Sådan forbedrer du ultralydssystemets billedkvalitet vha. strømforsyninger med ultra-lavt støjniveau

Ultralydsteknologien, som er et udbredt ikke-invasivt værktøj i medicinsk diagnostik og andre anvendelser, er gået fra statiske til dynamiske billeder og fra sort-hvid præsentation til Doppler-billeder i farver. Disse vigtige forbedringer skyldes i vid udstrækning indførelsen af digital ultralydsteknologi. Mens disse fremskridt har øget effektiviteten og alsidigheden af ultralydsbilleder, er det lige så vigtigt for disse systemer at tilbyde forbedret billedkvalitet via fremskridt inden for head-end ultralydssonden og den analoge front-end (AFE), der driver sonden og opfanger retursignalerne.

En af hindringerne for at opnå denne forbedrede billedkvalitet er støj, så designmålet er at øge systemets signal/støj-forhold (SNR). Dette kan delvis opnås ved at tage højde for støj fra de forskellige strømforsyningsskinner i systemet. Bemærk, at en sådan støj ikke er en enkelt, simpel enhed. I stedet har den forskellige karakteristika og egenskaber, som afgør, hvordan den i sidste ende påvirker systemets ydeevne.

I denne artikel vil vi se på det grundlæggende princip for ultralydsbilleder og derefter fokusere på forskellige faktorer, der påvirker billedkvaliteten, primært støj fra strømforsyningerne. Der vil blive brugt DC/DC-regulator enheder fra Analog Devices som eksempler på strømforsyningskomponenter, der i høj grad kan forbedre SNR og andre aspekter af ultralydssystemets ydeevne.

Grundlæggende principper for ultralydsafbildning

Konceptet er enkelt: Generér en skarp akustisk impuls og "lyt" derefter efter dens ekkorefleksion, når den møder forhindringer eller forskellige interfaces mellem organer og deres forskellige akustiske impedanser. Ved at gentage disse impuls-retur-sekvenser gentagne gange kan refleksionerne bruges til at skabe et billede af de reflekterende overflader.

For de fleste ultralydsformer sender arrayet af piezoelektriske transducere et begrænset antal bølge-cyklusser (typisk to til fire) som en puls. Frekvensen af disse bølger i hver cyklus er normalt i intervallet 2,5 til 14 megahertz (MHz). Arrayet styres via stråleformningsteknikker svarende til en phased-array RF-antenne, så den samlede ultralydspuls kan fokuseres og styres for at skabe en scanning. Transduceren skifter derefter til modtagelsestilstand for at registrere de reflekterede bølger, der kommer tilbage fra kroppen.

Bemærk, at tidsforholdet mellem sende/modtagetidspunktet typisk er ca. 1 % / 99 % med en puls-repetitionsfrekvens normalt på mellem 1 og 10 kilohertz (kHz). Ved at tidsbestemme pulsen fra udsendelse til modtagne ekkoer og kende den hastighed, hvormed ultralydsenergien forplanter sig gennem kropsvævet, er det muligt at beregne afstanden fra transduceren til det organ eller interface, der reflekterer bølgen. Amplituden af de tilbagevendende bølger bestemmer lysstyrken af de pixels, der er tildelt refleksionen i ultralydsbilledet efter en omfattende digital efterbehandling.

Forståelse af systemkrav

På trods af det underliggende princips konceptuelle enkelhed er et komplet, avanceret system til ultralydsafbildning en kompliceret enhed (figur 1). Systemets endelige ydeevne bestemmes i høj grad af transduceren og den analoge front-end (AFE), mens efterbehandling af det digitaliserede reflekterede signal giver algoritmer mulighed for at forbedre situationen.

Det er ikke overraskende, at systemstøj af forskellige typer er en af de begrænsende faktorer for billedkvalitet og ydeevne, hvilket igen svarer til overvejelserne om bitfejlfrekvens (BER) i forhold til SNR i digitale kommunikationssystemer.

Figur 1: Et komplet system til ultralydsbilleddannelse er en kompleks kombination af en betydelig mængde analoge, digitale, strøm- og behandlingsfunktioner; AFE definerer grænserne for systemets ydeevne. (Billedkilde: Analog Devices)

Der er en sende/modtage-kontakt (T/R) mellem det piezoelektriske transducerfelt og den aktive elektronik. Denne switch har til opgave at forhindre, at højspændings-signalerne, der driver transduceren, når frem til og beskadiger AFE'en på modtagersiden med lav spænding. Efter at den modtagne refleksion er forstærket og konditioneret, sendes den til AFE's A/D-konverter (ADC), hvor den digitaliseres og undergår softwarebaseret billedbehandling og -forbedring.

Hver af de forskellige billeddannelses-tilstande i et ultralydssystem har forskellige krav til det dynamiske område - og dermed SNR- eller støjkrav:

• For sort/hvid-billedtilstand kræves et dynamisk område på 70 decibel (dB); støjgulvet er vigtigt, da det har indflydelse på den maksimale dybde, hvor det mindste ultralydsekko kan ses i det fjerne felt. Dette kaldes penetration og er en af de vigtigste funktioner i sort/hvid-tilstand.
• Til pulsbølge dopplertilstand (PWD) kræves der et dynamisk område på 130 dB.
• For CWD-tilstand (continuous wave doppler) er der behov for 160 dB. Bemærk, at 1/f-støjen er særlig vigtig for PWD- og CWD-tilstandene, da begge disse billeder omfatter det lavfrekvente spektrumelement under 1 kHz, og fasestøjen påvirker Doppler-frekvensspektret højere end 1 kHz.

Disse krav er ikke lette at opfylde. Da ultralydst-ransducerens frekvens typisk er fra 1 MHz til 15 MHz, vil den blive påvirket af enhver støj fra switching-frekvenser inden for dette område. Hvis der er intermodulations-frekvenser inden for PWD- og CWD-spektret (fra 100 Hz til 200 kHz), vil der forekomme tydelige støjspektrer i Doppler-billederne, hvilket er uacceptabelt i ultralydssystemet. For at opnå maksimal systemydelse og billedkvalitet (klarhed, dynamisk rækkevidde, manglende billedpletter og andre gode egenskaber) er det vigtigt at se på kilder, der forårsager tab af signalkvalitet og forringelse af SNR.

Den første er indlysende: På grund af dæmpning er signalerne fra væv og organer dybere inde i kroppen (f.eks. nyrer) langt svagere end fra væv og organer tæt på transduceren. Derfor "forstærkes" det reflekterede signal af AFE'en, så det fylder så meget som muligt i AFE'ens indgangsområde. Til dette formål anvendes en AGC-funktion (Automatic Gain Control). Denne AGC-funktion svarer til den funktion, der anvendes i trådløse systemer, hvor AGC'en vurderer den trådløse RF-signalstyrke (RSS) og dynamisk kompenserer for tilfældige, uforudsigelige ændringer over et område på ti decibel.

Situationen er dog anderledes i ultralydsanvendelsen end i en trådløs forbindelse. I stedet kender man tilnærmelsesvis vejdæmpningen, og det samme gælder hastigheden af den akustiske energis udbredelseshastighed på 1540 meter i sekundet (m/s) i blødt væv eller ca. fem gange hurtigere end udbredelsen i luft på ca. 330 m/s og dermed er dæmpningshastigheden også kendt.

Baseret på denne viden anvender AFE en forstærker med variabel forstærkning (VGA), der er indrettet som en forstærker med tidsforstærknings kompensation (TGC). Denne VGA's forstærkning er lineær i dB og er konfigureret således, at en lineær mod tid-rampestyringsspænding øger forstærkningen mod tid for i vid udstrækning at kompensere for dæmpningen. Dette maksimerer SNR og udnyttelsen af AFE's dynamiske område.

Støjtyper og hvordan man håndterer dem

Selv om den signalstøj, der opstår i kroppen og hos patienten, er uden for ultralydssystemets designers kontrol, skal den interne støj i systemet håndteres og kontrolleres. Derfor er det vigtigt at forstå støjtyperne, deres indvirkning, og hvad der kan gøres for at reducere dem. De primære områder, der giver anledning til bekymring, er støj fra switching-regulatorer, hvid støj fra signalkæden, clock og strømforsyningen samt layout relateret støj.

• Støj fra switching-sregulatoren: De fleste switching-regulatorer bruger en simpel modstand til at indstille koblingsfrekvensen. Den uundgåelige tolerance af den nominelle værdi af denne modstand medfører forskellige switching-frekvenser og harmoniske frekvenser, da frekvenserne fra forskellige uafhængige regulatorer blandes og krydsmodulerer hinanden. Tænk på, at selv en modstand med en tæt tolerance med en 1 % unøjagtighed resulterer i en 4 kHz harmonisk frekvens i en 400 kHz DC/DC-regulator, hvilket gør det sværere at kontrollere harmoniske frekvenser.

En bedre løsning er at vælge en switching-regulator IC med en funktion til synkroniseringsfunktion, der er implementeret via en SYNC-forbindelse på en af dens pakke-ben. Ved hjælp af denne funktion kan en eksternt clock distribuere et signal til de forskellige regulatorer, således at de alle skifter med samme frekvens og fase. Dette eliminerer blandingen af de nominelle frekvenser og de tilhørende harmoniske produkter.

LT8620 er f.eks. en høj-effektiv, højhastigheds synkron monolitisk step-down switching-regulator, der accepterer et bredt indgangsspændingsområde på op til 65 volt og kun bruger 2,5 mikroampere (μA) hvilestrøm (Figur 2). Dens "Burst Mode"-drift med lav ripple giver høj effektivitet ned til meget lave udgangsstrømme, samtidig med at udgangsripple holdes under 10 millivolt (mV) peak-til-peak. En SYNC-pin giver mulighed for brugerdefineret synkronisering til et eksternt clock fra 200 kHz til 2,2 MHz.

Figur 2: Den højeffektive LT8620 step-down switching-regulator har en SYNC-pin, så dens clocking kan synkroniseres med andre system-clockes, hvilket minimerer clock-intermodulationseffekter. (Billedkilde: Analog Devices)

En anden teknik er at bruge en switching-regulator, der anvender tilfældig spread-spectrum clocking til at sprede den genererede elektromagnetiske interferens (EMI) over et bredere bånd, hvilket sænker dens spidsværdi ved en bestemt frekvens. Selv om dette er en attraktiv løsning for nogle applikationer, der er mindre SNR-kritiske og mere optaget af at opfylde EMI-kravene, introducerer det usikkerhed i de resulterende harmoniske overtoner, der vil blive skabt over et bredere spektrum, hvilket gør dem sværere at kontrollere. F.eks. resulterer en spredning af switching-rekvensen på 20 % af hensyn til EMI i harmoniske frekvenser mellem nul og 80 kHz i en 400 kHz strømforsyning. Selv om denne tilgang til at reducere EMI-"spikes" kan bidrage til at opfylde relevante lovkrav, kan den være kontraproduktiv i forhold til de særlige SNR-behov i ultralydsdesigns.

Switching-regulatorer med konstant frekvens hjælper med at undgå dette problem. ADI's familie af Silent Switcher-spændingsregulatorer og μModul-regulatorer har konstant frekvensomskiftning. Samtidig tilbyder de EMI-ydelse med valgbare spredespektreteknikker for at give fremragende transient respons uden at indføre de usikkerheder, der er forbundet med spredespektrum.

Silent Switcher-regulatorfamilien er heller ikke kun begrænset til regulatorer med lavere effekt. LTM8053 er f.eks. en 40 V_IN (maksimum), 3,5 A kontinuerlig, 6 A spids, step-down regulator, der omfatter en switching-controller, strømkontakter, en induktor og alle støttekomponenter. Der er kun brug for indgangs- og udgangsfilterkondensatorer for at færdiggøre designet (figur 3). Den understøtter et udgangsspændingsområde fra 0,97 til 15 volt og et switching-kvensområde fra 200 kHz til 3 MHz, som hver især indstilles af en enkelt modstand.

Figur 3: LTM8053-elementet i Silent Switcher-familien kan levere 3,5 A kontinuerlig/6 A spidsstrøm; det accepterer en indgang på 3,4 til 40 volt og kan levere output i et bredt område på 0,97 til 15 volt. (Billedkilde: Analog Devices)

LTM8053's unikke indpakning hjælper med at opretholde lav EMI sammen med højere strømudgang. En flip-chip pakning med kobbersøjle i en Silent Switcher µModule-regulator hjælper med at reducere parasitær induktans og optimere spike- og dødtid, hvilket muliggør design med høj tæthed og stor strømkapacitet i en lille pakke (Figur 4). Hvis der er behov for mere strøm, kan flere LT8053-enheder tilsluttes parallelt.

Figur 4: LTM8053 (og andre Silent Switcher-enheder) integrerer en flip-chip med kobbersøjle, hvilket muliggør design med høj tæthed og stor strømkapacitet i en lille pakke, samtidig med at parasitær induktans minimeres. (Billedkilde: Analog Devices)

Silent Switcher-seriens teknologi og topologi er ikke begrænset til enkeltudgangsregulatorer. LTM8060 er en quad-kanal, 40 V_IN Silent Switcher μModule-regulator med et konfigurerbart 3 A-udgangsfelt (Figur 5). Den fungerer op til 3 MHz og er pakket i en kompakt (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm), overstøbt ball grid array (BGA).

Figur 5: LTM8060 er et firekanals μModul-konfigurerbart array med 3 A/kanaludgang i en kompakt pakke, der kun måler 11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm. (Billedkilde: Analog Devices)

Et af de interessante aspekter ved denne quad-channel enhed er, at dens udgange kan paralleliseres i forskellige konfigurationer for at matche forskellige belastningsstrømsbehov, op til maksimalt 12 A (figur 6).

Figur 6: De fire 3 A-udgange i LTM8060 kan arrangeres i forskellige parallelle konfigurationer for at matche applikationens DC-skinnekrav. (Billedkilde: Analog Devices)

Sammenfattende giver Silent Switcher-regulatorerne mange fordele med hensyn til støj, harmoniske overtoner og termisk ydeevne (Figur 7).

Figur 7: Her vises de vigtigste egenskaber ved Silent Switcher-familien af regulatorer i forhold til vigtige designperspektiver. (Billedkilde: Analog Devices)

• Hvid støj: Der er også mange kilder til hvid støj i et ultralydssystem, hvilket fører til baggrundsstøj og "pletter" i billedet. Denne støj kommer primært fra signalkæden, clock og strømforsyningen. Dette kan løses ved at tilføje en LDO-regulator (low-dropout) på strømforsyningsstiften til en følsom analog komponent.

ADI's næste generation af LDO-regulatorer, såsom LT3045, har et ultralavt støjniveau på omkring 1 mikrovolt (μV) rms (10 Hz til 100 kHz) og giver en strømudgang på op til 500 mA ved en typisk udfaldsspænding på 260 mV (Figur 8). Hvilestrøm er nominelt 2,3 mA og falder til langt under 1 μA i nedlukningstilstand. Der findes andre LDO'er med lavt støjniveau til at dække strømstyrker fra 200 mA til 3 A.

Figur 8: LT3045 LDO-regulatorerne er kendt for deres ultralav støj på omkring 1 μV rms over et strømområde fra 200 mA til 3 A. (Billedkilde: Analog Devices)

• Kortlayout: I de fleste printkortlayouts er der en konflikt mellem højstrømssignalsporene fra de switching-strømforsyninger og de tilstødende lavniveau-signalspor, da støj fra førstnævnte kan koble sig ind i sidstnævnte. Denne switching-støj genereres normalt af den "varme sløjfe", der skabes af indgangskondensatoren, MOSFET'en på den øverste side, MOSFET'en på den nederste side og parasitære induktanser som følge af ledningsføring, routing og bonding.

Standardløsningen er at tilføje et snubberkredsløb for at reducere den elektromagnetiske emission, men dette mindsker effektiviteten. Silent Switcher-arkitekturen forbedrer ydeevnen og opretholder en høj effektivitet selv ved en høj switching-frekvens ved at skabe en modsat varm sløjfe (kaldet "splitting") ved hjælp af tovejs-emissioner, hvilket reducerer EMI med ca. 20 dB (Figur 9).

Figur 9: Ved at etablere en modsatrettet "hot loop", der deler strømmen, reducerer Silent Switcher EMI betydeligt med ca. 20 dB. (Billedkilde: Analog Devices)

Effektivitet kontra støj

Det kan synes som om, at hvis der er en afvejning mellem støj fra strømforsyningen og potentiel effektivitet, bør behovet for ultralav støj i anvendelsen af ultralyd være fremherskende. Når alt kommer til alt, burde et par milliwatt mere dissipation ikke være en stor belastning på systemniveau. Hvorfor ikke øge den energi, som transduceren pulserer, for at øge pulssignalets styrke og dermed den reflekterede SNR?

Men dette kompromis har en anden komplikation: Selvopvarmning i den håndholdte digitale probe, som indeholder transduceren, driveren til det piezoelektriske element, AFE og andre elektroniske kredsløb. Noget af sondens elektriske energi spredes i det piezoelektriske element, linsen og det bagvedliggende materiale, hvilket medfører opvarmning af transduceren. Sammen med spild af akustisk energi i transducerhovedet vil dette resultere i opvarmning og temperaturstigning ved sonden.

Der er en grænse for den maksimalt tilladte temperatur på transducerens overflade. IEC-standard 60601-2-37 (rev. 2007) begrænser denne temperatur til 50 °C, når transduceren sender til luft, og 43 °C, når den sendes til et egnet fantom (en standardkropssimulator); sidstnævnte grænse indebærer, at huden (typisk 33 °C) højst kan opvarmes med 10 °C. Opvarmning af transducere er således en væsentlig designhensyn i komplekse transducere. Disse temperaturgrænser kan effektivt begrænse det akustiske output, der kan anvendes, uafhængigt af den tilgængelige DC-strøm.

Konklusion

Ultralydsafbildning er et meget anvendt, uvurderligt, ikke-invasivt og risikofrit medicinsk billeddannelsesværktøj. Selv om det grundlæggende princip er konceptuelt simpelt, kræver udformningen af et effektivt billeddannelsessystem en betydelig mængde komplekse kredsløb samt flere DC-regulatorer til at forsyne de forskellige underkredsløb. Disse regulatorer og den tilhørende effekt skal være effektive, men også være meget støjsvage på grund af de ekstreme SNR- og dynamikområdekrav til den reflekterede akustiske signalenergi. Som det fremgår, opfylder LDO'er og Silent Switcher IC'er fra Analog Devices disse krav uden at gå på kompromis med plads, EMI eller andre vigtige egenskaber.

Relateret indhold

1. Maxim/Analog Devices, Tutorial 4696, "Overview of Ultrasound Imaging Systems and the Electrical Components Required for Main Subfunctions" (Oversigt over system til ultralydsbilled og de elektriske komponenter, der kræves til de vigtigste underfunktioner)
2. Analog Devices, "Silent Switcher™ Technology by Analog Devices" (video)
3. Analog Devices, "Low Noise Silent Switcher μModul og LDO-regulatorer forbedrer ultralydsstøj og billedkvalitet"
4. Analog Devices, "Silent Switcher-enheder er lydløse og enkle"