醫學超聲成像是一種利用高頻聲波來檢查人體內部器官和結構的非侵入性方法。通過向人體發射聲波并接收聲波的回波，來生成超聲波圖像。鑒于人體的聲學特性，一般醫學超聲成像的最佳頻率范圍為1.0MHz ~ 12.0MHz。

為了產生聲波，需要使用到壓電換能器 (PZT) 。在PZT上施加電壓，PZT會發生物理上的膨脹和收縮，從而將電能轉換成聲能。PZT需要通過高壓脈沖信號來激發，信號發射器可以產生振幅高達±90V、電流達到±2.0A的脈沖信號。同時，PZT還用于將接收到的聲波回波轉換為電信號，即接收信號。通過對接收到的信號進行處理和分析，可以構建出相應的超聲影像。

為了更好地理解具體操作原理，我們先研究單通道PZT是如何工作的。

如圖1所示，在傳輸周期內，信號發射器產生了一個5 MHZ的±90 V高壓脈沖信號，并作用在PZT上。從而，PZT會產生一個5MHz的聲波進入人體，然后接收器開始監聽回聲。聲波在人體內的傳播速度為平均1.54mm/μs。為了創建一個距離PZT 10mm的監測對象的圖像， 聲波到達對象的時間計算公式為：10mm/ (1.54mm/μs) = 6.49μs。同樣，聲波回聲從監控對象返回PZT還需要6.49μs。所以，對于一個距離PZT 10mm處的成像對象，接收到信號的時間為12.98μs。因此，當成像對象遠離PZT時，接收周期的時間持續時間更長。一旦接收到所有的回波，就可以構造出一行圖像。

圖1: 單通道壓電換能器（PZT）舉例

接收器是一種高性能、低噪聲的低壓設備，如果將發射器產生的高壓脈沖直接加到其輸入端，很容易損壞接收機。圖1中在Rx前端加入了一個T/R SW模塊，它是一個發射/接收開關，用于阻擋高壓發射脈沖，但允許低壓接收信號進入接收機的輸入。PZT變換出來的電壓通常幅值比較低, 小于±500 mv。

我們剛才介紹了一路PZT的成像原理，若想要創建一個二維圖像，就需要一個PZTs陣列。超聲波探頭就是用于放置PZTs陣列的。

實際應用中，我們會看到許多不同類型的超聲探頭，比如：腹部探頭、心臟探頭和兒科探頭等，都是專門為不同應用場景設計的。PZTs的數量可以根據探測類型的不同而變化，范圍從128 PZTs到512 PZTs。本文以192個PZTs陣列的探頭為示例。

圖2是一個典型的192通道PZTs的醫用超聲系統。理論上講，192路PZTs需要配192路發射器、接收器和T/R開關組。這樣設計的話，電路非常繁復，成本也非常高。所以，引入了高壓開關這個器件，高壓模擬開關的主要作用就是選擇和切換, 將發射器、接收器和T/R開關組復用到不同的PZT上。高壓模擬開關的使用，可以大大降低整體方案的成本，功率以及設備體積。

圖2：典型192通道PZTs的醫用超聲系統

在圖2的示例中，電路中有64組發射器、接收器和T/R開關，每組驅動三路PZT。模擬開關組對應64組發射機、接收機和T/R開關，首先驅動PZT1到PZT64。64個發射器向PZT1到PZT64發送高壓脈沖，然后，系統等待接收所有從PZT1到PZT64的所有回波。在下一個周期中，模擬開關將64組發射機、接收機和T/R開關重新選擇，以驅動PZT2到PZT65。64個發射機向PZT2 - PZT65發送高壓脈沖，系統等待接收PZT2 - PZT65的所有回波。通過模擬開關，發射、接收和重新選擇這系列動作重復進行，每次都會更新一路PZT的增量。完成192個周期后，可以在50ms左右構建一幀圖像。

傳統方案中，高壓模擬開關通常放在設備內。現在一些方案中，也會把模擬開關放在探頭內部。它的主要好處是可以大大減少同軸電纜的數量。比如：192路PZTs的超聲探頭，通過使用3組模擬開關，同軸電纜的數量可減少三分之二。與192根同軸電纜相比，PZTs只需要64根同軸電纜，同時，邏輯電源和I/O接口只需要10根或更少的同軸電纜。同軸電纜非常昂貴，同軸電纜數量的減少使得超聲探頭的成本大大降低。除了材料成本外，連接同軸電纜的人工成本也很高。

高壓開關放在探頭內部的另一個好處是，探頭變得更容易操作，減少了探頭疲勞。探頭通常有嚴格的空間和散熱限制。外殼是防水的，同時它必須使用后浸泡在酒精中進行消毒，這使得很難去除探頭內產生的熱量。高壓開關的使用，通過消除高壓電源，消除了同軸電纜上高壓直流線路的安全隱患。同時，降低了功率損耗，減少了探頭疲勞。

圖3顯示了傳統模擬開關與MPS模擬開關的基本區別。

傳統的高壓模擬開關電路額外需要+100V和-100V兩個高壓電源。通過模擬開關的脈沖信號必須在高壓電源的10V范圍以內。比如：對于±100 V高壓電源, 脈沖信號的最大傳輸電壓±90V。這兩個高壓電源電路比較復雜，在電路中專供給傳統模擬開關使用，系統中其他地方并不需要它們。這兩路高壓電源由于電壓比較高，必須考慮保護電路，以消除各種故障情況下的沖擊風險，如絕緣損壞。為了安全操作，需考慮通斷電順序。還必須對其進行監控，如果高壓電源的電壓水平過低，還需調整發射器脈沖信號電壓。

圖3: 傳統模擬開關 vs. MPS 模擬開關

MPS公司的產品----MP4816A，是一顆16通道高壓模擬開關，僅需使用10V電源而不是兩個高壓電源。這就消除了對兩種高壓電源的需求，大大降低了電源設計的復雜性，降低了功耗。與兩個高壓電源相關的輔助電路，如增壓器、降壓器和電壓監視器也被取消。這提供了一個成本更低、體積更小、可靠性更高的系統。