超聲技術在醫療領域的發展趨勢和應用

超聲波（Ultrasound）是指頻率高于兩萬赫茲的聲波，在工業、醫療等領域均有具體應用。隨著醫療技術的進步和設備的不斷更新，超聲已經成為醫學領域不可或缺的應用技術。醫學超聲設備主要利用超聲波對于人體不同部位反饋產生的信號或能量屬性，對于人體的異常狀態或疾病進行診斷或治療。

目前，醫學超聲應用最多的領域就是利用超聲技術進行診斷，主要通過超聲聲束掃描人體部位成像，即通過對反射信號的接收、處理，以獲得體內器官的圖像。隨著醫療超聲設備探頭的實時移動獲得患者體內器官的具體圖像，可提供淺表、腹部、心臟、婦產、泌尿、肌骨等全方位掃查，是軟組織檢查的常見診斷方法。

超聲的技術趨勢

數字化和小型化是目前醫學超聲的主要發展趨勢之一。傳統的推車式、大探頭超聲設備體積巨大且價格昂貴，而現在市場中的小型化超聲設備經過更新發展，在保證圖像清晰和高分辨率的同時，不僅功能更完善、探頭也更多樣化。這些新型的小型設備能更好的滿足醫院臨床科室、基層醫療市場、院外災害急救等多種場景的需求，降低醫療工作者的工作難度。

國內外有不少廠商都在推進上述趨勢，其中有一些技術更是行業內普遍有感知的，比如可以放到設備探頭中的子波束形成器（Sub Beamformer），對溫度敏感且要求極低功耗的超低功耗（Ultralow Power），以及目前業內普遍感興趣的無線連接（Wireless Connection）。

除此之外，醫學超聲的另一個發展方向就是高性能，這也是目前全球醫學超聲共同的努力方向。從大范圍來說，近些年國內的廠商在這個方向上正在逐步和國際廠商接軌，但在心臟科等主要關鍵領域依然和國際頂級的應用有差距，比如更高的圖像質量、更全面的功能以及更好流程等。

從技術角度來說，更高的圖像質量就意味著更低的噪聲、更高的信噪比（SNR），而更高的信噪比又對通道數提出了更高的要求，從以前的32、64通道到現在的128甚至256通道。近十年來整個接收端的模擬性能并沒有太大提升，雖然通過線性發射和增加通道數可以帶來一定的效果，但與此同時多波數也意味著波束形成器的數據量越來越大，所以Software Beamformer也是追求高性能的一個趨勢。

ADI 的醫療超聲解決方案

在醫療超聲整個行業中，ADI能提供低噪聲、低功耗模擬前端、精密放大器、轉換器以及電源等解決方案，在業內擁有較高的知名度。從下面超聲整體解決方案的架構圖中可以看到，除去探頭（Transducer）和FPGA的波束形成器（Beamformer）等這類非芯片廠商產品，ADI的產品幾乎涵蓋了包括發射鏈路、接收鏈路等在內的整個超聲系統。下面將依次從發射鏈路、接收鏈路、時鐘以及電源管理幾個方面來介紹一下ADI的相關代表產品和解決方案。發射部分目前市面上有兩種方法：第一種是Pulser + Beamformer的方式，第二種就是上面提到的線性發射。兩者架構不同，前者主要是用于產生一個高壓的脈沖來驅動探頭，后者的架構是在DAC + Beamforme的基礎上還加了一個高壓放大器。

與ADI合作了三十多年的技術型授權代理商Excelpoint世健多年來基于ADI產品和解決方案組合，打造了多個貼近客戶應用需求的解決方案并獲得了市場的認可。針對發射鏈路的兩種方式，世健結合當前市場重點推薦MAX14815和AD9106。

MAX14815是一款高度集成的八通道5級高壓超聲波發射器（脈沖發生器）。脈沖發生器生成高頻高壓的雙極脈沖用于通過兩對獨立的高壓電源驅動超聲系統中的壓電式傳感器。每個通道可以傳輸高達200Vpp，具有高達2A電流能力，并集成2A有源鉗位（歸零）?？?a target="_blank">編程電流能力低至0.4A。

該發射器可用于控制脈沖發生器的嵌入式數字資源（SRAM和狀態機）支持發射波束形成，從而大幅減少互連數量和FPGA I/O數量。嵌入式數字資源通過高速串行接口進行編程，并支持復雜的發射技術，例如用于突發整形的PWM技術和用于波束整形的變跡技術。

MAX14815還集成了八路獨立的低噪聲、低阻抗有源T/R開關。T/R開關可以在外部配置為支持接收多路復用，其中使用的接收通道數量少于發送通道數量。該器件也可以由外部數字源（FPGA）通過傳統的專用CMOS邏輯輸入來控制。除超聲醫學成像外，該產品還用于高壓傳感器MEMS驅動器、超聲波工業應用（NDT）等，可簡化便攜式超聲系統設計并節省功耗。AD9106 TxDAC和波形發生器是高性能四通道數模轉換器（DAC），是一個12位輸出、最高180 MHz的主機時鐘正弦波發生器，帶24位調諧字，支持10.8 Hz/LSB的頻率分辨率，集成片上模式存儲器，用于復雜波形生成，具有直接數字頻率合成器（DDS）。

該波形發生器具有針對全部四個DAC的單路頻率輸出，內置模式控制狀態機允許用戶對全部四個DAC的模式周期以及每個DAC通道信號輸出的周期內起始延遲進行編程。SRAM數據可包含直接生成的存儲波形、施加于DDS輸出或DDS頻率調諧字的幅度調制模式。

AD9106提供出色的交流和直流性能，并支持高達180 MSPS的DAC采樣率。其SPI接口用于配置數字波形發生器，并將模式載入SRAM，在數字信號傳送至四個DAC的過程中對信號進行增益調節和失調調節。該器件具有靈活的工作電源范圍（1.8 V至3.3 V）和低功耗，非常適合便攜式和低功耗應用。對于ADI接收鏈路的產品，世健結合當前市場重點推薦專用于支持醫療超聲應用的AD9671，針對低成本、低功耗、小尺寸及易用性而設計。它內置8通道的可變增益放大器(VGA)、低噪聲前置放大器(LNA)、具有可編程相位旋轉功能的CW諧波抑制I/Q解調器、抗混疊濾波器（AAF）、模數轉換器（ADC）以及用于處理數據和降低帶寬的數字解調器和抽取器。

該集成數字解調器的每個通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信號路徑以及有源輸入前置放大器終端，通道專門針對高動態范圍與低功耗而優化設計，適合要求小尺寸封裝的應用。此外LNA具有單端轉差分增益，可以通過SPI進行選擇。CW多普勒模式下，各LNA輸出端驅動一個I/Q解調器，各解調器具有獨立可編程的相位旋轉和16種相位設置。

AD9671各通道可單獨進入省電模式，從而延長便攜式應用的電池使用時間，利用待機模式可以快速上電以便開機重啟。以CW多普勒模式工作時，VGA、AAF和ADC均進入省電模式。ADC內置多種功能特性，例如可編程時鐘、數據對準、生成可編程數字測試碼等，可使器件的靈活性達到較佳、系統成本降至較低。AD9528是世健結合當前市場重點推薦的ADI時鐘產品。它是一款雙級PLL、集成JESD204B/JESD204C的SYSREF發生器，可用于多器件同步。第一級鎖相環（PLL）?（PLL1）通過減少系統時鐘的抖動，從而實現輸入基準電壓調理。第二級PLL（PLL2）提供高頻時鐘，可實現來自時鐘輸出驅動器的較低積分抖動以及較低寬帶噪聲。

外部VCXO提供PLL2所需的低噪聲基準電壓，以滿足苛刻的相位噪聲和抖動要求，實現可以接受的性能。片內VCO的調諧頻率范圍為3.450 GHz至4.025 GHz。集成的SYSREF發生器輸出單次、N次或連續信號，并與PLL1和PLL2輸出同步，以便對齊多個器件的時間。

AD9528產生最高頻率分別為1.25 GHz和1 GHz的六路和八路輸出，每一路輸出均可配置為直接從PLL1、PLL2或內部SYSREF發生器輸出，14路輸出通道的每一路都包含一個帶數字相位粗調功能的分頻器，以及一個模擬微調相位延遲模塊，允許全部14路輸出具有時序對齊的高度靈活性。還可用作靈活的雙通道輸入緩沖器，以便實現14路器件時鐘和SYSREF信號的分配。最后，關于電源管理，世健推薦一款四通道40VIN、3A降壓型Silent Switcher μModule穩壓器LTM8060。Silent Switcher架構可將EMI降至最低，同時在高達3MHz的頻率下實現高效率運行。封裝中內置控制器、功率開關、電感和其他相關元件。

LTM8060支持寬輸入電壓范圍，0.8V至8V的輸出電壓范圍，以及200kHz至3MHz的開關頻率范圍，各范圍分別通過單個電阻進行設置。只需使用輸入和輸出濾波器體電容就可以完成設計；還可配置輸出陣列，可以通過陣列并聯輸出實現高達12A的電流能力。綜上所述，世健認為，ADI公司的創新技術和系統專業知識正在幫助塑造醫療健康行業的未來，其產品和解決方案在醫療超聲領域把握小型化、數字化以及高性能發展趨勢的同時，也為市場未來的技術創新提供了基礎，能幫助市場更好地迎接各類挑戰。