高性能超聲成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)學(xué)場景。在過去十年中，超聲系統(tǒng)中的分立電路已經(jīng)被高度集成的芯片（IC）所取代。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)不斷推動系統(tǒng)性能優(yōu)化及尺寸小型化。這些變革都得益于各類芯片技術(shù)，如專用低噪聲放大器、多通道低功耗ADC、集成高壓發(fā)射、優(yōu)化的硅工藝和多芯片模塊封裝。隨著芯片功耗和尺寸減小至原來的 20%。

此外，得益于低功耗、高性能硅工藝的發(fā)展，部分波束合成預(yù)處理模塊已經(jīng)集成于通用的模擬或混合信號芯片而非專用的數(shù)字處理器。同時，先進(jìn)的高速串行或是無線接口大大降低了系統(tǒng)布局復(fù)雜度，并且能夠?qū)⒈M可能多的 RF 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)集成芯片（SOC）、CPU 或 GPU。當(dāng)前超聲技術(shù)的應(yīng)用也從特定的放射學(xué)診斷擴(kuò)展到各類便攜式應(yīng)用，床旁實(shí)時監(jiān)測以及醫(yī)療現(xiàn)場就地檢查等各個領(lǐng)域。

本應(yīng)用指南綜述了超聲系統(tǒng)的架構(gòu)和原理，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，綜述了應(yīng)用于超聲芯片的先進(jìn)技術(shù)，最后講解了醫(yī)學(xué)超聲芯片的模擬參數(shù)。??

1. 醫(yī)學(xué)超聲成像

超聲波是一種頻率高于 20KHz 的聲波。醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)常采用 1 MHz 至 20 MHz 的頻率，可達(dá)到亞毫米級分辨率。第一臺商用超聲成像系統(tǒng)誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，可提供實(shí)時的 2D 亮度或灰度圖像。如今，超聲成像憑借安全性、成本效益和實(shí)時方面的優(yōu)勢，已經(jīng)成為重要的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測嬰兒發(fā)育，也可用于診斷心臟、肝臟、膽囊、脾臟、胰腺、腎臟、膀胱等內(nèi)臟器官的疾病。?

典型的超聲系統(tǒng)包括壓電換能器、電子電路、圖像顯示單元和 DICOM（醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信）兼容軟件。典型超聲系統(tǒng)的簡化框圖如下所示。?

圖 1. 典型超聲系統(tǒng)的簡化框圖

2. 聲波產(chǎn)生和傳播的原理

超聲換能器是超聲系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，由壓電元件、連接器和支撐結(jié)構(gòu)組成。壓電效應(yīng)是指某種材料的物理尺寸隨施加的電場而變化的現(xiàn)象，反之亦然。如下所示，超聲應(yīng)用中的大多數(shù)換能器是雙共模式。換能器在發(fā)射相（模式）期間將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。產(chǎn)生的機(jī)械波向介質(zhì)傳播，若介質(zhì)不均勻則會反射。在接收模式中，接收反射的機(jī)械波形并由換能器轉(zhuǎn)換成電信號。?

圖 2. 換能器振動、聲波傳播和反射

在換能器被電子激勵之后，會產(chǎn)生聲波并在介質(zhì)中傳播。在醫(yī)學(xué)超聲中，F(xiàn)DA（食品藥品管理局）要求所有成像系統(tǒng)滿足瞬時、峰值和平均強(qiáng)度的限制。

我們通常將換能器靈敏度或換能器插入損耗（IL）定義為接收（Rx）和發(fā)射（Tx）信號幅度之間的比率，如下所示：

換能器頻率由壓電材料 L 的厚度和材料中的聲速 cm 決定：?

如前所述，常用的頻率范圍為 1MHz 至 20MHz?；谏鲜龇匠淌?，較高頻率的換能器需要較薄的材料。因此，構(gòu)建極高頻的換能器具有一定的挑戰(zhàn)性。

換能器頻率響應(yīng)或帶寬是另一個關(guān)鍵參數(shù)。作為一般規(guī)則，若換能器被脈沖信號（即短尖峰）激勵，則接收回波的持續(xù)時間決定了換能器的帶寬。具有極快響應(yīng)（即短回波）的換能器是寬帶換能器，反之亦然。在大多數(shù)應(yīng)用中通常優(yōu)選更寬的帶寬。在相同的換能器頻率下，寬帶換能器可實(shí)現(xiàn)更好的軸向分辨率，因?yàn)榛夭ㄩL度決定了超聲系統(tǒng)的軸向分辨率。與此同時，寬帶換能器適用于諧波成像，在該成像模式下超聲能量以基頻發(fā)射，而圖像由接收到回波的二次諧波來重建。如沒有寬帶寬換能器的情況下，換能器靈敏度在其諧波頻率點(diǎn) 2f0 處顯著下降。因此許多換能器研究人員不斷探索新材料、新架構(gòu)和新制造工藝以進(jìn)一步改善換能器性能。

在超聲成像的早期階段，用于超聲系統(tǒng)的多通道電子電路既昂貴又不成熟。由電機(jī)驅(qū)動通過機(jī)械掃描方式成像單陣元換能器被廣泛用于獲得二維（2D）圖像。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的速度和精度限制，早期系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)高幀率或高精度成像。如今，成熟的陣列換能器和多通道電子技術(shù)可支持 64 到 512 個陣元的換能器。以電子掃描為基礎(chǔ)可獲得高達(dá)> 100 幀 / 秒的圖像。為實(shí)現(xiàn)電子掃描，波束合成技術(shù)應(yīng)用于聚焦換能器的聲束。波束合成的細(xì)節(jié)將在下一節(jié)中討論。與光學(xué)成像系統(tǒng)類似，超聲系統(tǒng)可在聚焦焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)最佳空間分辨率。根據(jù)應(yīng)用，一維（1D）陣列換能器包括線性陣列、彎曲線性陣列和相位陣列。這些換能器之間的主要區(qū)別在于光束成形結(jié)構(gòu)、成像范圍和圖像分辨率。此外，由超過 2000 個元件組成的最新 2D 陣列換能器可支持實(shí)時三維（3D）成像。下圖所示為單陣元換能器、1D 陣列換能器和 2D 陣列換能器。?

圖 3. 典型的換能器。（A）單元件換能器 ；b）1D 陣列換能器；（c）2D 陣列換能器（由 USC、Vermon 和 Philips 提供）。

3. 換能器指標(biāo)與圖像質(zhì)量

和任何成像系統(tǒng)類似，圖像質(zhì)量是醫(yī)學(xué)超聲成像中的重要標(biāo)準(zhǔn)。諸如空間分辨率和成像穿透等共同參數(shù)主要通過換能器指標(biāo)和聲波傳播理論來決定。超聲圖像的縱向和橫向分辨率與介質(zhì)中的聲波波長成線性關(guān)系：?

方程式中，c 是介質(zhì)中的聲速，Zf 是焦距，2r 是換能器孔徑或直徑。當(dāng)換能器被脈沖信號激勵時，τ-6dB 為接收回波的 -6dB 脈沖寬度的持續(xù)時間。 τ-6dB 也與波長λ成線性關(guān)系。對于寬帶陣列換能器，我們可分別比較 5MHz 和 12MHz 的橫向分辨率，其工作頻率為 5MHz 至 14MHz。成像深度為 5 厘米。在兩種情況下，64 個換能器陣元形成有效孔徑。元件之間的間距為 0.3mm。介質(zhì)中的聲速為 1540m/s。有效孔徑尺寸為 19.2mm。根據(jù)超聲系統(tǒng)的信號鏈設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)的公式，對于 5MHz 和 12MHz 的聲波，λ分別為 0.31mm 和 0.13mm。根據(jù)上述方程式，橫向分辨率分別在 5MHz 時為 0.8mm，在 12MHz 時為 0.33mm。因此，更高頻率的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更佳的分辨率。

實(shí)際上，僅通過增加換能器頻率來改善圖像質(zhì)量并非完全可行。一方面，更高頻率的換能器需要更薄的壓電材料，這需要更精密的制造技術(shù)，且成本更高。另一方面，如后面章節(jié)所示，較高頻率的聲波在生物組織中容易衰減。?

當(dāng)介質(zhì)不均勻時，聲波的部分能量可在兩個介質(zhì)的邊界處反射。未反射的聲波繼續(xù)傳播，直到它在下一個邊界被反射，或完全衰減。反射和透射系數(shù)由這兩種介質(zhì)的聲阻抗（Z=ρc）的差異決定。方程式中，ρ和 c 分別是介質(zhì)的密度和聲速，假設(shè)波傳播方向垂直于邊界。?

表 1 所示為所選生物組織、水和空氣的特性。在兩個聲阻抗極其不同的情況下會出現(xiàn)強(qiáng)反射信號。骨骼密度高，聲速快；因此它總是超聲圖像中的強(qiáng)反射組織器。另一方面，血液和肝臟的聲阻抗相似，因此這兩種組織之間的反射很弱。只有高靈敏度的換能器才能拾取微弱的信號。如表 1 所示，信號在傳播過程中會衰減。累積衰減隨著傳播距離的增加而增加。以方程式 7 計(jì)算衰減，其中系數(shù) 2 體現(xiàn)了聲波雙向傳播。?

在超聲波探查體內(nèi)組織的典型應(yīng)用中，來自人體表面的回波與來自內(nèi)部器官的回波之間的動態(tài)范圍很容易超過 100dB。我們可假設(shè)平均衰減系數(shù)為 0.7dB/MHz×cm 和 7.5MHz 換能器。在 10cm 的深度處，基于方程式 7，即 7.5×0.7×10×2dB，計(jì)算所得 105dB 的衰減。假設(shè)表面回波為 1Vpp，體內(nèi)器官回波的幅度為100dB 動態(tài)范圍和 20Hz~>GHz 工作頻率，每個小的改進(jìn)都需要在晶體管級、芯片級、電路板級和系統(tǒng)級上進(jìn)行大量的研發(fā)工作。與大多數(shù)混合信號系統(tǒng)類似，良好的模擬輸出始終是后續(xù)信號處理和圖像質(zhì)量改進(jìn)的基礎(chǔ)。低功耗、低噪聲和緊湊的尺寸是超聲前端電子設(shè)計(jì)的首要考慮事項(xiàng)。?

波束合成器

波束合成器包括發(fā)射和接收波束合成器來實(shí)現(xiàn)電子聚焦和控制多陣元換能器的聲束。，如下圖所示從一個換能器陣元到目標(biāo)的距離與從另一個陣元到目標(biāo)的距離不同；因此在發(fā)送相，針對每個陣元適當(dāng)?shù)匮舆t發(fā)送的信號，以使得發(fā)射器信號同時到達(dá)目標(biāo)并在目標(biāo)處產(chǎn)生最高聲強(qiáng)，也就是獲取最強(qiáng)回波。在接收階段，通過對接收到的回波應(yīng)用適當(dāng)?shù)难舆t，以實(shí)現(xiàn)線性疊加來自多個換能器陣元的回波，以實(shí)現(xiàn)最高靈敏度。?

圖 10. 用于在（a）發(fā)射相和（b）接收相中聚焦聲束的換能器波束合成器

由于發(fā)射電路主要是數(shù)字型，因此發(fā)射延遲實(shí)現(xiàn)是通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）或數(shù)字信號處理器（DSP）等高速計(jì)數(shù)器完成的。由于接收信號的復(fù)雜性，接收波束合成器顯然需要更多的算法優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)。早期基于分立晶體管電子電路信號處理能力有限。因此，接收器波束合成波束合成器以基于電感電容組合的模擬延遲線來實(shí)現(xiàn)。在 20 世紀(jì) 80 年代，接收器波束合成器開始使用多通道模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片和數(shù)字波束合成技術(shù)。?

圖 11. 數(shù)字波束合成器圖解

在目前的主流超聲系統(tǒng)中，接收波束合成器一般都是數(shù)字型的。數(shù)字波束合成器通常在具有極高的計(jì)算能力的 FPGA、DSP、PC 或 GPU（圖形處理單元）中實(shí)現(xiàn)。如前所述，較大的換能器孔徑可實(shí)現(xiàn)更佳的分辨率。因此，在高端超聲系統(tǒng)中，256 個換能器元件形成一個聚焦光束，以獲得精細(xì)分辨率圖像。因此高端波束合成器所需的計(jì)算能力相當(dāng)復(fù)雜。

生物組織在形狀、密度、聲速等方面存在異質(zhì)性。實(shí)時延遲計(jì)算和校準(zhǔn)會基于所涉組織的聲學(xué)特性和形狀。由于波束合成器設(shè)計(jì)的重要性和復(fù)雜性，大多數(shù)超聲波公司都有自己的 IP。在不影響波束形成性能的情況下，簡化波束形成器設(shè)計(jì)仍然是一個熱門話題。相信正在研發(fā)新的波束合成器架構(gòu)將廣泛用于未來的超聲系統(tǒng)。?

數(shù)字信號處理

超聲信號需要大量的信號處理，以便從原始超聲數(shù)據(jù)中提取各成像模式所需的信息。主要處理模塊包括 B 模式圖像重建、基于快速傅里葉變換的多普勒頻譜信息提取、基于自相關(guān)和互相關(guān)的彩色多普勒計(jì)算、超聲圖像掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（2D 超聲坐標(biāo)到笛卡爾坐標(biāo)）、圖像增強(qiáng)等。目前，商用處理器，如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），數(shù)字信號處理器（DSP），被廣泛使用，。FPGA 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)?nèi)部邏輯門進(jìn)行硬連線，并優(yōu)化其算法的效率。另一方面，DSP 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模塊，可實(shí)時更改和優(yōu)化他們的算法。換言之，F(xiàn)PGA 以硬件效率取勝，而 DSP 以軟件靈活性得寵。新的信號處理器，如 PC 和 GPU；它們的計(jì)算能力高于 FPGA 和 DSP，而軟件開發(fā)成本則大大低于 FPGA 和 DSP 然而，由于 PC 和 GPU 的高功耗，它們并不一定適合低功耗便攜式系統(tǒng)。?

6. 模擬前端芯片設(shè)計(jì)中的工藝選擇

在任何 AFE 設(shè)計(jì)之前，半導(dǎo)體工藝選擇始終是基于設(shè)計(jì)目標(biāo)的首要關(guān)鍵考慮注意事項(xiàng)。CMOS 和 BiCMOS 工藝是超聲模擬前端設(shè)計(jì)中最常用的工藝。它們中的每一個都有其自身優(yōu)點(diǎn)，且適用于相應(yīng)的電路塊。

BiCMOS（雙極 CMOS）工藝目前比純雙極工藝更受歡迎，因?yàn)樗糜谀M設(shè)計(jì)的高性能雙極晶體管和用于數(shù)字設(shè)計(jì)的 CMOS 元件。雙極晶體管適用于低噪聲放大器設(shè)計(jì)，具有超低 1/f 噪聲、寬帶寬和良好的功耗 / 噪聲效率。雙極性工藝還降低了電路電容，以獲得良好的總諧波失真。因此，基于雙極或 BiCMOS 工藝的放大器可在比基于 CMOS 工藝的放大器小得多的區(qū)域和更低的功耗下實(shí)現(xiàn)相同的性能。

德州儀器的 0.35um BiCMOS 工藝用于研究雙極和 CMOS 器件之間放大器設(shè)計(jì)的性能影響。下圖（a）表明，基于雙極晶體管的放大器在相同的偏置電流下可實(shí)現(xiàn)更低的噪聲；它還說明雙極晶體管具有超低 1/f 噪聲特性，這對于具有調(diào)制和解調(diào)電路的多普勒應(yīng)用至關(guān)重要；（b）與類似的 CMOS 設(shè)計(jì)相比，雙極設(shè)計(jì)顯著減小了面積。當(dāng)然，由于半導(dǎo)體工藝的特征尺寸減小，在 0.35um BiCMOS 工藝和