Jak zlepšit kvalitu obrazu ultrazvukového systému pomocí ultranízkošumových zdrojů

Ultrazvuková technologie, široce používaný neinvazivní nástroj v lékařské diagnostice a dalších aplikacích, se posunula od statických snímků k dynamickým a od černobílého zobrazení k barevnému dopplerovskému obrazu. K těmto důležitým vylepšením mohlo z velké části dojít díky zavedení digitální ultrazvukové technologie. I když tyto pokroky zvýšily efektivitu a všestrannost ultrazvukového zobrazování, je stejně důležité, aby tyto systémy nabízely lepší kvalitu obrazu prostřednictvím pokroků v head-end ultrazvukové sondě a analogovém front-endu (AFE), který pohání sondu a snímá zpětné signály.

Jednou z překážek dosažení této lepší kvality obrazu je šum, takže cílem návrhu je zvýšit odstup signálu od šumu („signal-to-noise ratio“, SNR) systému. Lze toho částečně dosáhnout řešením šumu způsobeného různými napájecími vedeními v systému. Je třeba říct, že takový šum není jedinou jednoduchou entitou. Místo toho má různé vlastnosti a atributy, které určují, jak nakonec výkon systému ovlivní.

Tento článek pojednává o základním principu ultrazvukového zobrazování a poté se zaměřuje na různé faktory, které ovlivňují kvalitu obrazu, především na šum z napájecích zdrojů. Jako příklad napájecích součástek, které mohou SNR a další aspekty výkonu ultrazvukového systému výrazně zlepšit, jsou použity DC-DC regulátory od společnosti Analog Devices.

Základy ultrazvukového zobrazování

Koncepce je jednoduchá: vygenerovat ostrý akustický pulz a poté „naslouchat“ jeho odrazu echa při nárazu na překážky nebo na různá rozhraní mezi orgány a jejich různým akustickým impedancím. Opakovaným prováděním těchto sekvencí zpětných impulzů lze odrazy použít k vytvoření obrazu odrazných ploch.

U většiny režimů ultrazvuku vysílá pole piezoelektrických měničů omezený počet vlnových cyklů (typicky dva až čtyři) jako pulz. Frekvence těchto vln je v jednotlivých cyklech obvykle v rozsahu 2,5 až 14 MHz. Pole je řízeno pomocí technik tvarování paprsku analogických s RF anténou phased array, takže celkový ultrazvukový pulz lze zaměřit a řídit tak, aby vytvořil sken. Měnič se poté přepne do režimu příjmu, aby snímal návrat odražených vln z těla.

Všimněte si, že poměr časování vysílání/příjmu je typicky asi 1 %/99 % s frekvencí opakování pulzů obvykle mezi 1 a 10 kHz. Díky časování pulzu od jeho přenosu k přijatým echům a díky znalosti rychlosti, kterou se ultrazvuková energie šíří tělesnou tkání, je možné vypočítat vzdálenost od měniče k orgánu nebo rozhraní odrážejícím vlnu. Amplituda vracejících se vln určuje jas pixelů přiřazených odrazu v ultrazvukovém obrazu po značném digitálním následném zpracování.

Porozumění požadavkům na systém

Navzdory koncepční jednoduchosti základního principu je kompletní špičkový ultrazvukový zobrazovací systém komplikovaným zařízením (obrázek 1). Konečný výkon systému je do značné míry určován měničem a analogovým front-endem („analog front-end“, AFE), zatímco následné zpracování digitalizovaného odraženého signálu umožňuje, aby algoritmy situaci vylepšily.

Není překvapením, že systémový šum různých typů je jedním z limitujících faktorů kvality obrazu a výkonu, což je opět analogie k úvaze o bitové chybovosti („bit error rate“, BER) versus SNR v digitálních komunikačních systémech.

Obrázek 1: Kompletní ultrazvukový zobrazovací systém je komplexní kombinací značného množství analogových, digitálních, výkonových a zpracovatelských funkcí. AFE definuje hranice výkonu systému. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Mezi polem piezoelektrických měničů a aktivní elektronikou je přepínač vysílání/příjmu („transmit/receive“, T/R). Úlohou tohoto přepínače je zabránit vysokonapěťovým vysílaným signálům pohánějícím měnič, aby se dostaly k nízkonapěťovému AFE na přijímací straně a poškodily jej. Poté, co je přijatý odraz zesílen a upraven, je předán do analogově-digitálního převodníku („analog-to-digital converter“, ADC) AFE, kde se digitalizuje a podstoupí softwarové zpracování a vylepšení obrazu.

Jednotlivé různé zobrazovací režimy ultrazvukového systému mají různé požadavky na dynamický rozsah – a tedy SNR – nebo požadavky na šum:

• Pro režim černobílého obrazu je vyžadován dynamický rozsah 70 dB. Je důležitý práh šumu, protože ovlivňuje maximální hloubku, ve které lze ve vzdáleném poli vidět nejmenší ultrazvukové echo. Tomu se říká hloubka průniku (penetrace) a je to jedna z klíčových vlastností černobílého režimu.
• Pro dopplerovský režim pulzní vlny („pulse wave doppler“, PWD) je vyžadován dynamický rozsah 130 dB.
• Pro dopplerovský režim kontinuální vlny („continuous wave doppler“, CWD) je potřeba 160 dB. Všimněte si, že šum 1/f je zvláště důležitý pro režimy PWD a CWD, protože oba tyto snímky obsahují prvek nízkofrekvenčního spektra pod 1 kHz a fázový šum ovlivňuje Dopplerovo frekvenční spektrum vyšší než 1 kHz.

Tyto požadavky není snadné splnit. Protože frekvence ultrazvukového měniče je typicky od 1 MHz do 15 MHz, bude ovlivněna jakýmkoli šumem spínací frekvence v tomto rozsahu. Pokud se ve spektrech PWD a CWD (od 100 Hz do 200 kHz) vyskytují intermodulační frekvence, objeví se v Dopplerově obrazu zjevná spektra šumu, což je v ultrazvukovém systému nepřijatelné. Pro maximální výkon systému a kvalitu obrazu (čistota, dynamický rozsah, absence skvrn v obraze a další hodnoty) je důležité se zaměřit na zdroje, které způsobují ztrátu kvality signálu a zhoršení SNR.

První je zřejmý: v důsledku útlumu jsou zpětné signály z tkání a orgánů hlouběji v těle (např. z ledvin) mnohem slabší než z těch, které jsou v blízkosti měniče. Proto se odražený signál „zesiluje“ prostřednictvím AFE tak, aby zabíral co největší část vstupního rozsahu AFE. K tomu slouží funkce automatického řízení zisku („automatic gain control“, AGC). Tato funkce AGC je podobná funkci, která se používá v bezdrátových systémech, kde AGC vyhodnocuje sílu bezdrátového přijímaného RF signálu („received signal strength“, RSS) a dynamicky kompenzuje jeho náhodné, nepředvídatelné změny v rozsahu desítek decibelů.

V ultrazvukové aplikaci je však situace jiná než u bezdrátového spojení. Místo toho je znám přibližně útlum dráhy stejně jako rychlost šíření akustické energie – 1 540 m/s v měkké tkáni, je tedy asi pětkrát rychlejší než šíření vzduchem při rychlosti asi 330 m/s, a je tak známa také míra útlumu.

Na základě těchto poznatků používá AFE zesilovač s proměnným ziskem („variable-gain amplifier“, VGA), který je uspořádán jako zesilovač s kompenzací časového zisku („time-gain compensation“, TGC). Zesílení tohoto VGA je lineární v dB a je nakonfigurováno tak, že lineárně v čase rostoucí řídicí napětí zvyšuje zisk v závislosti na čase, aby se do značné míry kompenzoval útlum. Tím se maximalizuje SNR a využití dynamického rozsahu AFE.

Typy šumu a způsoby jejich řešení

Přestože šum signálu v těle a šum vyvolaný pacientem jsou mimo kontrolu konstruktéra ultrazvukového systému, je třeba vnitřní šum systému řídit a kontrolovat. K tomu je důležité porozumět typům šumu, jejich dopadu a tomu, co lze pro jejich snížení udělat. Primárními oblastmi zájmu jsou šum spínacího regulátoru, bílý šum způsobený signálovým řetězcem, hodinami a napájením a šum související s uspořádáním.

• Šum spínacího regulátoru: Většina spínacích regulátorů používá k nastavení spínací frekvence jednoduchý rezistor. Nevyhnutelná tolerance jmenovité hodnoty tohoto rezistoru přináší různé spínací frekvence a harmonické, protože frekvence různých nezávislých regulátorů se mísí a navzájem křížově modulují. Vezměte v úvahu, že i rezistor s malou tolerancí s 1% nepřesností má v DC-DC regulátoru 400 kHz za následek harmonickou frekvenci 4 kHz, což ztěžuje řízení harmonických.

Lepším řešením je vybrat integrovaný obvod spínacího regulátoru se synchronizační funkcí realizovanou prostřednictvím připojení SYNC na jednom z jeho pinů pouzdra. Pomocí této funkce mohou externí hodiny distribuovat signál do různých regulátorů tak, aby všechny spínaly na stejné frekvenci a fázi. Tím se eliminuje mísení jmenovitých frekvencí a souvisejících harmonických produktů.

Například model LT8620 je vysoce účinný vysokorychlostní synchronní monolitický snižovací spínací regulátor, který přijímá široký rozsah vstupního napětí až do 65 V a spotřebovává pouze 2,5 μA klidového proudu (obrázek 2). Jeho provoz v režimu „Burst Mode“ s nízkým zvlněním umožňuje vysokou účinnost až do velmi nízkých výstupních proudů při zachování výstupního zvlnění do 10 mV špička-špička. Pin SYNC umožňuje uživatelem nastavenou synchronizaci s externími hodinami od 200 kHz do 2,2 MHz.

Obrázek 2: Vysoce účinný snižovací spínací regulátor LT8620 obsahuje pin SYNC, takže jeho taktování může být synchronizováno s jinými systémovými hodinami, čímž se minimalizují efekty intermodulace hodin. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Další technikou je použití spínacího regulátoru, který využívá náhodné taktování s rozprostřeným spektrem k šíření generovaného elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI) do širšího pásma, čímž se snižuje jeho špičková hodnota při jakékoli konkrétní frekvenci. I když se jedná o atraktivní řešení pro některé aplikace, které jsou méně kritické z hlediska SNR a více dbají na splnění požadavků na EMI, přináší nejistotu ve výsledných harmonických, které vznikají v širším spektru, což ztěžuje jejich řízení. Například rozprostření spínací frekvence 20 % z hlediska EMI má ve 400kHz napájecím zdroji za následek harmonické frekvence mezi nulou a 80 kHz. I když tedy tento přístup ke snížení „špiček“ EMI může pomoci splnit příslušné regulační požadavky, pro speciální potřeby SNR ultrazvukových návrhů může být kontraproduktivní.

Tomuto problému pomáhají předejít spínací regulátory s konstantní frekvencí. Řada napěťových regulátorů Silent Switcher a regulátorů μModule společnosti ADI nabízí spínání s konstantní frekvencí. Zařízení nabízejí současně výkon EMI s volitelnými technikami rozprostřeného spektra k poskytování vynikající přechodové odezvy bez výskytu nejistot spojených s rozprostřeným spektrem.

Řada regulátorů Silent Switcher není omezena pouze na regulátory s nižším výkonem. Například model LTM8053 je 40V_IN (maximum) snižovací regulátor s 3,5 A kontinuálně, 6 A špičkově, který obsahuje spínací ovladač, výkonové spínače, induktor a veškeré podpůrné součástky. K dokončení návrhu jsou potřeba pouze vstupní a výstupní filtrační kondenzátory (obrázek 3). Model podporuje rozsah výstupního napětí od 0,97 do 15 voltů a rozsah spínací frekvence 200 kHz až 3 MHz, přičemž se jednotlivé hodnoty nastavují jediným rezistorem.

Obrázek 3: Zástupce LTM8053 řady Silent Switcher může dodávat 3,5A konstantní /6A špičkový proud, přijímá vstup 3,4 až 40 voltů a může poskytovat výstup v širokém rozsahu 0,97 až 15 voltů. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Jedinečné pouzdro modelu LTM8053 pomáhá udržovat nízké EMI spolu s vyšším proudovým výstupem. Pouzdro s technologií flip-chip s měděným pilířem v regulátoru Silent Switcher µModule pomáhá snižovat parazitní indukčnost a optimalizovat špičky a mrtvou dobu, což umožňuje provedení s vysokou hustotou a velkou proudovou kapacitu v malém pouzdru (obrázek 4). Pokud je potřeba větší proud, lze paralelně připojit více zařízení LT8053.

Obrázek 4: Model LTM8053 (a další zařízení Silent Switcher) obsahují technologii flip-chip s měděným pilířem, což umožňuje provedení s vysokou hustotou a velkou proudovou kapacitu v malém pouzdru a zároveň minimalizuje parazitní indukčnost. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Technologie a topologie řady Silent Switcher nejsou omezeny na regulátory s jedním výstupem. Model LTM8060 je čtyřkanálový, 40V_IN regulátor Silent Switcher μModule s konfigurovatelným výstupním polem 3 A (obrázek 5). Pracuje až do 3 MHz a je zabalen v kompaktním (11,9 × 16 × 3,32 mm) přelisovaném pouzdru BGA („ball grid array“).

Obrázek 5: Model LTM8060 je čtyřkanálové konfigurovatelné pole μModule s výstupem 3 A/kanál v kompaktním pouzdru o rozměrech pouhých 11,9 × 16 × 3,32 mm. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Jedním ze zajímavých aspektů tohoto čtyřkanálového zařízení je, že jeho výstupy mohou být paralelně zapojeny v různých konfiguracích, aby odpovídaly různým potřebám zátěžného proudu až do maxima 12 A (obrázek 6).

Obrázek 6: Čtyři 3A výstupy modelu LTM8060 mohou být uspořádány v různých paralelních konfiguracích, aby odpovídaly požadavkům aplikace na DC vedení. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Stručně řečeno, regulátory Silent Switcher nabízejí mnoho výhod, pokud jde o šum, harmonické a tepelný výkon (obrázek 7).

Obrázek 7: Zobrazeny jsou klíčové atributy řady regulátorů Silent Switcher ve vztahu k důležitým hlediskům návrhu. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

• Bílý šum: V ultrazvukovém systému je také mnoho zdrojů bílého šumu, což vede k šumu na pozadí a „skvrnám“ v obraze. Tento šum pochází především ze signálového řetězce, hodin a napájení. Problém lze vyřešit přidáním regulátoru s nízkým úbytkem napětí („low-dropout“, LDO) na napájecí pin citlivé analogové součástky.

Regulátory LDO nové generace společnosti ADI, jako je např. model LT3045, se vyznačují ultranízkou úrovní šumu kolem 1 μV rms (10 Hz až 100 kHz) a poskytují proudový výstup až 500 mA při typickém úbytku napětí 260 mV (obrázek 8). Provozní klidový proud je nominálně 2,3 mA a v režimu vypnutí klesne na mnohem méně než 1 μA. K pokrytí proudu od 200 mA do 3 A jsou k dispozici další nízkošumové regulátory LDO.

Obrázek 8: Regulátory LDO LT3045 se vyznačují ultranízkým šumem kolem 1 μV rms při rozsahu proudu od 200 mA do 3 A. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

• Rozložení desky: Ve většině uspořádání desek plošných spojů dochází ke konfliktu mezi spoji signálu vysokého proudu ze spínacích napájecích zdrojů a sousedními spoji nízkoúrovňových signálů, protože šum z prvních zmíněných se může spojit s druhým. Tento spínací šum je obvykle generován „horkou smyčkou“ vytvořenou vstupním kondenzátorem, kondenzátorem MOSFET na horní straně, kondenzátorem MOSFET na spodní straně a parazitními indukčnostmi v důsledku zapojení, vedení a spojování.

Standardním řešením je přidat odrušovací obvod ke snížení elektromagnetického vyzařování, což však snižuje účinnost. Architektura zařízení Silent Switcher zlepšuje výkon a zachovává vysokou účinnost i při vysoké spínací frekvenci vytvořením protichůdné horké smyčky (nazývané „rozbočovací“) pomocí obousměrného vyzařování, čímž dochází ke snížení EMI asi o 20 dB (obrázek 9).

Obrázek 9: Vytvořením protichůdné „horké smyčky“, která rozděluje cestu toku proudu, regulátor Silent Switcher výrazně snižuje EMI o přibližně 20 dB. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Účinnost versus šum

Může se zdát, že pokud existuje kompromis mezi šumem napájecího zdroje a potenciální účinností, měla by v ultrazvukové aplikaci převážit potřeba ultranízkého šumu. Koneckonců, několik dalších miliwattů rozptylu by nemělo představovat takovou zátěž na úrovni systému jako celku. Dále, proč nezvýšit energii pulzovanou měničem, aby se zvýšila síla pulzního signálu, a tím i odražený SNR?

Tento kompromis má však další komplikaci: samovolné zahřívání ruční digitální sondy, která obsahuje měnič, ovladač piezoelektrického prvku, AFE a další elektronické obvody. Část elektrické energie sondy se rozptýlí v piezoelektrickém prvku, čočce a podkladovém materiálu, což způsobuje zahřívání měniče. Spolu s plýtváním akustickou energií v hlavě měniče to vede k zahřívání a růstu teploty sondy.

Maximální přípustná povrchová teplota měniče je omezena. V normě IEC 60601-2-37 (Rev 2007) je teplota omezena na 50 °C, když měnič vysílá do vzduchu, a 43 °C při přenosu do vhodného fantomu (standardní simulátor těla). Druhý zmíněný limit znamená, že kůže (obvykle s 33 °C) se může zahřát maximálně o 10 °C. Zahřívání měniče je tedy u složitých měničů významným konstrukčním aspektem. Tyto teplotní limity mohou účinně omezit akustický výkon, který lze použít, nezávisle na dostupném stejnosměrném napájení.

Závěr

Ultrazvukové zobrazování je široce používaným, neocenitelným, neinvazivním a bezrizikovým lékařským zobrazovacím nástrojem. Ačkoli je základní princip koncepčně jednoduchý, návrh efektivního zobrazovacího systému vyžaduje značné množství složitých obvodů spolu s několika stejnosměrnými regulátory k napájení jeho různých dílčích obvodů. Tyto regulátory a související výkon musí být účinné, ale musí být také velmi nízkošumové kvůli extrémním požadavkům na SNR a dynamický rozsah odražené energie akustického signálu. Jak je ukázáno, integrované obvody regulátorů LDO a Silent Switcher od společnosti Analog Devices tyto požadavky splňují, aniž by ohrozily prostor, EMI nebo jiné klíčové atributy.

Související obsah

1. Maxim/Analog Devices, průvodce 4696, „Přehled ultrazvukových zobrazovacích systémů a elektrických součástek požadovaných pro hlavní dílčí funkce“
2. Analog Devices, „Technologie Silent Switcher™ od společnosti Analog Devices“ (video)
3. Analog Devices, „Nízkošumové regulátory Silent Switcher μModule a LDO zlepšují šum ultrazvuku a kvalitu obrazu“
4. Analog Devices, „Zařízení Silent Switcher jsou tichá a jednoduchá“