超声系统的设计考虑对前端元件选用的影响

所接收到的信号的巨大的动态范围带来了最严重的挑战。前端电路必须同时具有很低的噪声和承受大信号的能力——任何在通信的要求方面有经验的人对此种需求都很熟悉。例如，如果电缆在特定频率的损耗为2dB，则噪声系数将衰减2dB。这就意味着电缆后的第一个放大器的噪声系数必须比采用无损耗电缆时低2dB。可以避开这一问题的一个可能的办法是把放大器放置在换能器手柄上。不过，这也会遇到严重的尺寸和功耗方面的限制；另外，需要对高压瞬态脉冲进行防护的需求也使得这种解决方案难以实施。

另一个挑战则是换能器元件和人体之间巨大的声学阻抗失配。能量发射的高效率，离不开声学阻抗的匹配层（类似于电阻抗匹配射频电路）。这往往需要在手柄的换能器元件前敷设一两层匹配层，这些材料后面接有一个透镜，再后面是耦合乳膏。乳膏本身可以实现与人体的声学接触——因为空气是一种很好的声反射体。

接收电路所要解决的另一个重要的问题是从过载中快速恢复的能力。即使T/R开关的用途就是保护接收器不会承受很大的脉冲，这些脉冲通过开关的少量泄漏也足以让前端电路过载。过载恢复能力欠佳将导致接收机“盲视”，直到恢复为止，这将直接影响到在距离皮肤多近的部位可以形成图像。

超声图像是如何形成的——B模式

图2示出了不同的扫描图像是如何形成的。在所有4种扫描模式下，具有矩形边界的扫描线所成的图像是图像的真实呈现，因为这是将在显示监视器上出现的图像。这里仅示出了单个换能器的机械移动（箭头所指的方向）以方便对成像原理的理解，但是一个直线阵列在没有机械移动的情况下也可以产生相同种类的图像。在线扫描的例子中，换能元件沿着水平方向移动；对应于每条扫描线（图像中所示的线），都会发送一个Tx脉冲，而来自于不同深度的各种反射信号被记录下来，通过扫描方式转换成视频显示。单个换能器在图像采集过程中的移动方式，将决定图像的形状。这直接变换成线阵列换能器的形状，也就是说，对于直线扫描而言，该阵列将是直线状的，而对于弧形扫描而言，阵列将是凹面的。

图2 单换能器图像生成

从机械单换能器系统到电子系统所需要迈出的一步也可以通过考察图2所示的直线扫描方式来轻松地予以解释。如果单换能器单元被划分为多个小块，则如果一次激励一个单元并纪录来自于人体的反射信号的话，则还可以获得如图所示的矩形图像，只是现在操作员不再需要移动换能器元件。从这一例子可以看出，弧形扫描可以由一个组成凹面形状的线阵列来实现；扇形扫描将由呈凸面排列的线性阵列来实现。

虽然上述的实例解释了B模式超声图像生成的基本原理，但一个现代系统一次不止使用一个单元来产生扫描线，因为它可以让系统的孔径发生改变。改变孔径类似于改变光学系统中的焦点位置，这有助于产生更清晰的图像。图3示出了线性阵列和相控阵是如何做到这一点的；主要的差别在于在相控阵中，所有的单元都被同时用到，而在一个线阵列中，所有的阵列单元中只有一部分被用到。只用到较少的单元，其优点是节省了电子方面的硬件，但它增加了对给定的视场进行成像所需的时间。相控阵则不同，因为它采用了扇形分布，只需很少的换能器就可以对远场进行大面积成像。这也就是相控阵换能器在心脏成像等应用领域的首选，在这些应用中，操作员必须能利用肋骨间的狭小空间来对尺寸大得多的心脏进行成像。

图3 线性vs 相控阵成像

阵列中的激励是沿着扫描线发出的，其方式由一组预计将同时到达某个焦点的延迟分布来决定的。这些脉冲（图3）可以由阵列（填充阴影的图形）上方垂直的时间线上的“弯曲”来表示——从阵列的表面往上对应着时间的增加。图3所示的直线的步进阵列，将能向一组单元（孔径）提供具有特定形状的激励，然后通过添加一个前面的元件并剔除一个后方的单元来让孔径发生步进移动。发生每一步时，一条扫描线（波束）是由同时到达的脉冲所形成的。在相控阵中，所有的换能器都同时激活。在上面所示出的例子中，暗线是对所示的脉冲方式所产生的反射数据进行成像的扫描线。

模拟vs 数字波束成形技术

在模拟波束成形（ABF）和数字波束成形（DBF）超声系统，所接收到的、从沿着一条波束的特定焦点反射的脉冲信号将被按通道储存起来，然后在时间上对准，并进行一致性求和，这可以提供空间的处理增益，因为各通道的噪声是非相关的。图像可以由如下的两种方式之一来形成：经过模拟延迟线形成模拟电平序列，然后求和，并在求和后最终变换成数字形式（ABF）；或者，在尽可能接近换能元件的位置对模拟电压电平进行采样，将这些采样值存入内存（FIFO），然后将它们通过数字化的处理求和（DBF）。

图4和图5示出了ABF和DBF系统的基本方框图。两种类型的系统都需要完美的通道间匹配。请注意，两种实现方案都需要可变增益放大器（VGA），而且对于数字波束成形也始终都需要VGA，直到可以获得动态范围足够高并且成本合理、功耗足够低的ADC为止。请注意，ABF成像系统只需要一个高分辨率和高速的ADC即可，但一个DBF系统需要多个高速、高分辨率的ADC。有时在ABF系统中还需要一个对数放大器，以便在ADC接收信号之前压缩动态范围。