现代技术正在推动医用超声机器达到新的性能高度，从而产生具有新的清晰度和分辨率的图像。超声用于心脏、产科和许多其他诊断领域的成像。即使机器的能力提高了，机器的成本也在下降。虽然超声波在很大程度上依赖于数字处理，但其性能的关键在于大量的技术。我们将检查在这里的贡献和混合信号成分用于超声成像。当然，由于每个元素本身都需要单独的一章或一本书来为系统设计人员提供充分有用的信息，因此本文旨在提供概述并提供对医学超声架构的基本理解。虽然本文只会触及设计目标和规则的表面;将要提出的一些问题将与更广泛的应用程序上下文相关，并且可能在以后的文章中进行更详细的研究。

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图像是通过将一束狭窄的声波能量扫进活体，并分析被人体内部结构反射回来的能量模式来获得的，这很像搜索雷达。由于接收换能器处理的是信号，但分析是数字化的，因此信号必须数字化。电脉冲作用于压电陶瓷元件，产生发射频率为2 ~ 20mhz的能量。使用的频率取决于应用程序。更高的频率提供最好的分辨率，但穿透性较差，因为当信号穿过身体时，它们衰减得更快。高频脉冲的强度是有限制的，因为过大的功率对病人是不健康的。最常用的频率范围是2到7mhz。

回波电平范围从靠近身体表面的1 V到身体深处的小于10µV。信号通过一根电缆从手链中的陶瓷元件传导到前端电子元件，这将受到噪声和衰减的影响。宽范围的信号必须被放大到2v以驱动数字转换器。为了实现这一点，使用了一个时间增益补偿(TGC)放大器。它将通过将信号放大一个指数因子来补偿指数信号衰减，这个指数因子取决于机器等待返回脉冲的时间。

功率水平、使用频率、放大和光束聚焦决定了图像的清晰度。这些东西是由超声波技师(技术员)控制的，与系统的固有属性相互作用。

使用的成像模式

1.   灰度——产生基本的黑白图像。它可以分辨小到1毫米的伪影。显示器是通过发射能量爆发和分析返回能量(如上所述)来制作的。

2.   多普勒——最好的医学多普勒超声是彩色多普勒天气雷达。顾名思义，多普勒模式通过跟踪返回信号的频移来探测运动中物体的速度。这些原理应用于检查血液或其他在体内流动的液体。它是通过向人体发射连续波并对返回波进行快速傅里叶变换(FFT)来实现的。计算过程将确定来自身体的信号的频率成分及其作为流体速度函数的关系。一个信道包含基频，而另一个信道包含多普勒频移。通常采用4倍过采样。

3.静脉和动脉模式-他们采用多普勒结合灰度模式。首先，将找到静脉或动脉的图像，操作员将在其周围的一个小光标窗口中拨号。然后在光标区域内使用多普勒。发射信号的多普勒频移将如上所述进行测量。音频也将与光标图像一起使用。静脉流动产生一种急促的声音(像瀑布一样)，而脉搏的砰砰声则表明动脉流动。同时，血液流速将显示在数字读数上。窦性心律将在屏幕上显示为X-Y图。通过对多普勒频移产生的音频信号进行处理，得到速度和节奏显示。

整体系统

框图(图1)显示了系统的要素:换能器、多路复用器、发射机及其波束形成装置、发送/接收(T/R)开关、低噪声放大器、信号和图像处理显示器、音频、a /D转换器及其驱动器、TGC放大器。在目前的技术水平下，机器可以使用多达256个通道(包括256个陶瓷元件，放大器，adc等)

探测器及其发射信号

探头每个通道将有一个陶瓷元件(最多256个)。这些元件是由压电陶瓷材料制成的，比如钛酸铅锆。

在一些设计中，脉冲每次得到大约100纳秒的短发射脉冲(“ping and ring”)时，脉冲会以几个周期的脉冲爆发。激发脉冲幅值约为100v。脉冲的大小将决定输送到病人体内的能量。

为了使失真最小化，有些系统发射高斯脉冲。图2对比了宽带脉冲在体内反弹后的扭曲频谱。它的光谱与发射的脉冲几乎没有相似之处。畸形脉冲将显示谐波失真和不必要的伪影。另一方面，对传输的高斯脉冲频谱的响应看起来与它发出时的响应大致相同，没有侧瓣。

激励脉冲可能是DAC的输出，信号由数字合成器给定所需的形状。然后将低幅度脉冲放大到所需的幅度(约100 V)。

接收机必须具有较宽的带宽，以适应在DSP的FFT计算中必须处理的大范围复频率。快速的边缘速率增加了对带宽的需求。

波束转向与聚焦

在过去的雷达时代，一个碟形或香蕉形的天线会旋转，在各个方向寻找目标。当磁控管慢慢扫向周围时，它会向天空发射能量脉冲。以光速传播，反射的能量会在天线移动不同步之前回到接收器。目前，旋转是由相控阵产生的。通过改变天线之间信号的相位和功率来控制波束，波束在没有任何移动部件的情况下在天空中扫过。

这与医学超声扫描身体周围的声能束的方法相同。在传递到换能器头部中阵列的压电元件的能量脉冲之间会有程序化的相位和幅度变化。这将导致入射光束沿着一条线射入身体。光束将在人体中来回扫过，就像雷达在天空中扫过一样。

多路收发开关

要发射的信号必须从功率放大器传递到陶瓷，接收的信号必须从陶瓷传递到接收器。由于100伏发送和微伏级接收信号必须通过同一根电缆，因此需要T/R开关(发送/接收)和多路复用器(mux)来引导信号。

接收机波束成形

光束通过延迟每个通道来聚焦，以便从焦点(或区域)返回的脉冲同时到达处理器(见图3)。机器将根据操作员的设置建立焦点区域。波束成形目前是用数字技术完成的。机器将调整计算扫描线位置所需的聚焦延迟。它将通过使用每个通道聚焦图像所需的延迟来计算显示的相应像素。较新的机器有多个重点区域。

时间增益控制(TGC)

时间增益补偿放大器是超声信号传输中的关键环节。它必须具有放大信号的能力，从几微伏到1伏特，再到ADC的1或2伏特。这个增益将沿着每条发射/接收扫描线呈指数增长。在楔形的近端，增益将非常低。它必须在100伏陶瓷激励脉冲后处理1伏返回信号。当激励脉冲经过一段时间后，增益将被扫进非常高的电平。这必须在保持低噪音的同时进行，以避免掩盖来自身体深处的低水平信号。操作员将调整TGC放大器控制以提高图像质量。AD604可变增益放大器广泛应用于该应用，具有两个通道，可以接受线性时间扫描，并在48db范围内产生指数级增长的增益(功率比接近100,000:1)。

A/D转换器

在ADC的输入端有许多噪声源，包括人体组织、增益级和电缆噪声。作为最后一个环节，ADC本身具有低噪声是很重要的。它的噪声不能与来自其他组件的幸存信号相混淆。采用更高分辨率的变换器改善了量化噪声。许多超声系统使用10位转换器，理论量化噪声为-61.7dB。较新的机器使用12位转换器。，使理论量化噪声降至< -73dB。

许多超声设计人员关心的是谐波失真和接近基本频率的伪影。州警的多普勒雷达在测量一辆超速的本田汽车的速度时要处理很大的频率偏移，而超声系统的多普勒模式测量静脉或动脉中的血液速度时只会产生几赫兹的偏移。在FFT图中，基频尖峰底部附近的区域必须非常安静，并且没有杂散信号，这通常是由ADC或系统时钟抖动引起的，以免掩盖这种移位。转换器的线性度对多普勒超声的质量也很重要。

ADC中的低互调失真将有助于防止多普勒回波的各种谐波伪影混合形成别名或增加形成大杂散。人体内部反射的信号可以看作是多音信号。如果ADC具有较差的谐波失真特性，则音调将与ADC的谐波结合，这可能会使低幅度返回信号相形见绌。

许多超声波制造商使用4倍过采样来改善信噪比，并降低抗混叠滤波器的复杂性。然而，一台12兆赫的x线照相机将需要比48兆赫更好的频率来容纳该系统。过采样率由信号处理链处理数据流的能力决定。

显示

一旦点被扫描，它们就必须被显示出来。现在考虑一下机器是如何将图像显示在屏幕上的。它将根据手件中陶瓷排中元素之间的时间延迟计算出屏幕上目标的位置。它根据信号从每个陶瓷元件返回的时间来判断深度。像素值将从存储器中读出并调制CRT跟踪。

机器必须计算每个点的位置并添加颜色。也许它会将接收到的几个扫描结果平均起来。然后，它将在扇形显示器的顶部开始CRT扫描。

谐波成像

为了从更高的频率获得更高的分辨率，同时改善穿透深度与能级的困境，采用了谐波成像。谐波成像通过处理基本发射脉冲的二次谐波来提高分辨率。谐波是由组织本身或注射到组织中的对比剂产生的。该技术将对放大器和adc施加压力，通过保持低谐波失真来最小化额外谐波。

未来组件要求

对低功率元件的需求持续存在。在早期的医院里，便携意味着笨重的机器有大轮子，而且它可以从医院房间里的120伏/15安培的插座供电，而不是R医学里的220伏/30安培的插座。如今，人们对在急救车辆中安装超声波并使其真正便携越来越感兴趣。组件设计的趋势支持这种势头。例如，以前的高速10位adc绘制了>400兆瓦。当近距离有256个转换器时，这是很大的功率。相比之下，10位40-MSPS AD9203的功耗仅为75 mW。

与几年前相比，成本已经下降了2到3倍以上。这使得使用更高分辨率、更快的adc(如低成本的12位65-MHz AD9226)变得切实可行。

更多的事情即将到来

随着时间的推移，期望用更少的钱获得更好的图像是合乎逻辑的。这将通过具有更高分辨率和数据速率的ADC实现。当反射的图像到达处理器时，可以得到更多的样本。

目前正在开发3d成像技术。有了这些机器，人们可以更好地全面了解图像，从而更快、更准确地进行诊断，减少不必要的手术。

更多的信息

大多数超声波制造商都有自己的网站。有许多技术文章和应用笔记可用。由于后勤方面的原因，这里禁止复制超声波图像，但在网络空间上可以找到很多。一定要看看3d图像，它们太棒了。超声波作为一种迅速成熟的非侵入性成像技术，其应用前景也很广阔。

作者感谢埃伯哈德·布鲁纳构思了这里使用的图纸。