть больше, чем 140 дБ/Гц относительно несущей. Для полноволнового режима CWD требования еще жестче – не менее 155 дБ/Гц относительно несущей.

Существует большое количество источников низкочастотного шума, но наиболее значимыми и распространенными среди них являются низкочастотные импульсные источники питания. Именно создаваемые ими помехи приносят больше всего вреда при использовании доплеровского эффекта. Их шум может вызывать дрожание частоты генераторов приемника и передатчика, которое, в свою очередь, приведет к сужению динамического диапазона или к появлению нежелательных пиков в спектре. Эти же шумы могут воздействовать на схему управления коэффициентом усиления VGA, что приведет к дополнительной модуляции принятого сигнала и, следовательно, к затенению полезного доплеровского сигнала.

Эффективным способом снижения уровня аудиошумов, вызванных источниками питания, остается активное управление потреблением. В традиционных крупногабаритных установках УЗИ для этих целей используют множество отдельных неэффективных линейных регуляторов, которые распределяют по всей системе. Очевидно, что в портативных приборах такой подход недоступен.

В результате разработчикам для повышения эффективности приходится применять распределенную систему импульсных регуляторов. К сожалению, при переключениях этот тип регуляторов создает значительные кондуктивные и радиопомехи, которые сложно контролировать даже при качественной разводке и фильтрации. Спектр доплеровского сигнала чувствителен к таким шумам. Обычно они приводят к появлению дополнительных тонов на частотной характеристике. Единственный способ борьбы с данным явлением состоит в синхронизации импульсных источников с рабочей частотой системы. В этом случае возникающие шумы легче вывести из рабочего диапазона. Таким образом, необходимо проявлять максимальную осторожность при использовании импульсных регуляторов в таких устройствах, чтобы минимизировать потребление и избежать негативного влияния.

 

Заключение

Разработка ультразвуковых систем является серьезной задачей для инженеров-разработчиков. Среди наиболее значимых проблем можно отметить ограничение пространства, обеспечение питания в условиях ограниченной занимаемой площади, возрастающие требования к производительности. Разработчикам следует разумно использовать новые микросхемы, которые сочетают в себе высокий уровень интеграции, малое потребление, необходимое быстродействие. При создании устройств необходимо знать о распространенных проблемах с шумами в компактных устройствах и уделить большое внимание системному проектированию, чтобы этих проблем избежать.

Трудности при создании новых портативных систем с лихвой искупаются преимуществами. Уже сейчас невооруженным глазом видно их положительное влияние на уровень здравоохранения во всем мире. Есть основания полагать, что эта тенденция сохранится, пока будут появляться новые более совершенные аналоговые интегральные схемы, доступные для разработчиков компактных медицинских приборов.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

MAX_NE_06_15_opt

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:
Группы товаров:

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее