- Високоякісна ультразвукова діагностика і зниження габаритів
- Управління харчуванням приймача
- Баланс між шумовими характеристиками і мініатюризацією
- Зниження рівня шумів в робочому частотному діапазоні
- мінімізація аудіошумов
- висновок
- Про компанію Maxim Integrated
Вимоги зменшення габаритів і зниження вартості призводять до перегляду принципів побудови сучасних апаратів УЗД. У статті розглядаються останні досягнення аналогової інтегральної технології, яка дозволяє створювати малогабаритні ультразвукові системи, а також обговорюються проблеми боротьби з шумами в найбільш компактному і сучасному обладнанні даного типу.
За останнє десятиліття в області медичного ультразвукового устаткування сталася справжня революція. Досягнення аналогової інтегральної технології дозволили виробникам значно знизити як габарити, так і вартість потужної медичної техніки. Ті прилади, які раніше важили кілька сот кілограм і вимагали візок для перевезення, тепер мають розмір, який можна порівняти з розміром ноутбука. Немає необхідності говорити про те, яке величезне значення це мало для медичного персоналу і для хворих. У розвинених країнах зниження ціни обладнання призвело до зниження вартості лікування. У країнах, що розвиваються УЗД стало доступним набагато більшому колу хворих, в тому числі - проживають в сільській місцевості. Таким чином, нові бюджетні і компактні пристрої мали значний вплив на медицину. При цьому перспективні технології обіцяють ще більше переваг.
Варто відзначити, що шлях вдосконалення пристроїв ультразвукової діагностики не так-то простий. Завжди існували і будуть існувати проблеми, які необхідно вирішувати, щоб знизити габарити, зменшити вартість, збільшити продуктивність. У даній статті розглядаються основні проблеми, що виникають перед розробниками такого обладнання.
Високоякісна ультразвукова діагностика і зниження габаритів
Для отримання якісного зображення розробники компактних систем намагаються розмістити якомога більше ультразвукових приймачів в обмеженому просторі корпусу приладу. Це досить складне завдання. Так, наприклад, в стандартних на сьогоднішній день апаратах число використовуваних трансиверів становить 128 і навіть більше.
Мал. 1. Функціональна схема ультразвукового приймача
Типова схема ультразвукового приймача показана на малюнку 1. Для отримання ультразвукового зображення високовольтний передавач формує синхронізовані високовольтні імпульси. Ці імпульси збуджують ультразвукової перетворювач (п'єзоелемент), який генерує спрямовані звукові сигнали. Сигнали поширюються і, відбиваючись від неоднорідностей в тілі пацієнта, приймаються тим же самим перетворювачем. Далі вони надходять в приймальний тракт приймача.
Приймач містить кілька функціональних блоків: ключ прийому-передачі (transmit / receive switch, T / R), підсилювач з низьким рівнем шумів (low-noise amplifier, LNA), програмований підсилювач (variable-gain amplifier, VGA), антіалайзінговий фільтр (anti -alias filter, AAF) і аналогово-цифровий перетворювач (analog-to-digital converter, ADC). Для захисту від високовольтних імпульсів малошумящий фільтр підключений до перетворювача через приймально ключ. Коефіцієнт посилення LNA для зниження чутливості до шумів фіксований. Програмований підсилювач VGA використовується для компенсації загасання ультразвуку в тілі людини. Це дозволяє узгодити вхідний сигнал з динамічним діапазоном АЦП. Наявність антіалайзінгового фільтра AAF в приймальному тракті необхідно для видалення високочастотних шумових складових, що виходять за межі аналізованого частотного спектра. Посилені і оцифровані відліки обробляються цифровою системою формування потоку для отримання направленого і сформованого сигналу. Отриманий сигнал використовується для створення 2D-зображень або отримання додаткової інформації про усунення спектра при роботі з сигналами Доплера в імпульсному режимі.
Приймач також містить окремий блок формувача потоку для роботи з сигналами Доплера в Повнохвильова режимі (continuous-wave Doppler, CWD). Блок CWD розташований відразу після малошумящего підсилювача LNA. Це пов'язано з тим, що режим роботи CWD дуже вимогливий до динамічному діапазону вхідного сигналу, який виходить за межі можливостей блоків VGA / ADC. Для отримання необхідного вихідного потоку даних необхідно змішати вхідний сигнал з частотним сигналом локальних генераторів і підсумувати отримані результати. З цієї причини блок CWD повинен включати високодинамічною мікшери і програмовані генератори.
Цілком очевидно, що трансивери мають широку функціональність, і розмістити 128 подібних пристроїв в форм-факторі персонального комп'ютера є непростим завданням. Виробники електроніки відповідають на нього підвищенням рівня інтеграції. В даний час нескладно відшукати мікросхеми з вісьмома приймачами, що включають LNA, VGA, AAF і ADC, і вміщується в корпусі розмірами 10 × 10 мм. Високовольтні випромінювачі також випускаються в чотирьох-і восьмиканальному виконанні з розмірами корпуса 10 × 10 мм. Це підвищення інтеграції є надзвичайно важливим. Воно й зіграло ключову роль в появі сучасного покоління портативних систем. Однак, забігаючи вперед, варто сказати, що це не межа можливостей інтегральних технологій.
Мал. 2. Ультразвуковий приймач MAX2082
мікросхема MAX2082 містить вісім приймачів (малюнок 2), і являє собою яскравий приклад найбільш сучасних досягнень в області ультразвукових високоінтегрованих рішень. Мікросхема включає в себе повноцінний приймальний тракт, приймально ключ, розв'язують конденсатори і трирівневий датчик імпульсів. Все це розміщено в корпусі розміром 10 × 23 мм. Такий приймач економить займану площу, скорочує час на розробку, знижує загальну вартість системи.
Мал. 3. Реалізація приймально-передавального ключа вимагає дев'яти дискретних компонентів
Економія займаної площі при використанні таких мікросхем може бути значною. Навіть використання тільки одного інтегрованого приймально-передавального ключа вже економить багато місця. Розглянемо типову і найбільш поширену схему реалізації такого ключа (рисунок 3). Як видно з малюнка, вона вимагає дев'яти дискретних компонентів. Це означає, що в пристрої зі ста двадцятьма вісьмома каналами число дискретних компонентів, необхідних для створення тільки приймально-передавальних ключів, перевалить за 1000!
Мал. 4. 128-канальна плата на базі восьмиканальних приймачів
Малюнок 4 демонструє друковану плату (ПП) 128-канального приймача на базі MAX2082. Плата має площу менше 10 квадратних дюймів, що в два рази менше, ніж виходить при використанні окремих мікросхем восьмиканальних приймачів, восьмиканальних передавачів і дискретних T / R-ключів.
Управління харчуванням приймача
Організація харчування пристроїв з високим ступенем інтеграції представляє складну задачу. По-перше, більшість ультразвукових апаратів є портативними і має працювати від акумулятора без підзарядки, як мінімум, протягом години. По-друге, відведення тепла також є великою проблемою. Щільність розташування компонентів на ПП досить висока, а відстань між ними мало, що призводить до нестачі місця для повітряних потоків. Важливо відзначити, що ультразвукові приймачі вносять значний вклад в загальне енергоспоживання системи, це вимагає підвищеної уваги при проектуванні.
За останні десять років споживання ультразвукових приймачів скоротилося вдвічі. Зараз не проблема знайти інтегральний приймач, що має LNA, VGA, AAF, АЦП, споживання якого - менше 150 мВт на канал. Крім того, нове покоління ресиверів має гнучку систему управління живленням, що дозволяє користувачеві знаходити компроміс між споживанням і продуктивністю, використовувати сплячі режими з швидким пробудженням для економії енергії в неактивному режимі.
Є й інші перспективи поліпшення властивостей приймачів. Так, наприклад, один ключ T / R споживає до 80 мВт. Це пов'язано з необхідністю протікання струмів зміщення через діоди для зниження їх опору і поліпшення шумових характеристик. Але ж ця потужність дорівнює споживанню всіх компонентів приймача разом узятих! Новітні інтегральні T / R-ключі, наприклад, MAX2082, мають кращі шумові характеристики, споживаючи при цьому всього 15 мВт.
Баланс між шумовими характеристиками і мініатюризацією
Підвищення ступеня інтеграції і зниження споживаної потужності є основним завданням при створенні ультразвукових систем. Однак не відразу стає очевидним, що ці проблеми безпосередньо пов'язані з мініатюризацією обладнання.
Зниження рівня шумів в робочому частотному діапазоні
Ультразвукові системи надзвичайно чутливі до кондуктивним і радіоперешкод, що виникають на частотах 2 ... 15 МГц. Вхідна чутливість кожного каналу може складати всього 1 НВ / Гц. У 128-канальних приладах коефіцієнт посилення небажаних сигналів може досягати 21 дБ в залежності від величини затримки між роботою каналів при формуванні робочого потоку. В результаті цього навіть шум з малою щільністю 0,09 НВ / √Гц (в робочому діапазоні частот) чітко видно і проявляється у вигляді артефактів на вихідному зображенні. Такі артефакти є загальновідомими, їх часто називають «мерехтливими вогнями», вони нагадують яскраві спалахи в тих місцях зображення, для яких встановлено найвищий коефіцієнт посилення. Існує велика кількість джерел кондуктивних і радіоперешкод, що викликають такі шуми.
Розробникам ультразвукових схем необхідно затратити багато зусиль, щоб сформувати контури заземлення, а також фізично захистити і екранувати чутливі аналогові елементи від галасливих цифрових схем. На жаль, інженерам, що створює портативні ультразвукові прилади, в більшості випадків недоступна така розкіш, як фізичне поділ чутливих і галасливих схем, а екранування утруднено через обмеженого простору і проблем з відведенням тепла. В результаті наявність шумів в робочому діапазоні частот є практично неминучим явищем, особливо в тих приладах, де в безпосередній близькості знаходяться одноплатні комп'ютери, які необхідні для обрахування одержуваних даних і виведення їх на екран. Таким чином, необхідно приділяти максимальну увагу питанням заземлення та екранування на самих ранніх етапах проектування. Спроби змінити пристрої з високим ступенем інтеграції на більш пізніх етапах, коли створюються досвідчені прототипи, можуть виявитися надзвичайно складними і витратними.
мінімізація аудіошумов
Мал. 5. Приклади впливу рівня шумів при аналізі доплерівських сигналів
У ряді випадків акустичний шум може бути джерелом ще більш складних проблем. При виконанні УЗД рух крові визначається по невеликому доплеровское усунення відбитих і прийнятих хвиль. Будь-яка низькочастотна модуляція випромінюваного або сигналу від нерухомих об'єктів викликає шум, який може бути надто сильним корисні сигнали або навіть формувати хибні піки в робочому діапазоні частот (малюнок 5). При роботі з доплерівськими сигналами в імпульсному режимі співвідношення «сигнал / шум» в діапазоні зсуву 1 кГц має бути більше, ніж 140 дБ / Гц щодо несучої. Для Повнохвильова режиму CWD вимоги ще жорсткіше - не менше 155 дБ / Гц щодо несучої.
Існує велика кількість джерел низькочастотного шуму, але найбільш значущими і поширеними серед них є низькочастотні імпульсні джерела живлення. Саме створювані ними перешкоди приносять найбільше шкоди при використанні доплерівського ефекту. Їх шум може викликати тремтіння частоти генераторів приймача і передавача, яке, в свою чергу, призведе до звуження динамічного діапазону або до появи небажаних піків в спектрі. Ці ж шуми можуть впливати на схему управління коефіцієнтом посилення VGA, що призведе до додаткової модуляції прийнятого сигналу і, отже, до затінення корисного допплерівського сигналу.
Ефективним способом зниження рівня аудіошумов, викликаних джерелами живлення, залишається активне управління споживанням. У традиційних великогабаритних установках УЗД для цих цілей використовують безліч окремих неефективних лінійних регуляторів, які розподіляють по всій системі. Очевидно, що в портативних приладах такий підхід недоступний.
В результаті розробникам для підвищення ефективності доводиться застосовувати розподілену систему імпульсних регуляторів. На жаль, при перемиканні цей тип регуляторів створює значні кондуктивні і радіоперешкоди, які складно контролювати навіть при якісної розводці і фільтрації. Спектр доплерівського сигналу чутливий до таких шумів. Зазвичай вони призводять до появи додаткових тонів на частотній характеристиці. Єдиний спосіб боротьби з цим явищем полягає в синхронізації імпульсних джерел з робочою частотою системи. У цьому випадку виникають шуми легше вивести з робочого діапазону. Таким чином, необхідно проявляти максимальну обережність при використанні імпульсних регуляторів в таких пристроях, щоб мінімізувати споживання і уникнути негативного впливу.
висновок
Розробка ультразвукових систем є серйозним завданням для інженерів-розробників. Серед найбільш значущих проблем можна відзначити обмеження простору, забезпечення харчування в умовах обмеженої займаної площі, зростаючі вимоги до продуктивності. Розробникам слід розумно використовувати нові мікросхеми, які поєднують в собі високий рівень інтеграції, мале споживання, необхідна швидкодія. При створенні пристроїв необхідно знати про поширені проблеми з шумами в компактних пристроях і приділити велику увагу системного проектування, щоб цих проблем уникнути.
Труднощі при створенні нових портативних систем з лишком викупаються перевагами. Уже зараз неозброєним оком видно їх позитивний вплив на рівень охорони здоров'я в усьому світі. Є підстави вважати, що ця тенденція збережеться, поки будуть з'являтися нові більш досконалі аналогові інтегральні схеми, доступні для розробників компактних медичних приладів.
Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .
Про компанію Maxim Integrated
Компанія Maxim Integrated є одним з провідних розробників і виробників широкого спектра аналогових і цифро-аналогових інтегральних систем. Компанія була заснована в 1983 році в США, в місті Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі створення мікроелектронних компонентів. На даний момент штаб-квартира компанії знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі
