醫學超聲是一種對身體內部結構(如器官)進行成像的非侵入性方法。它通過將高頻聲波傳輸到體內并測量發生在各種邊界(例如骨骼和肌肉之間的邊界)的反射來進行處理。

有幾種不同類型的超聲，例如亮度調制(B 模式)、脈沖波形(F 模式)和連續波形多普勒(CW 多普勒)。每個都有自己的優點和缺點，包括可以在體內成像的內容和穿透深度的水平。

在本文中，我們將仔細研究 CW 多普勒，以及高精度信號鏈如何實現對身體深處血流的準確測量。

CW 多普勒如何工作

在醫學界，CW 多普勒超聲用于確定通過關鍵靜脈或結構的血流。在血流異常的情況下，可能在靜脈內或潛在腫瘤位置周圍，超聲可用于診斷原因并幫助醫生確定最佳治療方法。

圖 1 顯示了使用 CW 多普勒測量靜脈血流速率的方法。

圖 1：血流的 CW 多普勒測量。

在 CW 多普勒中，一半的換能器陣列(發射器/接收器陣列)連續發射高頻音頻正弦波，在圖 1中用 Tx 表示。該信號的一部分被目標靜脈內流動的血細胞反射。該反射信號由換能器的后半部分接收，用 Rx 表示。

當信號從流動的血細胞中反射出來時，它會經歷與細胞速度相關的頻率變化。頻率變化(稱為多普勒效應或頻移)可以與發射信號的已知頻率進行比較，以確定血細胞的速度。

因為超聲操作者可能不知道體內靜脈的方向和血流的方向，所以接收到的信號通過一個混合器和低噪聲加法器來解調 I 和 Q 信號——實部和虛部接收到的信號。

這些信號由高精度數據采集系統同時測量，最后由主機(例如 FPGA 或 DSP)處理以確定細胞的速度。圖 2 顯示了 CW 多普勒信號鏈的 Rx 部分的框圖。該信號鏈對于 I 和 Q 信號都是重復的。

圖 2：用于 I 和 Q 測量的 CW 多普勒信號調理電路框圖。

進入 ADC

雖然發射信號的產生是超聲波機器的關鍵部分，但接收系統將是本文的重點，因為難以準確測量反射信號。

與范圍為 ±2.5 至 ±100 V 的 Tx 相比，Rx 信號可低至 ±10 μV 和高至 ±500 mV。在其信號范圍的低端以及發射器或體內不希望的反射產生的噪聲中準確測量 Rx 需要高精度模數轉換器 (ADC)。

由于 ADC 正在處理 I 和 Q 信號的轉換，因此選擇一個高性能的對于保持系統精度至關重要。由于 CW 多普勒系統中接收信號的范圍很廣(10 μV 至 500 mV)，因此 ADC 必須具有非常高的動態范圍，與它的信噪比 (SNR) 相當。

為了讓系統及時提供準確的結果，ADC 應該具有低延遲(轉換開始和結束之間的時間)，并提供未經過濾的原始轉換。最后，ADC 必須具有足夠高的分辨率，以便能夠測量接收信號中低至幾 μV 的變化。

如今，逐次逼近寄存器 (SAR) ADC已成為 CW 多普勒系統的首選，因為它滿足上述各項要求。此外，可以定制使用 SAR ADC 的信號鏈以優化系統性能。

例如，它可以設計為與特定的換能器一起使用或測量身體內某個深度的血流。能夠為特定功能定制信號鏈可以實現高度準確的測量。精選 SAR ADC 還集成了部分信號鏈，例如圖 3所示的電壓基準驅動器。

圖 3：外部與內部參考電壓緩沖器。

更穩定的參考點

集成電壓參考驅動器有幾個好處。在 SAR ADC 的轉換周期中，輸入信號與參考電壓進行比較以確定輸入值。在此比較過程中，ADC 將從基準中汲取電流以對一組開關電容器充電。

在這種情況下，如果沒有提供足夠的電流，參考電壓很容易在輸出端出現電壓下降，這可能導致轉換不準確。參考電壓緩沖器用于提供 ADC 所需的電流，以避免電壓下降。

將基準電壓緩沖器集成到 ADC 中可通過消除分立放大器來減小整體系統尺寸，這對于便攜式或高通道數 CW 多普勒系統至關重要。此外，緩沖器專為 ADC 設計，進一步提高了整體系統性能。

集成緩沖器允許將單個電壓基準與多個 ADC 一起使用，從而進一步減少高通道數系統的電路板空間和成本。

由于超聲波是非侵入性的并且能夠對體內的各種系統進行成像，因此它作為一種基本的醫療設備被越來越廣泛地接受。今天，從大都會醫院到電力來源有限(如果不是零)的偏遠地區，到處都可以找到它。

為了更好地對身體進行成像和識別最佳醫療程序，超聲機器必須具有高精度信號鏈，其中包含能夠精確測量所需信號的 ADC。

審核編輯：湯梓紅