超声成像系统的功能介绍及电子元件的设计选型

超声接收机的瞬态动态范围也很关键，它会影响2D图像的质量和系统检测多普勒偏移(血液或组织的运动)的能力，尤其是在二次谐波成像系统中，感兴趣的二次谐波信号明显低于发射信号的基波。对于小的多普勒信号同样如此，多普勒信号频率可能在1kHz以内，幅度远远低于组织或血管壁的反射信号。因此，需要特别关注可变增益放大器的带宽和近载波SNR，这些参数通常是制约接收机性能的关键。

抗混叠滤波器(AAF)和ADC

抗混叠滤波器AAF置于接收通道，用于滤除高频噪声和超出正常最大成像频率范围的信号，防止这些信号通过ADC转换混叠至基带。设计中大多采用可调节的AAF，为了抑制混叠并保证信号的时域响应，滤波器需要对第一奈奎斯特频率以外的信号进行衰减。因此，常常使用巴特沃斯滤波器或更高阶的贝塞尔滤波器。

典型应用中采用12位ADC，采样率通常在40Msps至60Msps之间。ADC提供必要的瞬态动态响应范围，同时具有适当的成本和功耗。在设计得当的接收器中，ADC会限制接收通道的瞬态SNR。如上所述，性能差的VGA会限制整个接收通道的SNR指标。

数字波束成形器

ADC的输出信号通过高速LVDS串口传输给数字接收波束成形器。这种传输方式降低了PCB的设计复杂度和接口引脚数。波束成形器内置上变频低通滤波器或带通数字滤波器，这些滤波器把有效采样速率提高4倍，提高了系统波束成形的精度。上变频信号存储在内存中，经过适当的延时，通过延迟系数加法器进行叠加，得到合适的焦点。信号还进行适当的加权或“变迹”，在叠加之前进行变迹，可以调节接收孔径，降低旁瓣对接收波束的影响，提高图像质量。

波束成形的数字信号处理

接收到的波束成形数字超声信号由DSP和基于PC的设备进行处理，得到视频和音频输出信号。这一过程通常可以划分为B超或2D图像处理，以及具有彩超流体成像信息的多普勒处理，多普勒处理又分为脉冲多普勒(PWD)处理和连续波多普勒(CWD)处理。

B超处理

B超处理中，RF波束成形数字信号经过滤波和检波处理。检测信号具有极宽的动态范围，B超处理器必须将这些信号进行数字压缩，使其达到显示器规定的动态范围。

彩超流体信号处理

在彩超流体信号处理中，RF数字波束成形信号与正交本振信号(LO，频率为发射频率)进行混频，得到I、Q基带信号。每个接收通道采集的超声信号都有对应的幅度和相位。彩超流体信号处理中，8至16路超声信号集中在一个成像通道，测量多普勒频移。血液流动或沿成像通道的组织移动产生的反射信号具有一定的多普勒频移，从而改变了I/Q基带采样信号的相位。彩超流体处理器决定了成像通道的8至16路超声信号的平均相移和时间关系。处理器还用彩色表示平均流速。通过这种方法，实现了血液或人体组织移动的二维造影成像。

多普勒频谱

频谱处理中，波束成形数字信号经过数字滤波，并通过正交本振信号(LO，频率为发射频率)混频至基带信号，然后以发射脉冲重复频率(PRF)进行采样。利用复杂的快速傅里叶变换(FFT)获得多普勒频谱，以重现接收信号的速度信息。FFT输出的每个二进制信号幅度经过计算和压缩，使其达到显示图像所要求的动态范围。最终信号幅度作为时间函数，显示在超声设备的显示屏上。

在连续波多普勒(CWD)成像系统中，信号处理的过程基本相同。除了处理这些显示信号外，频谱处理器还产生左、右声道的立体声音频信号，表示正向和负向运动。DAC对这些信号进行转换，驱动外部扬声器和耳机。

显示处理

显示处理器进行必要的计算，绘制极坐标图。B超中的声音、图像数据或彩超流体信息被处理成矩形位图，从而消除图像中的杂散信号。这一过程通常称为R-θ变换，显示处理器还提供空间图像增强功能。

连续波多普勒(CWD)

多数的心脏检查和一些通用的超声成像系统中，常常使用连续波多普勒CWD以确保精确测量心脏内高速流动的血液。CWD模式下，超声传感器单元以传感器孔径为中心分割成对等的两部分。一半单元用于发射，产生CWD聚焦波束;另一半单元用于接收，产生聚焦的接收波束。发射单元的驱动波形为多普勒频率的方波，频率范围通常为1MHz至7.5MHz。发射波形的抖动必须足够小，以防止相位噪声对多普勒频移检测的影响。通过正确调整发射波形的相位，实现发射波束聚焦。类似地，通过正确调整接收波形的相位并进行叠加，实现CWD接收信号聚焦。在此模式下，发射和接收同时进行，有用的多普勒信号频率和不移动的人体组织在发射基波频率下产生的强反射信号的频率相差只有几kHz。处理如此大的信号所需要的动态范围已经超出了图像接收通道VGA、AAF和12位ADC可以承受的范围。因此，CWD必须使用其它高动态范围接收解决方案。

CWD接收机通常使用两种方法处理CWD信号。第一种方法是高性能超声系统在LNA输出端提取接收到的CWD信号。本振频率等于发送频率的混频器对信号进行波束成形，再混频至基带进行处理。I/Q本振信号可以逐通道调整相位，对接收到的CWD信号相位进行偏移。混频器输出相叠加，经带通滤波器，最后进入ADC进行采样。采样得到的基带波束信号处于音频范围(100Hz至50kHz)，采用工作在音频频率范围的ADC对I和Q CWD信号进行数字化。这些ADC需要出色的动态范围，以便处理运动组织产生的较大的低频多普勒信号和血液产生的微弱信号。

另一种方法是使用延迟线接收CWD信号，该方法常用于低成本设备。在此方法中，信号还是从LNA输出提取，然后转化成电流信号。通过一个交叉开关对相同相位的通道进行叠加，产生8至16路独立输出，具体由接收波束成形器决定。延迟线产生延迟，并将这些信号求和构成一路波束成形RF信号，然后利用一个本振频率等于发送频率的I/Q混频器将信号混频至基带，然后将基带音频信号滤波后，转换至数字形式。