Cómo las consideraciones del sistema de ultrasonido influyen en la selección de componentes frontales

Introducción

Hay importantes compensaciones a considerar al diseñar circuitos frontales ultrasónicos. Los parámetros de rendimiento de los componentes del circuito inicial influyen en el rendimiento del diagnóstico y, a la inversa, la configuración y los objetivos del sistema influyen en la selección de componentes.

Es fundamental que los diseñadores entiendan qué especificaciones son particularmente importantes, su efecto en el rendimiento del sistema y cómo se ven afectados por las compensaciones de diseño de circuitos integrados (IC), en términos de integración de tecnología y procesos de diseño y semiconductores, que limitarán a los usuarios. opciones de diseño Conocer estas consideraciones ayudará al diseñador a lograr la partición del sistema más ventajosa. Comenzamos con una descripción general del sistema de alto nivel, seguida de una descripción más detallada de cómo funcionan los sistemas de ultrasonido.

Resumen del sistema

Los escáneres de ultrasonido médicos se encuentran entre los dispositivos de procesamiento de señales más sofisticados y de uso generalizado en la actualidad. Al igual que con cualquier máquina compleja, existen muchas ventajas y desventajas en la implementación debido a los requisitos de rendimiento, física y costo. Se requiere cierta comprensión a nivel del sistema para comprender completamente las funciones del IC frontal y los niveles de rendimiento requeridos, particularmente en el caso de: el amplificador de bajo ruido (LNA); amplificador de compensación de ganancia de tiempo (TGC); y convertidores de analógico a digital (ADC).

En los front-end ultrasónicos, así como en muchos otros sistemas electrónicos sofisticados, estos componentes de procesamiento de señales analógicas son elementos clave para determinar el rendimiento general del sistema. Las características del componente inicial definen los límites de desempeño del sistema; una vez que se introducen el ruido y la distorsión, es casi imposible eliminarlos. Por supuesto, este es un problema general en cualquier cadena de procesamiento de señales recibidas, ya sea ultrasónica o inalámbrica.

Es interesante considerar que el ultrasonido es esencialmente un sistema de radar o sonar, pero opera a velocidades que difieren de estas en órdenes de magnitud. Un sistema ultrasónico convencional es casi idéntico en concepto a los sistemas de radar de matriz en fase a bordo de aviones comerciales y militares, y en barcos militares. El radar opera en el rango de GHz, el sonar en el rango de kHz y el ultrasonido en el rango de MHz. Los diseñadores de ultrasonidos adoptaron y desarrollaron el principio de dirigir los haces utilizando conjuntos en fase, creados por diseñadores de sistemas de radar. Hoy en día, estos sistemas involucran algunos de los equipos de procesamiento de señales más sofisticados disponibles.

La Figura 1 muestra un diagrama simplificado de un sistema de ultrasonido. En todos estos sistemas hay un transductor multielemento al final de un cable relativamente largo (unos 2 m). Con un contenido de 48 a 256 cables microcoaxiales, el cable es una de las partes más costosas del sistema. En la mayoría de los sistemas, varios cabezales de sonda de transductor diferentes (también conocidos como mangos; el mango es la unidad que contiene los elementos del transductor y está conectado al sistema a través de un cable) están disponibles para conectarse al sistema, lo que permite al operador seleccionar el apropiado. transductor para obtener la mejor imagen. Los brazos son seleccionados por relés de alto voltaje (HV), que agregan una gran capacitancia parásita a la capacitancia del cable.

En algunos racks se utiliza un multiplexor/demultiplexor HV para reducir la complejidad del hardware de transmisión y recepción, pero a costa de la flexibilidad. Los sistemas más flexibles son los sistemas de haz digital de matriz en fase; tienden a ser también los más caros, debido a la necesidad de un control electrónico completo de cada canal. Sin embargo, los circuitos integrados de vanguardia de la actualidad, como el amplificador de ganancia variable (VGA) AD8332 y el convertidor de analógico a digital (ADC) de 12 bits AD9238, continúan reduciendo el costo por canal. , por lo que ahora se está introduciendo el control electrónico completo de todos los elementos, incluso en sistemas de mediano y bajo costo.

En el lado de transmisión (Tx), el formador de haz Tx establece el patrón de retardo y el tren de pulsos que define el punto focal de transmisión deseado. Las salidas del transformador láser luego son amplificadas por amplificadores de transmisión de alto voltaje que impulsan los transductores. Estos amplificadores se pueden controlar con convertidores de digital a analógico (DAC) para dar forma a los pulsos transmitidos para una mejor entrega de potencia a los elementos transductores. Por lo general, se utilizan múltiples regiones (zonas) de enfoque de transmisión, es decir, el área de la que se va a obtener la imagen se profundiza enfocando la energía de transmisión en puntos progresivamente más profundos del cuerpo. La razón principal de las zonas múltiples es que la energía transmitida debe ser mayor para los puntos más profundos del cuerpo, debido a la atenuación de la señal a medida que viaja a través del cuerpo (y de regreso).

En el lado receptor (Rx), hay un interruptor T/R, generalmente un puente de diodos, que bloquea los pulsos Tx de alto voltaje. A esto le sigue un amplificador de bajo ruido (LNA) y uno o más amplificadores de ganancia variable (VGA), que implementan funciones de compensación de ganancia de tiempo (TGC) y, a veces, también apodización ("ventana"). » Espacial para reducir los lóbulos laterales. haz). El control de ganancia de tiempo, que proporciona una mayor ganancia para las señales que se originan más profundamente en el cuerpo (y, por lo tanto, llegan más tarde), está bajo el control del operador y se utiliza para mantener la uniformidad de la imagen.

Después de la amplificación, se realiza la formación de haces, implementada en forma analógica (ABF) o digital (DBF). Es principalmente digital en los sistemas modernos, a excepción del procesamiento Doppler de onda continua (CW), cuyo rango dinámico aún es demasiado grande para procesar en el mismo canal que la imagen. Finalmente, los haces Rx se procesan para mostrar una imagen en escala de grises, superposición de Colorflow en la imagen 2D y/o salida Doppler.

Desafíos del sistema de ultrasonido

Para comprender completamente los desafíos del ultrasonido y su impacto en los componentes frontales, es importante recordar lo que esta modalidad de imagen está tratando de lograr. En primer lugar, se supone que proporciona una representación precisa de los órganos internos del cuerpo humano y, en segundo lugar, mediante el procesamiento de señales Doppler, determina los movimientos del cuerpo (p. ej., el flujo sanguíneo). A partir de esta información, un médico puede sacar conclusiones sobre el correcto funcionamiento de una válvula cardíaca o un vaso sanguíneo.

Métodos de adquisición

Hay tres modos principales de adquisición de ultrasonido: modo B (imágenes en escala de grises; 2D); Modo F (Colorflow o Doppler Imaging; flujo sanguíneo); y modo D (Doppler espectral). El modo B crea la imagen tradicional en escala de grises; El modo F es una superposición de color en la pantalla del modo B que muestra el flujo sanguíneo; El modo D es la pantalla Doppler que puede mostrar las velocidades del flujo sanguíneo y sus frecuencias. (También hay un modo M, que muestra una sola línea de tiempo en modo B).

Las frecuencias operativas de ultrasonido médico varían de 1 MHz a 40 MHz, con dispositivos de imagen externos que generalmente usan frecuencias de 1 MHz a 15 MHz, y dispositivos cardiovasculares intravasculares que usan frecuencias de hasta 40 MHz. En principio, las frecuencias más altas son más deseables, ya que proporcionan una resolución más alta, pero la atenuación del tejido limita el campo de frecuencia para una cierta distancia de penetración. Sin embargo, la frecuencia de ultrasonido no puede aumentarse arbitrariamente para obtener una resolución más fina, ya que la señal se atenúa en alrededor de 1 dB/cm/MHz; es decir, para una señal ultrasónica de 10 MHz y una profundidad de penetración de 5 cm, la señal de ida y vuelta se atenúa en 5 3 2 3 10 = 100 dB. Para manejar un rango dinámico instantáneo de aproximadamente 60 dB en cualquier ubicación, el rango dinámico requerido sería de 160 dB (rango dinámico de voltaje de 100 millones a 1). Los rangos dinámicos de esta magnitud no son exactamente posibles; por lo tanto, uno tiene que pagar los costos de un sistema altamente sofisticado y hacer una compensación por adelantado: la profundidad de penetración (limitada por las normas de seguridad debido a la máxima potencia de transmisión permitida) o la resolución de la transmisión de la imagen (usando su frecuencia de ultrasonido más baja).

El desafío más serio es el amplio rango dinámico de las señales recibidas. El circuito front-end debe tener la capacidad de manejar señales grandes y de muy bajo ruido, requisitos familiares para cualquier persona con experiencia en las demandas de las comunicaciones. La incompatibilidad y la pérdida de cable contribuyen directamente a la figura de ruido del sistema. Por ejemplo, si la pérdida del cable a una determinada frecuencia es de 2 dB, la NF se degrada en 2 dB. Esto significa que el primer amplificador después del cable deberá tener una figura de ruido 2 dB más baja que la requerida por un cable sin pérdidas. Una posible forma de evitar este problema es colocar un amplificador en el mango del transductor. Sin embargo, existen serias limitaciones de tamaño y potencia; además, la necesidad de protección contra impulsos de transmisión de alto voltaje hace que tal solución sea difícil de implementar.

Otro desafío es el gran desajuste de impedancia de audio entre los elementos del transductor y el cuerpo. La falta de coincidencia de la impedancia acústica requiere capas coincidentes (como los circuitos de RF de coincidencia de impedancia eléctrica) para transmitir energía de manera eficiente. Por lo general, consta de varias capas diferentes frente a los elementos transductores en el mango, seguidas de una lente, seguida de un gel de acoplamiento. El gel establece un buen contacto acústico con el cuerpo, porque el aire es un muy buen reflector.

Otro problema importante con los circuitos receptores es la rápida recuperación de la sobrecarga. Aunque el interruptor T/R está diseñado para proteger al receptor de pulsos grandes, una pequeña fracción de esos pulsos que se filtran a través de los interruptores puede ser suficiente para sobrecargar el circuito frontal. La mala recuperación de la sobrecarga cegará al receptor hasta que se recupere y afectará directamente qué tan cerca de la superficie de la piel se puede generar una imagen.

Cómo generar una imagen de ultrasonido - Modo B

La Figura 2 muestra cómo se generan las diversas imágenes digitalizadas. En los cuatro escaneos, las imágenes con las líneas de escaneo y los rectángulos son representaciones reales de la imagen tal como se ve en el monitor. El movimiento mecánico de un solo transductor (en las direcciones indicadas por las flechas) se muestra aquí para facilitar la comprensión de la generación de imágenes; pero se pueden generar los mismos tipos de imágenes con una matriz lineal sin movimiento mecánico. En el ejemplo de exploración lineal, el elemento transductor se mueve en dirección horizontal; para cada línea de escaneo (las líneas que se muestran en las imágenes), se envía un pulso Tx y las señales reflejadas a diferentes profundidades se graban y convierten en un escaneo para mostrarlo en una pantalla de video. La forma en que se mueve el transductor individual durante la adquisición de imágenes determina la forma de la imagen. Esto se traduce directamente en la forma de un transductor de matriz lineal, es decir, para un barrido lineal, la rejilla sería recta y para un barrido de arco, la rejilla sería cóncava.

El paso requerido para pasar de un solo sistema de transductor mecánico a uno electrónico también se puede explicar fácilmente observando la exploración de línea en la Figura 2. Si el elemento del transductor único se divide en múltiples piezas pequeñas, entonces si el elemento t-one escape a la vez y registre el reflejo del cuerpo, también obtenemos la imagen rectangular como se muestra, pero ahora no necesitamos mover los elementos del transductor. De esto se puede ver que el cepillo de arco puede tener una cuadrícula lineal con una forma cóncava; y la exploración del sector sería una matriz lineal con una forma convexa.

Aunque el ejemplo anterior explica los conceptos básicos para generar imágenes de ultrasonido en modo B, en un sistema moderno se usa más de un elemento a la vez para generar un escaneo porque permite que el sistema se abra. Cambiar la apertura es similar a cambiar la posición del punto focal en la óptica; esto ayuda a crear imágenes más claras. La Figura 3 muestra cómo se hace esto para una matriz lineal y una matriz escalonada; la principal diferencia es que en una matriz escalonada todos los elementos se usan al mismo tiempo, mientras que en una matriz lineal solo se usa un subconjunto de los elementos de la matriz completa. El uso de menos elementos tiene la ventaja de ahorrar equipos electrónicos; pero esto aumenta el tiempo de formación de imágenes en un campo de visión dado. Una matriz graduada es diferente; debido a su forma circular, un transductor muy pequeño puede generar imágenes de un área grande en el campo lejano. Esta es la razón por la cual los transductores de matriz en fase son los transductores de elección en aplicaciones tales como imágenes cardíacas donde uno debe lidiar con los pequeños espacios entre las costillas a través de los cuales se deben obtener imágenes del corazón mucho más grande.

Las rejillas se excitan a lo largo de las líneas de exploración, determinadas por el perfil de retardo de una serie de pulsos destinados a llegar simultáneamente a un punto focal. Los pulsos (Figura 3) están representados por los "garabatos" en las líneas de tiempo verticales sobre la cuadrícula (color sombreado), el tiempo aumenta verticalmente desde la superficie de la cuadrícula. La matriz lineal en fase, en la Figura 3, proporcionará excitación con forma para un grupo de elementos (apertura) y luego escalará la apertura agregando un elemento frontal y soltando un elemento posterior. En cada paso, se crea una línea de exploración (haz) por la llegada simultánea de los pulsos. En la matriz en fase, todos los transductores están activos al mismo tiempo. En los ejemplos que se muestran, las líneas sombreadas son las líneas de exploración que reflejan los datos de reflexión que producen los patrones de pulso representativos.

Formación de haces analógico vs digital

En los sistemas de ultrasonido de formación de haces analógicos (ABF) y de formación de haces digitales (DBF), los pulsos recibidos desde un punto focal específico a lo largo de un haz se almacenan para cada canal y luego se alinean en el tiempo y se suman secuencialmente; esto proporciona una ganancia de procesamiento espacial debido al ruido no correlacionado. canal. . Las imágenes pueden formarse como una secuencia de niveles analógicos retardados por líneas de retardo analógicas, sumadas y convertidas a digital después de la suma (ABF), o a digital muestreando los niveles analógicos lo más cerca posible de los elementos transductores y almacenándolos en memoria (FIFO), luego sumarlos numéricamente (DBF).

Las Figuras 4 y 5 muestran diagramas básicos de los sistemas ABF y DBF respectivamente. Ambos tipos de sistemas requieren una combinación perfecta entre los canales. Tenga en cuenta que los amplificadores de ganancia variable (VGA) son necesarios en ambas aplicaciones, y seguirán necesitándose en el caso digital hasta que los ADC con un rango dinámico lo suficientemente amplio estén disponibles a un costo razonable y con una potencia lo suficientemente baja. Tenga en cuenta que un sistema de imágenes ABF requiere solo un ADC de muy alta resolución y alta velocidad, mientras que un sistema DBF requiere muchos ADC de alta velocidad y alta resolución. A veces se usa un amplificador logarítmico en los sistemas ABF para comprimir el rango dinámico antes del ADC.

Gama dinámica

En el circuito inicial, el ruido de fondo del LNA determina qué tan débil se puede recibir una señal. Pero al mismo tiempo, especialmente al procesar la señal CW Doppler, el LNA también debe poder manejar señales muy grandes. Por lo tanto, es esencial maximizar el rango dinámico del LNA (en general, no se puede organizar ningún filtrado antes del LNA debido a restricciones de ruido). Tenga en cuenta que estas mismas condiciones se aplican a cualquier receptor: en aplicaciones de comunicaciones, el circuito más cercano a la antena tampoco se beneficia de un filtrado significativo; como resultado, tiene que hacer frente al rango dinámico más amplio.

CW Doppler tiene el rango dinámico más grande de cualquier señal en un sistema de ultrasonido: durante CW, la mitad de la matriz de transductores transmite continuamente una onda sinusoidal, mientras que la otra mitad recibe. La señal Tx tiene una fuerte tendencia a filtrarse en el lado Rx; y también hay fuertes reflejos de partes del cuerpo fijo cerca de la superficie. Esto generalmente interfiere con el examen, por ejemplo, del flujo sanguíneo en una vena profunda del cuerpo con señales Doppler muy débiles que lo acompañan.

En la situación actual, no es posible procesar señales Doppler CW a través de la ruta de imagen principal (modo B) y Doppler PW (modo F) en un sistema de formación de haz digital (DBF); por esta razón, en la Figura 1 se muestra un formador de haces analógico (ABF) para procesamiento Doppler CW. ABF tiene un rango dinámico más amplio. Por supuesto, el "santo grial" del ultrasonido DBF es que todos los modos se procesan a través de la cadena DBF (a un costo realista), y se está investigando mucho sobre cómo lograrlo.

Energía

Dado que los sistemas de ultrasonido requieren muchos canales, una especificación muy importante es el consumo de energía de todos los componentes frontales, desde el interruptor T/R, pasando por LNA, VGA y ADC, hasta los circuitos de haz digital. Como se mencionó anteriormente, siempre habrá presión para aumentar el rango dinámico hacia adelante para encontrar la integración de todos los modos ultrasónicos en un láser, una tendencia que conducirá a un aumento en la potencia del sistema. Sin embargo, existe la correspondiente necesidad de hacer que los sistemas ultrasónicos sean cada vez más pequeños, con tendencia a reducir la potencia. La potencia de los circuitos digitales generalmente disminuye con la tensión de alimentación; pero esto no es necesariamente cierto para los circuitos analógicos y de señal mixta. Además, dado que el "margen dinámico" analógico tiende a reducir el rango dinámico, habrá un límite en cuanto a la caída de la tensión de alimentación mientras se logra el rango dinámico deseado.

Conclusión

Aquí hemos intentado mostrar las compensaciones requeridas en los primeros circuitos integrados para ultrasonido explicando primero el funcionamiento básico de dicho sistema y luego indicando qué parámetros de rendimiento específicos se requieren para garantizar el funcionamiento óptimo del sistema. Una versión más completa de este artículo.¹ disponible para proporcionar detalles adicionales.

¹Brunner, Eberhard, "Consideraciones de los sistemas ultrasónicos y su impacto en los componentes frontales", Analog Devices, Inc., 2002.