醫(yī)學(xué)超聲是一種對(duì)身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如器官)進(jìn)行成像的非侵入性方法。它通過(guò)將高頻聲波傳輸?shù)襟w內(nèi)并測(cè)量發(fā)生在各種邊界(例如骨骼和肌肉之間的邊界)的反射來(lái)進(jìn)行處理。

有幾種不同類(lèi)型的超聲，例如亮度調(diào)制(B 模式)、脈沖波形(F 模式)和連續(xù)波形多普勒(CW 多普勒)。每個(gè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，包括可以在體內(nèi)成像的內(nèi)容和穿透深度的水平。

在本文中，我們將仔細(xì)研究 CW 多普勒，以及高精度信號(hào)鏈如何實(shí)現(xiàn)對(duì)身體深處血流的準(zhǔn)確測(cè)量。

CW 多普勒如何工作

在醫(yī)學(xué)界，CW 多普勒超聲用于確定通過(guò)關(guān)鍵靜脈或結(jié)構(gòu)的血流。在血流異常的情況下，可能在靜脈內(nèi)或潛在腫瘤位置周?chē)暱捎糜谠\斷原因并幫助醫(yī)生確定最佳治療方法。

圖 1 顯示了使用 CW 多普勒測(cè)量靜脈血流速率的方法。

圖 1：血流的 CW 多普勒測(cè)量。

在 CW 多普勒中，一半的換能器陣列(發(fā)射器/接收器陣列)連續(xù)發(fā)射高頻音頻正弦波，在圖 1中用 Tx 表示。該信號(hào)的一部分被目標(biāo)靜脈內(nèi)流動(dòng)的血細(xì)胞反射。該反射信號(hào)由換能器的后半部分接收，用 Rx 表示。

當(dāng)信號(hào)從流動(dòng)的血細(xì)胞中反射出來(lái)時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷與細(xì)胞速度相關(guān)的頻率變化。頻率變化(稱(chēng)為多普勒效應(yīng)或頻移)可以與發(fā)射信號(hào)的已知頻率進(jìn)行比較，以確定血細(xì)胞的速度。

因?yàn)槌暡僮髡呖赡懿恢荔w內(nèi)靜脈的方向和血流的方向，所以接收到的信號(hào)通過(guò)一個(gè)混合器和低噪聲加法器來(lái)解調(diào) I 和 Q 信號(hào)——實(shí)部和虛部接收到的信號(hào)。

這些信號(hào)由高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量，最后由主機(jī)(例如 FPGA 或 DSP)處理以確定細(xì)胞的速度。圖 2 顯示了 CW 多普勒信號(hào)鏈的 Rx 部分的框圖。該信號(hào)鏈對(duì)于 I 和 Q 信號(hào)都是重復(fù)的。

圖 2：用于 I 和 Q 測(cè)量的 CW 多普勒信號(hào)調(diào)理電路框圖。

進(jìn)入 ADC

雖然發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生是超聲波機(jī)器的關(guān)鍵部分，但接收系統(tǒng)將是本文的重點(diǎn)，因?yàn)殡y以準(zhǔn)確測(cè)量反射信號(hào)。

與范圍為 ±2.5 至 ±100 V 的 Tx 相比，Rx 信號(hào)可低至 ±10 μV 和高至 ±500 mV。在其信號(hào)范圍的低端以及發(fā)射器或體內(nèi)不希望的反射產(chǎn)生的噪聲中準(zhǔn)確測(cè)量 Rx 需要高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

由于 ADC 正在處理 I 和 Q 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，因此選擇一個(gè)高性能的對(duì)于保持系統(tǒng)精度至關(guān)重要。由于 CW 多普勒系統(tǒng)中接收信號(hào)的范圍很廣(10 μV 至 500 mV)，因此 ADC 必須具有非常高的動(dòng)態(tài)范圍，與它的信噪比 (SNR) 相當(dāng)。

為了讓系統(tǒng)及時(shí)提供準(zhǔn)確的結(jié)果，ADC 應(yīng)該具有低延遲(轉(zhuǎn)換開(kāi)始和結(jié)束之間的時(shí)間)，并提供未經(jīng)過(guò)濾的原始轉(zhuǎn)換。最后，ADC 必須具有足夠高的分辨率，以便能夠測(cè)量接收信號(hào)中低至幾 μV 的變化。

如今，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC已成為 CW 多普勒系統(tǒng)的首選，因?yàn)樗鼭M足上述各項(xiàng)要求。此外，可以定制使用 SAR ADC 的信號(hào)鏈以?xún)?yōu)化系統(tǒng)性能。

例如，它可以設(shè)計(jì)為與特定的換能器一起使用或測(cè)量身體內(nèi)某個(gè)深度的血流。能夠?yàn)樘囟üδ芏ㄖ菩盘?hào)鏈可以實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確的測(cè)量。精選 SAR ADC 還集成了部分信號(hào)鏈，例如圖 3所示的電壓基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器。

圖 3：外部與內(nèi)部參考電壓緩沖器。

更穩(wěn)定的參考點(diǎn)

集成電壓參考驅(qū)動(dòng)器有幾個(gè)好處。在 SAR ADC 的轉(zhuǎn)換周期中，輸入信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較以確定輸入值。在此比較過(guò)程中，ADC 將從基準(zhǔn)中汲取電流以對(duì)一組開(kāi)關(guān)電容器充電。

在這種情況下，如果沒(méi)有提供足夠的電流，參考電壓很容易在輸出端出現(xiàn)電壓下降，這可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確。參考電壓緩沖器用于提供 ADC 所需的電流，以避免電壓下降。

將基準(zhǔn)電壓緩沖器集成到 ADC 中可通過(guò)消除分立放大器來(lái)減小整體系統(tǒng)尺寸，這對(duì)于便攜式或高通道數(shù) CW 多普勒系統(tǒng)至關(guān)重要。此外，緩沖器專(zhuān)為 ADC 設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了整體系統(tǒng)性能。

集成緩沖器允許將單個(gè)電壓基準(zhǔn)與多個(gè) ADC 一起使用，從而進(jìn)一步減少高通道數(shù)系統(tǒng)的電路板空間和成本。

由于超聲波是非侵入性的并且能夠?qū)w內(nèi)的各種系統(tǒng)進(jìn)行成像，因此它作為一種基本的醫(yī)療設(shè)備被越來(lái)越廣泛地接受。今天，從大都會(huì)醫(yī)院到電力來(lái)源有限(如果不是零)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，到處都可以找到它。

為了更好地對(duì)身體進(jìn)行成像和識(shí)別最佳醫(yī)療程序，超聲機(jī)器必須具有高精度信號(hào)鏈，其中包含能夠精確測(cè)量所需信號(hào)的 ADC。

審核編輯：湯梓紅