【導(dǎo)讀】超聲波（Ultrasound）是指頻率高于兩萬(wàn)赫茲的聲波，在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域均有具體應(yīng)用。隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的不斷更新，超聲已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可或缺的應(yīng)用技術(shù)。醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備主要利用超聲波對(duì)于人體不同部位反饋產(chǎn)生的信號(hào)或能量屬性，對(duì)于人體的異常狀態(tài)或疾病進(jìn)行診斷或治療。
超聲波（Ultrasound）是指頻率高于兩萬(wàn)赫茲的聲波，在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域均有具體應(yīng)用。隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的不斷更新，超聲已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可或缺的應(yīng)用技術(shù)。醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備主要利用超聲波對(duì)于人體不同部位反饋產(chǎn)生的信號(hào)或能量屬性，對(duì)于人體的異常狀態(tài)或疾病進(jìn)行診斷或治療。
目前，醫(yī)學(xué)超聲應(yīng)用最多的領(lǐng)域就是利用超聲技術(shù)進(jìn)行診斷，主要通過(guò)超聲聲束掃描人體部位成像，即通過(guò)對(duì)反射信號(hào)的接收、處理，以獲得體內(nèi)器官的圖像。隨著醫(yī)療超聲設(shè)備探頭的實(shí)時(shí)移動(dòng)獲得患者體內(nèi)器官的具體圖像，可提供淺表、腹部、心臟、婦產(chǎn)、泌尿、肌骨等全方位掃查，是軟組織檢查的常見(jiàn)診斷方法。
超聲的技術(shù)趨勢(shì)
數(shù)字化和小型化是目前醫(yī)學(xué)超聲的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。傳統(tǒng)的推車式、大探頭超聲設(shè)備體積巨大且價(jià)格昂貴，而現(xiàn)在市場(chǎng)中的小型化超聲設(shè)備經(jīng)過(guò)更新發(fā)展，在保證圖像清晰和高分辨率的同時(shí)，不僅功能更完善、探頭也更多樣化。這些新型的小型設(shè)備能更好的滿足醫(yī)院臨床科室、基層醫(yī)療市場(chǎng)、院外災(zāi)害急救等多種場(chǎng)景的需求，降低醫(yī)療工作者的工作難度。
國(guó)內(nèi)外有不少?gòu)S商都在推進(jìn)上述趨勢(shì)，其中有一些技術(shù)更是行業(yè)內(nèi)普遍有感知的，比如可以放到設(shè)備探頭中的子波束形成器（Sub Beamformer），對(duì)溫度敏感且要求極低功耗的超低功耗（Ultralow Power），以及目前業(yè)內(nèi)普遍感興趣的無(wú)線連接（Wireless Connection）。
除此之外，醫(yī)學(xué)超聲的另一個(gè)發(fā)展方向就是高性能，這也是目前全球醫(yī)學(xué)超聲共同的努力方向。從大范圍來(lái)說(shuō)，近些年國(guó)內(nèi)的廠商在這個(gè)方向上正在逐步和國(guó)際廠商接軌，但在心臟科等主要關(guān)鍵領(lǐng)域依然和國(guó)際頂級(jí)的應(yīng)用有差距，比如更高的圖像質(zhì)量、更全面的功能以及更好流程等。
從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，更高的圖像質(zhì)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(duì)通道數(shù)提出了更高的要求，從以前的32、64通道到現(xiàn)在的128甚至256通道。近十年來(lái)整個(gè)接收端的模擬性能并沒(méi)有太大提升，雖然通過(guò)線性發(fā)射和增加通道數(shù)可以帶來(lái)一定的效果，但與此同時(shí)多波數(shù)也意味著波束形成器的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，所以Software Beamformer也是追求高性能的一個(gè)趨勢(shì)。
ADI 的醫(yī)療超聲解決方案
在醫(yī)療超聲整個(gè)行業(yè)中，ADI能提供低噪聲、低功耗模擬前端、精密放大器、轉(zhuǎn)換器以及電源等解決方案，在業(yè)內(nèi)擁有較高的知名度。從下面超聲整體解決方案的架構(gòu)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(chǎn)品，ADI的產(chǎn)品幾乎涵蓋了包括發(fā)射鏈路、接收鏈路等在內(nèi)的整個(gè)超聲系統(tǒng)。下面將依次從發(fā)射鏈路、接收鏈路、時(shí)鐘以及電源管理幾個(gè)方面來(lái)介紹一下ADI的相關(guān)代表產(chǎn)品和解決方案。
發(fā)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(fā)射。兩者架構(gòu)不同，前者主要是用于產(chǎn)生一個(gè)高壓的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)探頭，后者的架構(gòu)是在DAC + Beamforme的基礎(chǔ)上還加了一個(gè)高壓放大器。
與ADI合作了三十多年的技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健多年來(lái)基于ADI產(chǎn)品和解決方案組合，打造了多個(gè)貼近客戶應(yīng)用需求的解決方案并獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可。針對(duì)發(fā)射鏈路的兩種方式，世健結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)重點(diǎn)推薦MAX14815和AD9106。
MAX14815是一款高度集成的八通道5級(jí)高壓超聲波發(fā)射器（脈沖發(fā)生器）。脈沖發(fā)生器生成高頻高壓的雙極脈沖用于通過(guò)兩對(duì)獨(dú)立的高壓電源驅(qū)動(dòng)超聲系統(tǒng)中的壓電式傳感器。每個(gè)通道可以傳輸高達(dá)200Vpp，具有高達(dá)2A電流能力，并集成2A有源鉗位（歸零）。可編程電流能力低至0.4A。
該發(fā)射器可用于控制脈沖發(fā)生器的嵌入式數(shù)字資源（SRAM和狀態(tài)機(jī)）支持發(fā)射波束形成，從而大幅減少互連數(shù)量和FPGA I/O數(shù)量。嵌入式數(shù)字資源通過(guò)高速串行接口進(jìn)行編程，并支持復(fù)雜的發(fā)射技術(shù)，例如用于突發(fā)整形的PWM技術(shù)和用于波束整形的變跡技術(shù)。
MAX14815還集成了八路獨(dú)立的低噪聲、低阻抗有源T/R開(kāi)關(guān)。T/R開(kāi)關(guān)可以在外部配置為支持接收多路復(fù)用，其中使用的接收通道數(shù)量少于發(fā)送通道數(shù)量。該器件也可以由外部數(shù)字源（FPGA）通過(guò)傳統(tǒng)的專用CMOS邏輯輸入來(lái)控制。除超聲醫(yī)學(xué)成像外，該產(chǎn)品還用于高壓傳感器MEMS驅(qū)動(dòng)器、超聲波工業(yè)應(yīng)用（NDT）等，可簡(jiǎn)化便攜式超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)并節(jié)省功耗。
AD9106 TxDAC?和波形發(fā)生器是高性能四通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），是一個(gè)12位輸出、最高180 MHz的主機(jī)時(shí)鐘正弦波發(fā)生器，帶24位調(diào)諧字，支持10.8 Hz/LSB的頻率分辨率，集成片上模式存儲(chǔ)器，用于復(fù)雜波形生成，具有直接數(shù)字頻率合成器（DDS）。
該波形發(fā)生器具有針對(duì)全部四個(gè)DAC的單路頻率輸出，內(nèi)置模式控制狀態(tài)機(jī)允許用戶對(duì)全部四個(gè)DAC的模式周期以及每個(gè)DAC通道信號(hào)輸出的周期內(nèi)起始延遲進(jìn)行編程。SRAM數(shù)據(jù)可包含直接生成的存儲(chǔ)波形、施加于DDS輸出或DDS頻率調(diào)諧字的幅度調(diào)制模式。
AD9106提供出色的交流和直流性能，并支持高達(dá)180 MSPS的DAC采樣率。其SPI接口用于配置數(shù)字波形發(fā)生器，并將模式載入SRAM，在數(shù)字信號(hào)傳送至四個(gè)DAC的過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)和失調(diào)調(diào)節(jié)。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(yīng)用。
對(duì)于ADI接收鏈路的產(chǎn)品，世健結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)重點(diǎn)推薦專用于支持醫(yī)療超聲應(yīng)用的AD9671，針對(duì)低成本、低功耗、小尺寸及易用性而設(shè)計(jì)。它內(nèi)置8通道的可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、低噪聲前置放大器(LNA)、具有可編程相位旋轉(zhuǎn)功能的CW諧波抑制I/Q解調(diào)器、抗混疊濾波器（AAF）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及用于處理數(shù)據(jù)和降低帶寬的數(shù)字解調(diào)器和抽取器。
該集成數(shù)字解調(diào)器的每個(gè)通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信號(hào)路徑以及有源輸入前置放大器終端，通道專門(mén)針對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍與低功耗而優(yōu)化設(shè)計(jì)，適合要求小尺寸封裝的應(yīng)用。此外LNA具有單端轉(zhuǎn)差分增益，可以通過(guò)SPI進(jìn)行選擇。CW多普勒模式下，各LNA輸出端驅(qū)動(dòng)一個(gè)I/Q解調(diào)器，各解調(diào)器具有獨(dú)立可編程的相位旋轉(zhuǎn)和16種相位設(shè)置。
AD9671各通道可單獨(dú)進(jìn)入省電模式，從而延長(zhǎng)便攜式應(yīng)用的電池使用時(shí)間，利用待機(jī)模式可以快速上電以便開(kāi)機(jī)重啟。以CW多普勒模式工作時(shí)，VGA、AAF和ADC均進(jìn)入省電模式。ADC內(nèi)置多種功能特性，例如可編程時(shí)鐘、數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)、生成可編程數(shù)字測(cè)試碼等，可使器件的靈活性達(dá)到較佳、系統(tǒng)成本降至較低。
AD9528是世健結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)重點(diǎn)推薦的ADI時(shí)鐘產(chǎn)品。它是一款雙級(jí)PLL、集成JESD204B/JESD204C的SYSREF發(fā)生器，可用于多器件同步。第一級(jí)鎖相環(huán)（PLL） （PLL1）通過(guò)減少系統(tǒng)時(shí)鐘的抖動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輸入基準(zhǔn)電壓調(diào)理。第二級(jí)PLL（PLL2）提供高頻時(shí)鐘，可實(shí)現(xiàn)來(lái)自時(shí)鐘輸出驅(qū)動(dòng)器的較低積分抖動(dòng)以及較低寬帶噪聲。
外部VCXO提供PLL2所需的低噪聲基準(zhǔn)電壓，以滿足苛刻的相位噪聲和抖動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)可以接受的性能。片內(nèi)VCO的調(diào)諧頻率范圍為3.450 GHz至4.025 GHz。集成的SYSREF發(fā)生器輸出單次、N次或連續(xù)信號(hào)，并與PLL1和PLL2輸出同步，以便對(duì)齊多個(gè)器件的時(shí)間。
AD9528產(chǎn)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(nèi)部SYSREF發(fā)生器輸出，14路輸出通道的每一路都包含一個(gè)帶數(shù)字相位粗調(diào)功能的分頻器，以及一個(gè)模擬微調(diào)相位延遲模塊，允許全部14路輸出具有時(shí)序?qū)R的高度靈活性。還可用作靈活的雙通道輸入緩沖器，以便實(shí)現(xiàn)14路器件時(shí)鐘和SYSREF信號(hào)的分配。
最后，關(guān)于電源管理，世健推薦一款四通道40VIN、3A降壓型Silent Switcher μModule?穩(wěn)壓器LTM8060。Silent Switcher架構(gòu)可將EMI降至最低，同時(shí)在高達(dá)3MHz的頻率下實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。封裝中內(nèi)置控制器、功率開(kāi)關(guān)、電感和其他相關(guān)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(kāi)關(guān)頻率范圍，各范圍分別通過(guò)單個(gè)電阻進(jìn)行設(shè)置。只需使用輸入和輸出濾波器體電容就可以完成設(shè)計(jì)；還可配置輸出陣列，可以通過(guò)陣列并聯(lián)輸出實(shí)現(xiàn)高達(dá)12A的電流能力。
綜上所述，世健認(rèn)為，ADI公司的創(chuàng)新技術(shù)和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)正在幫助塑造醫(yī)療健康行業(yè)的未來(lái)，其產(chǎn)品和解決方案在醫(yī)療超聲領(lǐng)域把握小型化、數(shù)字化以及高性能發(fā)展趨勢(shì)的同時(shí)，也為市場(chǎng)未來(lái)的技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)，能幫助市場(chǎng)更好地迎接各類挑戰(zhàn)。
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