高性能模拟前端信号链解决方案如何助力医疗超声系统发展

2020-04-21来源: EEWORLD关键字:医疗超声  ADI

1942年,奥地利TDussik使用A型超声成像系统穿透性探测颅脑,并于1949年获得头部的超声图像,此举昭示超声系统进入到医疗领域。直到如今,超声系统作为用于人体内部的无创可视化技术,被广泛用于医疗领域。最近一份报告称到2022年,中国医疗超声诊断仪器行业的市场规模预计将达到15.8亿美元,保持6%左右的年均增长率。高性能模拟信号链前端是超声设备的关键组成部分,作为高性能模拟技术主要的提供商ADI将医疗健康领域作为其战略市场之一,为保证超声技术的可持续发展,ADI为超声系统关键的信号链功能模块提供了高度集成的解决方案,推动实现一流的临床成像设备。

 

超声系统的原理是通过向人体发射声学能量,然后接收并处理回波,从而产生内部器官和结构的图像,绘制血液流动和组织运动图,以及提供高度精确的血流速度信息。超声波扫描使用频率范围为1 MHz至18 MHz的声波脉冲,这些声波扫描人体内部组织并以不同强度的回波进行反射。然后实时采集这些回波,并显示为超声波扫描图,其中可能包含不同类型信息,如声阻抗、血流量、组织随时间的活动状态或其僵硬程度。

 

实现最佳医疗影像,数据采集模拟前端性能很关键

 

image.png

 

所以不难看出,想要提升超声系统的图片质量,其深藏于复杂机器内部的前端性能至关重要。医疗超声前端的关键功能模块由集成的多通道模拟前端(AFE)组成,它包括低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器(AAF)、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态范围。根据成像模式,该要求可能需要达到70 dB至160 dB,以便区分血液信号与探头和身体组织运动所产生的背景噪声。因此,ADC必须具有高分辨率、高采样速率和低总谐波失真(THD),以保持超声信号的动态保真度。对此,ADI面向医疗超声设备提供的一款集成式AFE AD9671可实现最佳图像质量。

 

image.png

 

AD9671采用14位ADC,具有最高可达125 MSPS的采样速率和75 dB SNR性能,超声成像质量更佳。每个通道都经过优化,在连续波模式下具有160 dBFS/√Hz的高动态性能和62.5 mW的低功率。其内置8通道的可变增益放大器(VGA)、低噪声前置放大器(LNA)、具有可编程相位旋转功能的CW谐波抑制I/Q解调器、抗混叠滤波器(AAF)、模数转换器(ADC)以及用于处理数据和降低带宽的数字解调器和抽取器。每个通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信号路径以及有源输入前置放大器终端,且都专门针对高动态范围与低功耗而优化设计。

 

LNA具有单端转差分增益,可以通过SPI进行选择。假设噪声带宽(NBW)为15 MHz且LNA增益为21.6 dB,则LNA输入信噪比(SNR)为94 dB。CW多普勒模式下,各LNA输出端驱动一个I/Q解调器。各解调器具有独立可编程的相位旋转和16种相位设置。

 

从推车到便携,如何做到减尺寸不减性能?

 

随着智能化技术的发展,便携式医疗设备逐渐成了主流发展趋势之一。过去,实现超声成像系统需要大量高性能发射电路和接收电路,由此产生的是庞大且昂贵的推车式系统。不过如今系统设计人员能够采用AD9671实现尺寸更小、成本更低、更便携的成像解决方案,而其性能则接近推车式系统。

 

AD9671通过集成5Gb JESD204B接口,与其它数据接口标准相比,可减少多达80%的超声系统 I/O 数据路由。减少路由可满足制造商设计小型、高性能超声系统的需要,在简化超声设备电路板设计的同时,更符合业界对更高数据速率、更多通道数和更佳图像分辨率的要求。

 

此外,AD9671接收器能够调理8通道射频到基带频率数据,与其他器件相比,可降低至少50%的系统FPGA(现场可编程门阵列)处理负担。并且各通道均可单独进入省电模式,从而延长便携式应用的电池使用时间。利用待机模式则可以快速上电,以便开机重启。在CW多普勒模式工作时,VGA、AAF和ADC均进入省电模式。不仅如此,ADC还内置多种功能特性,例如可编程时钟、数据对准、生成可编程数字测试码等,可使器件的灵活性达到最佳、系统成本降至最低。可以说这款8通道集成式接收器前端AD9671,专为中到高端便携和手推车式超声系统而设计。

 

结语

 

超声系统在当前小型化趋势下还面临更多挑战,包括:波束形成器的复杂度,要达到很高的图形质量,必须有大量的波束形成通道;高复杂度进而导致高功耗,并且需要更多成像空间来实施,而随着设备向小型化发展,尤其是以提升图像质量为目标时,散热问题变得很重要。本文介绍的AD9671仅仅只是ADI医疗超声系统解决方案的其中一款产品,还有一系列种类丰富的前端、放大器、数据转换、信号处理和电源管理解决方案供用户选择,包括SNR性能的改进在谐波成像(HI)方面具有显著优势的线性发射解决方案等,可以使推车式和便携式超声设备达到最佳图像质量,并降低功耗和成本。

关键字:医疗超声  ADI 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/mndz/ic494939.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:集成式收发器支持实现小型相控阵雷达平台
下一篇:最后一页

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

从推车式到便携式:超声智能探针可以改变医疗服务
医学成像,特别是超声成像技术,正处于变革之中。过去,医疗人员使用推车式的高性能超声波系统为病人诊断,而现在他们可以使用手持设备来实现超声波成像。得益于半导体技术的进步,超声智能探针的尺寸越来越小且变得便携,人们在办公室和医院之外就能够获得医疗保健。 超声智能探针实质上是一种便携式超声波,整个前端和几乎所有后端硬件都集成其中。智能探针的功耗较低,尺寸也小,能够在保持信号质量的同时处理数据,并且可以使用高速USB或无线连接在移动设备上显示图像。 在不远的将来,绝大多数医生就能将智能探针装进口袋里。未来十年内全球市场上出现几百万个这样的探针,其作用将与标准超声系统相辅相成。然而,将超声系统缩至手持设备的大小绝非易事
发表于 2019-09-26
从推车式到便携式:超声智能探针可以改变医疗服务
利用超声波来测血压 准确快捷且人体不会感觉到疼痛
现在,医生们都在使用超声波,就像蝙蝠一样,利用多普勒效应检测体内血液流动的情况。但这种技术目前还不能用于检测那些血液流通缓慢、病症多发的小血管流动情况。不过音爆技术可以通过加热一小滴血液,从而完成对其观察。这种技术听起来似乎更像是漫画中的一种酷刑装置,不过根据华盛顿大学的研究小组的消息,通过这种超音速爆炸加入血管的做法,病患所能感受到的仅仅是有一些温暖的感觉。与此同时,通过被加热血液的部分会放射出红外激光脉冲,从而被超声波所捕捉,并将流动的实时数据传递出来。科学家曾用在水中添加墨水的方式判断水流流速,而在这种解决方案中,墨水被替换成了加热的血液。在实验过程中,仪器可以检测到最慢达到2.5毫米/秒流速的血液。与之对应的,如果仅凭现在
发表于 2019-01-03
利用超声波来测血压 准确快捷且人体不会感觉到疼痛
新独角兽诞生!复星医药布局智能手机超声成像仪
操作体验。同时,借助智能手机应用和互联网技术,Butterfly iQ很好地具备了远程互助等功能,实现普通用户与行业专家之间、基层医疗机构与大型医院之间的无缝实时合作交流。过去五十多年来,传统的超声成像仪一直基于压电晶体换能器的压电效应原理,但压电晶体受限于特定的超声频率范围、昂贵的换能器制造成本等,传统超声成像仪长期定位相对高端、集中等候检查,而无法如“听诊器”一般成为医生的常备工具。图片来源:企业供图Butterfly iQ首次推出了基于全新原理的集成于单一芯片上的超声换能器,不同于传统基于压电晶体的临床超声系统,实现了在超声检测频率范围、检测模式、仪器成本、便捷性等多个方面质的突破,通过智能手机和远程医疗使得最基层的医疗实践者
发表于 2018-09-29
美国研制出一种可穿戴的超声波贴片,能更迅速的检测出心血管问题
据了解,美国研究人员研制出一种可穿戴的超声波贴片。能无创的监测皮肤下方4厘米深处的动脉血压,从而更早、更精确地检测出心血管问题。这种贴片可实时、持续地监测心脏病、肺病患者以及重症患者的血压变化。可穿戴的超声波贴片为一层薄薄的弹性有机硅,带有所谓的“岛桥”结构——小型电子零件阵列(岛),每个都由弹簧形电线(桥)连接。每个岛都包含称为压电传感器的电极和器件,当电流通过时会产生超声波。据了解,目前形式的可穿戴设备只能用于皮肤表面或其正下方感应信号。而这种超声波技术则可以以一种非侵入性地跟踪体内深处其他生命体征和生理信号。让可穿戴电子产品的感应范围进入第三个维度。医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性,即将超声波发射到人体内,当它在
发表于 2018-09-17
飞利浦推出首款医疗用实时超声波系统
据外媒报道,飞利浦携手加拿大Innovative Imaging Technologies,发布了首款远程医疗系统,该系统在由医护人员或护士进行扫描期间能向医生的智能手机、平板电脑或计算机传输实时超声图像。音频和视频也是共享的,使医生能够清楚地了解扫描现场情况、超声波的定位和使用情况以及现场人员所能看到的一切。该系统结合了飞利浦基于Lumify应用的便携式超声波以及Innovative Imaging Technologies的Reacts音频/视频通信平台。现场临床医生可使用嵌入了Lumify传感器的平板电脑或智能手机、通过前后摄像头传输患者视频或通过视频与远程医生交谈。飞利浦认为,该技术能有助于将医疗护理范围扩展到偏远地区
发表于 2018-04-02
主动降噪(ANC)是赢得耳朵“争宠”竞赛的正确姿势?
最大程度保证降噪宽度和深度(官方数据指出,该款耳机主动降噪深度可达近 35 dB)。有意思的是,无论这款高清降噪圈铁蓝牙耳机,还是年初的万魔真无线降噪耳机,其主动降噪解决方案,都使用了 ADI 的专用降噪芯片(ADAU17XX)。 主动降噪比拼之 ADI 方案解析从产品方案所用的噪声处理电路的差异,主动降噪一般分为数字主动降噪和模拟主动降噪,两种降噪方式各有优劣。模拟主动降噪的电路需要运放、电阻和电容等大量分立元器件,所以 PCB 占用空间比较大,而数字主动降噪电路用到数字 IC,占用空间小。模拟主动降噪最大的优势是基本无延迟,数字电路在 DSP 上会产生一定延迟,因此其延迟特性的优劣是关键性
发表于 2020-04-27
主动降噪(ANC)是赢得耳朵“争宠”竞赛的正确姿势?
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2020 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved