90年代初期
，便攜式電話風靡一時。隨著膝上型計算機的體積縮小，它們也被稱為“背包電話”。目前
，電子行業已經取得長足的發展
，現今的手機可以發送電子郵件和短信，可以拍照
、查詢股票價格、安an排pai會hui議yi，當dang然ran
，也ye可ke以yi同tong世shi界jie上shang任ren何he地di方fang的de任ren何he人ren通tong話hua。同tong樣yang在zai醫yi療liao領ling域yu中zhong，以yi前qian所suo謂wei的de便bian攜xie式shi超chao聲sheng係xi統tong裝zhuang載zai在zai手shou推tui車che上shang，並bing且qie可ke以yi拖tuo拽zhuai
，但dan是shi實shi際ji上shang它ta們men是shi難nan於yu拖tuo拽zhuai的de。幸xing而er超chao聲sheng係xi統tong也ye在zai持chi續xu改gai進jin，並bing且qie被bei醫yi生sheng們men稱cheng為wei“新型聽診器”。

　　

本(ben)文(wen)將(jiang)回(hui)顧(gu)經(jing)典(dian)的(de)超(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)鏈(lian)路(lu)
，討(tao)論(lun)不(bu)同(tong)的(de)係(xi)統(tong)劃(hua)分(fen)策(ce)略(lve)以(yi)及(ji)它(ta)們(men)的(de)優(you)缺(que)點(dian)，並(bing)且(qie)展(zhan)示(shi)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)劃(hua)分(fen)策(ce)略(lve)在(zai)便(bian)攜(xie)式(shi)超(chao)聲(sheng)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)意(yi)義(yi)。

　　

圖1. 典型的超聲信號鏈路

　　

圖1所示的是超聲係統的簡化原理圖。係統的傳感器均位於相對較長的電纜末端，這些電纜約兩米長。這些電纜包含有至少8個至256個ge微wei型xing同tong軸zhou電dian纜lan

，是shi係xi統tong最zui昂ang貴gui的de部bu件jian之zhi一yi。幾ji乎hu在zai每mei個ge係xi統tong中zhong，電dian纜lan由you傳chuan感gan器qi單dan元yuan直zhi接jie驅qu動dong。電dian纜lan的de電dian容rong成cheng為wei傳chuan感gan器qi元yuan件jian的de負fu載zai
，引yin起qi了le很hen大da的de信xin號hao損sun耗hao，這zhe對dui接jie收shou端duan提ti出chu了le靈ling敏min度du的de要yao求qiu，以yi便bian保bao持chi動dong態tai範fan圍wei和he實shi現xian最zui佳jia係xi統tong性xing能neng。

　　

在發射端（Tx路徑），波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)器(qi)確(que)定(ding)了(le)延(yan)遲(chi)模(mo)式(shi)和(he)脈(mai)衝(chong)序(xu)列(lie)，其(qi)是(shi)專(zhuan)為(wei)所(suo)需(xu)的(de)焦(jiao)點(dian)而(er)設(she)定(ding)的(de)。然(ran)後(hou)，驅(qu)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)高(gao)壓(ya)發(fa)射(she)放(fang)大(da)器(qi)將(jiang)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)放(fang)大(da)。這(zhe)些(xie)放(fang)大(da)器(qi)可(ke)由(you)數(shu)模(mo)轉(zhuan)換(huan)器(qi)（DAC）或者高壓FET開關陣列控製，將發射脈衝整形
，以便較好的將能量傳遞到傳感器單元。而在接收端
，發射/接收（T/R）開關（通常是二極管電橋）阻擋Tx高壓脈衝。在某些陣列中使用高壓（HV）多路複用器/多路分離器減少發射和接收硬件的複雜度

，但是這犧牲了靈活性。

　　

時間增益控製（TGC）路徑由一個低噪聲放大器（LNA）
、一個可變增益放大器（VGA）和一個模數轉換器（ADC）構成。在操作人員的控製下，TGC路徑用於在掃描過程中保持圖像的均勻性。良好的噪聲性能取決於LNA
，它可以減少後麵的VGA對噪聲的貢獻。對於受益於輸入阻抗匹配的應用
，有源阻抗控製可以優化噪聲性能。

　　

通過VGA將寬動態範圍的輸入信號壓縮，以滿足ADC的輸入範圍要求。LNA的折算至輸入端的噪聲限製了可分辨的最小輸入信號
，而折算至輸出端的噪聲主要取決於 VGA
，它限製了特定增益控製電壓下的最大瞬時動態範圍。該限製是根據量化的本底噪聲設定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。

　　

抗混疊濾波器（AAF）限製了信號帶寬，同時也限製了ADC之前的TGC路徑中的其它噪聲。

　　

醫用超聲的波束成形被定義為信號的相位對準和求和，該信號由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時間點接收。在CWD路徑中
，對接收器通道進行移相和求和
，以提取一致的信息。波束成形具有兩個功能：一個是向傳感器指明方向，即提高其增益
，另一個是定義人體內的焦點，由該焦點得到回波的位置。

對於波束成形，可以采用兩種截然不同的方法：模擬波束成形（ABF）和數字波束成形（DBF）。ABF和DBF係統之間的主要差別在於完成波束成形的方式；這兩種方法都需要良好的通道間匹配。在ABF中

，使用模擬延遲線和求和。其中僅需要一個（分辨率非常高的）高速ADC。而另一方麵，在DBF係統中
，需要多個高速高分辨率ADC。有時候在ABF係統的ADC之前使用對數放大器壓縮動態範圍。而在DBF係統中，應盡可能接近傳感器單元來采集信號，然後將信號延遲並對其進行數字求和。在圖2和3中示出了這兩種類型的波束成形體係結構的簡化的原理圖。

圖2. ABF係統的簡化原理圖

圖3. DBF係統的簡化原理圖

　　

由於DBF更加靈活，因此大部分現代圖像采集超聲係統常采用的這種方法

，但是應當注意ABF和DBF之間優點和缺點是相對的。

　　

　　

模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差 模擬延遲線中的延遲抽頭的數目受到限製，並且必須使用微調電路 在采集數據之後，數字存儲和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的通過對FIFO中不同位置的數據求和，可以容易地形成多個波束 由於存儲器越來越便宜
，因此可以使用容量更大的FIFO
，以提供更加精細的延遲 僅通過軟件即能夠使係統具有不同的功能 數字IC的性能以非常高的速度持續提高

　　

　　

需要多個高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動態範圍，而這至少需要10 bit的ADC） 由於使用多個ADC和數字波束成形ASIC，因此功耗較高 ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調節的準確度
；采樣速率越高，相位延遲就越精細。

　　

suiranxianjinxitongyiyongyoudaliangdexianjinjishu，danshichaoshengxitongshejirengranshifuzade。duiyuqitadefuzaxitong，yijuyouxitonghuafendeduozhongfangfa。zaibenjiezhongjiangtaolunduozhongchaoshengxitonghuafencelve，suoyouzhexiehuafencelvejunzheyanyujiejuexitongbianxiexingdewenti。

　　

許多年來
，製造商通過設計定製ASIC來實現複雜的係統。該解決方案通常包括兩個ASIC
，其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分，如圖4所示。在多通道VGA
、ADC和DAC廣泛使用之前，這一方法是常見的。該定製電路允許設計人員加入一些廉價的、linghuodegongneng。youyujichengdabufendexinhaolianlu，jianshaolexitongzhongshiyongwaibuyuanjiandeshumu，yincigaijiejuefanganbeirenweishijieyuechengbende。danshiqiquedianzaiyu

，suizheshijiandetuiyi，guangkejishudefazhanshidezhexieASIC顯得落後，不能滿足進一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門電路，它們的數字技術不能針對集成模擬功能進行優化。而且僅有有限的供應商可以定製ASIC器件
，這將導致設計者麵臨一個瓶頸。

圖4. ASIC方法

 

在zai前qian麵mian的de示shi例li中zhong，超chao聲sheng係xi統tong的de便bian攜xie性xing是shi有you局ju限xian性xing的de
，但dan的de確que是shi可ke行xing的de。即ji便bian這zhe樣yang，這zhe也ye是shi解jie決jue係xi統tong劃hua分fen問wen題ti的de重zhong要yao的de第di一yi步bu。便bian攜xie性xing不bu僅jin表biao現xian在zai體ti積ji方fang麵mian
，而er且qie也ye表biao現xian在zai電dian池chi壽shou命ming方fang麵mian
，因yin為wei這zhe些xie電dian路lu對dui功gong耗hao的de要yao求qiu非fei常chang高gao。隨sui著zhe四si通tong道dao和he八ba通tong道dao的deTGC、ADC和DAC的de出chu現xian，體ti積ji和he功gong耗hao得de到dao進jin一yi步bu減jian小xiao
，也ye隨sui之zhi產chan生sheng了le解jie決jue便bian攜xie性xing問wen題ti的de新xin型xing的de係xi統tong方fang法fa。這zhe些xie多duo通tong道dao器qi件jian允yun許xu設she計ji人ren員yuan在zai構gou造zao係xi統tong時shi，將jiang敏min感gan電dian路lu放fang置zhi在zai兩liang個ge或huo更geng多duo的de電dian路lu板ban上shang。這zhe可ke以yi減jian小xiao係xi統tong體ti積ji，並bing且qie有you利li於yu在zai多duo個ge開kai發fa平ping台tai上shang重zhong複fu利li用yong該gai電dian路lu。但dan是shi這zhe一yi方fang法fa也ye存cun在zai缺que點dian，係xi統tong體ti積ji減jian小xiao也ye依yi賴lai於yu係xi統tong劃hua分fen，多duo通tong道dao器qi件jian可ke能neng使shiPCB的布線極為繁瑣，迫使設計人員使用通道數目較少的器件，例如從八通道ADC變為四通道ADC，而且如果係統體積較小，還會帶來散熱的問題。

　　

隨著完整的 TGC路徑的進一步集成，如圖5中所示，多通道、多元件的集成使設計變得更加容易，這是因為它們對PCB尺寸和功耗的要求進一步降低。隨著更高級的集成方案的廣泛使用
，可以進一步減少成本、供應商數量、係統體積和功耗
，係統散熱量降低，延長便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子係統為滿足緊湊性要求而設計
，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝，每個完整的TGC通道在40 MSPS下功耗僅為150 mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數目，因此使每個通道的總麵積至少減少1/3
，功耗至少降低25%。

圖5. TGC集成

但是AD9271不可能滿足每個超聲係統設計人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中，或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是：lianjietanzhendanyuandedianlanhuiduidongtaifanweiyouxiebuliangyingxiang
，erqiechengbenjiaogao。ruguoqianduandianziyuanjianbijiaojiejintanzhen

，namejiukeyijianshaoyingxiangxinhaolingmindudetanzhensunhao
，yunxushejirenyuanjiangdixitongduiLNA的要求。圖6中提出了一種方法
，即將LNA集成到探針單元中。另一種方法是將VGA控製放在探針和電路板上的、yuanjianzhijian。suizheqijiandechicunbuduansuoxiao，xitongyekeyifengzhuangdaochaoxiaoxingfengzhuangzhong。danshizhezhongfangfadequedianzaiyu，shejirenyuanxuyaoduitanzhenjinxingquandingzhisheji。huanyanzhi，tanzhen/電子器件的定製設計將使設計人員回到ASIC實例中存在的瓶頸

，而且供應商是有限的。

圖6. 探針集成

　　

總而言之
，應當稱讚的是，現今大部分超聲係統公司將其大部分知識產權（IP）應用於探針和波束成形技術。使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC來完成係統
，消除了對高成本元器件的需要
，而且簡化了獨立TGClujingdetiaozhengheyouhua。haiyingdangzhuyi
，yekeyikaolvjinyibujichengchaoshengxitongdeqitabufen。zaishengchannenglixukeqieshichangdaoxiangmubiaoshidangdeqiantixia，zhexieqitaxinhaolianlubufendejichengjiangshiyoulide。

 

　　

許xu多duo應ying用yong都dou意yi識shi到dao超chao聲sheng的de優you異yi之zhi處chu，因yin此ci對dui超chao聲sheng係xi統tong的de便bian攜xie性xing有you很hen高gao的de要yao求qiu。即ji使shi在zai無wu法fa提ti供gong可ke靠kao電dian源yuan的de遠yuan程cheng應ying用yong中zhong，由you於yu增zeng加jia的de便bian攜xie性xing，也ye可ke以yi使shi用yong這zhe些xie設she備bei。這zhe些xie應ying用yong包bao括kuo偏pian遠yuan鄉xiang村cun的de臨lin床chuang醫yi療liao、緊急醫療服務、大型動物飼養
、以及橋梁
、大型機械和輸油管線的檢驗。

　　

超聲係統可以分為三類：高端
、中zhong端duan和he低di端duan。高gao端duan超chao聲sheng係xi統tong采cai用yong最zui新xin的de技ji術shu
，滿man足zu市shi場chang最zui新xin的de要yao求qiu，並bing且qie提ti供gong最zui佳jia的de圖tu像xiang質zhi量liang。中zhong端duan超chao聲sheng係xi統tong在zai不bu犧xi牲sheng圖tu像xiang質zhi量liang的de前qian提ti下xia
，通tong常chang具ju有you高gao端duan超chao聲sheng係xi統tong的de部bu分fen特te性xing。而er低di端duan超chao聲sheng係xi統tong的de體ti積ji一yi般ban較jiao小xiao，一yi般ban應ying用yong於yu臨lin床chuang醫yi療liao等deng特te定ding應ying用yong。顯xian然ran，高gao端duan超chao聲sheng係xi統tong是shi非fei常chang昂ang貴gui的de
，並bing且qie依yi賴lai於yu應ying用yong和he市shi場chang需xu求qiu進jin行xing不bu同tong的de劃hua分fen。然ran而er，便bian攜xie性xing的de趨qu勢shi使shi許xu多duo“高端”tezhengjiangji，tongchangweidianxingdediduanhuobianxiedetezheng。yibanlaishuo
，zheyiqushisuizhegongyehedianzixingyedejishujinbuerfazhan。youyuzhexiejinbuyijiangqijiandetiji
、功gong耗hao和he性xing能neng指zhi標biao推tui到dao極ji限xian
，因yin此ci日ri益yi增zeng長chang的de要yao求qiu是shi將jiang便bian攜xie式shi設she備bei從cong低di端duan係xi統tong變bian為wei高gao端duan係xi統tong。盡jin管guan超chao聲sheng係xi統tong作zuo為wei臨lin床chuang醫yi療liao和he預yu防fang性xing維wei護hu工gong具ju
，已yi逐zhu漸jian為wei人ren們men所suo了le解jie，但dan是shi最zui初chu，使shi用yong率lv還hai是shi較jiao低di的de
，這zhe是shi因yin為wei便bian攜xie式shi超chao聲sheng係xi統tong的de成cheng本ben不bu僅jin包bao括kuo用yong於yu采cai購gou成cheng本ben，而er且qie也ye包bao括kuo對dui新xin用yong戶hu進jin行xing培pei訓xun的de成cheng本ben，但dan是shi隨sui著zhe遠yuan期qi效xiao益yi完wan全quan超chao過guo成cheng本ben代dai價jia時shi，便bian攜xie式shi超chao聲sheng係xi統tong將jiang日ri益yi普pu及ji。

　　

　　

理(li)解(jie)如(ru)超(chao)聲(sheng)係(xi)統(tong)這(zhe)樣(yang)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)的(de)細(xi)微(wei)差(cha)別(bie)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)多(duo)年(nian)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)開(kai)發(fa)。我(wo)們(men)應(ying)該(gai)感(gan)謝(xie)那(na)些(xie)最(zui)初(chu)的(de)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)
，是(shi)他(ta)們(men)開(kai)創(chuang)了(le)新(xin)的(de)領(ling)域(yu)並(bing)且(qie)確(que)定(ding)了(le)研(yan)究(jiu)方(fang)向(xiang)，使(shi)得(de)尖(jian)端(duan)的(de)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)能(neng)夠(gou)造(zao)福(fu)於(yu)人(ren)類(lei)。脈(mai)衝(chong)回(hui)波(bo)技(ji)術(shu)早(zao)期(qi)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)大(da)型(xing)水(shui)下(xia)船(chuan)體(ti)和(he)潛(qian)艇(ting)，並(bing)且(qie)用(yong)於(yu)結(jie)構(gou)製(zhi)造(zao)中(zhong)的(de)裂(lie)縫(feng)檢(jian)驗(yan)，超(chao)聲(sheng)技(ji)術(shu)的(de)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)這(zhe)僅(jin)僅(jin)是(shi)一(yi)個(ge)時(shi)間(jian)問(wen)題(ti)。

　　

yiliaohegongyeyingyongduibianxieshichaoshengxitongdexuqiuriyizengchang。suoyouzhexiexitongduijincouxinghebianxiexingdouyouzheleisideyaoqiu。zaibujiudejianglai，ninjiukeyiliyongshoujifasongtaierdesaomiaotuxiangle。