Selección de componentes de procesamiento de señales de alta velocidad para sistemas ultrasónicos

Los ultrasonidos médicos requieren el control y el procesamiento de diversas señales de alta velocidad. Entre estas señales se encuentran las ondas sonoras de alta frecuencia, las ondas continuas/pulsadas de alta frecuencia con amplio rango dinámico, el procesamiento digital de alta velocidad y las pantallas de vídeo. El reto al que se enfrentan muchos diseñadores de circuitos es combinar todas estas señales de alta frecuencia al tiempo que se enfrentan a severas restricciones de consumo de energía, área de PCB y coste.

La investigación, el desarrollo y la comercialización de los ultrasonidos han florecido en las últimas cuatro décadas. Hasta finales de la década de 1960 no se dispuso del primer ecógrafo comercial para aplicaciones de cardiología, neurología y obstetricia. El siguiente gran avance se produjo con la introducción de la imagen en escala de grises, seguida de la exploración en escala de grises en tiempo real. Otro gran avance fue la introducción del Doppler color, que se utiliza para determinar la velocidad y la dirección del flujo sanguíneo.

Un instrumento de ultrasonidos para obtener imágenes de las partes internas del cuerpo humano es un sistema sofisticado; incluye muchos elementos de procesamiento de alta velocidad y subsistemas. El concepto subyacente de la imagen por ultrasonidos es similar al del sonar. Una onda sonora se transmite a través de un transductor o conjunto de transductores, que también "escucha" la señal reflejada (Figura 1). Utilizando técnicas de procesamiento de señales para combinar las señales reflejadas, y llevando a cabo este proceso en una amplia zona de exploración, se puede construir una imagen para perfilar la zona. A diferencia del sonar, los ultrasonidos funcionan a altas frecuencias (1-10 MHz), penetran a profundidades de varios centímetros en el cuerpo humano y pueden utilizarse para crear imágenes en 1, 2 y 3 dimensiones.

Barreras tecnológicas del mercado y productos de alta velocidad

A diferencia de otras modalidades de diagnóstico por imagen, la ecografía ofrece salidas de vídeo y audio en tiempo real que no son posibles con otras técnicas de imagen. Para el ojo y el oído entrenados, las pantallas de vídeo y las señales de audio ofrecen una importante información de diagnóstico.

La frecuencia de imagen y la resolución espacial del sistema, así como los parámetros de la pantalla de vídeo en escala de grises o en color, establecen los límites de la velocidad a la que deben transmitirse, recibirse y procesarse las señales. Una regla general es que las ondas sonoras viajan a 1540 m/s a través de los tejidos blandos. Por ejemplo, una señal de ultrasonidos que debe recorrer un total de 20 cm (10 cm hacia el interior del cuerpo y 10 cm hacia atrás) tardará aproximadamente 130 µs. El tiempo total necesario para generar 128 líneas de barrido (un número típico para una pantalla de tipo "abanico") será de 130 µs x 128 = 16 ms, para una velocidad de actualización máxima de 60 fotogramas por segundo (fps). Además, si cada línea de exploración tiene varias zonas focales, los componentes utilizados para la transmisión y la recepción deben tener velocidades de exploración, tiempos de asentamiento y tasas de conversión rápidas.

Una regla general para la atenuación de las señales de ultrasonidos en los tejidos blandos es de 1 dB/cm/MHz. Por ejemplo, una señal de 5 MHz tendrá un factor de atenuación de 5 dB/cm. Si el objetivo está a una profundidad de 10 cm, la señal reflejada se atenuará en 100 dB. Esto sugiere que las frecuencias inferiores a 5 MHz se utilizan generalmente para obtener imágenes en la profundidad del cuerpo.

Otra característica importante de un sistema de ultrasonidos es que debe ser portátil y funcionar con una fuente de alimentación de una toma de corriente estándar de 120 V/220 V. Por tanto, el bajo consumo es un requisito esencial para todos los componentes de procesamiento de señales de alta velocidad. La baja potencia por canal se vuelve especialmente crítica a medida que aumenta el número de canales de transmisión y recepción.

Estos "obstáculos" ilustran la necesidad de componentes de alta velocidad, baja distorsión, amplio rango dinámico y bajo consumo en la cadena de señal.

Tendencias del mercado

Los sistemas de ultrasonidos con formación de haz analógico (ABF) tienen varios canales de entrada analógica (AFE) (véase la figura 2). El amplificador de ganancia variable es necesario para compensar la atenuación en el medio penetrado. El elemento de retardo se utiliza para maximizar la relación señal/ruido de la señal reflejada desde una fuente puntual predeterminada (zona focal). Los puntos correspondientes de las señales de retardo de cada canal se suman, se comprimen y se detectan en amplitud (rectificados). Proceso de los convertidores analógico-digitales (ADC) imagen (8-10 bits, 20 MHz), audio (banda base de 12 bits y superior en las frecuencias de muestreo de audio) y color Doppler información (hasta 12 bits a 10 MHz como máximo).

Los datos digitales se procesan mediante FPGAs, componentes digitales plug-and-play de función fija y procesadores de señales digitales (DSPs). La capacidad en tiempo real de los ultrasonidos requiere una optimización mediante procesamiento digital (que incluye filtros FIR, IIR y procesamiento FFT). Los datos digitalizados -en coordenadas polares- deben ser procesados y mapeados en coordenadas rectangulares, almacenados en buffer y enviados a los codificadores de vídeo y audio.

Los sistemas de formación digital de haces (DBF) sustituyen el elemento de temporización por canal por un convertidor analógico-digital por canal y el almacenamiento de elementos de señal sucesivos en un buffer (ver Figura 3). El convertidor se sincroniza normalmente a 40 MHz y requiere una resolución de 10 bits.

Componentes de CI de alta velocidad para ultrasonidos

Conmutación En los sistemas ABF, se utilizan multiplexores de alta velocidad para crear un conmutador de punto de cruce. El conmutador se utiliza para seleccionar un retardo predeterminado por canal, conectando cada canal de recepción a un elemento LC lumped pasivo o a un elemento de circuito activo. Los multiplexores deben tener un R_en y T rápido_en/T_{fuera de} características de conmutación. Los tiempos de preparación de los interruptores >100+ ns no son lo suficientemente rápidos para múltiples puntos de medición (puertas) durante una sola línea de exploración. Los conmutadores cuádruples de alta velocidad, como los ADG201HS, ADG411 y ADG441/2/4, ofrecen T_en/T_{fuera de} velocidades de conmutación.

* Para obtener datos sobre estos productos, llama al servicio ADI AnalogFax^™ línea, 1-800-466-6212, e introduce el código de Faxback correspondiente.

Control de ahorro de tiempo : Los amplificadores de ganancia variable en el tiempo, o control de ganancia en el tiempo (TGC), son componentes críticos del receptor para las arquitecturas ABF y DBF. Como la amplitud de la señal de ultrasonidos reflejada depende de la profundidad de penetración y es mucho mayor cerca del receptor, la ganancia debe aumentar a medida que aumenta el tiempo. La cifra de atenuación de la Regla de Oro de 1 dB/cm/MHz requiere que la ganancia del TGC sea una función lineal de la tensión de control o "lineal en dB". Además, el ancho de banda, el retardo de grupo y la distorsión deben ser independientes de la ganancia. Se han desarrollado tres modelos de primera generación con gran ancho de banda (hasta 90 MHz) y bajo ruido (<1,7 nV/√)Hz), existen amplificadores TGC de baja distorsión para esta función. Los tipos de segunda generación (AD604 y AD605), disponibles en cantidades de muestra, ofrecen un control de ganancia más amplio, una mayor integración y una reducción de la potencia y el coste.

* Para obtener datos sobre estos productos, llama a la línea AnalogFax™ de ADI, 1-800-466-6212, e introduce el código de Faxback correspondiente.

El DAC de control del TGC proporciona la tensión que controla la ganancia del TGC con una resolución de 8 bits. Su velocidad de giro de salida y su tiempo de estabilización deben ser lo suficientemente rápidos como para realizar un control de tensión "dB lineal". Los datos deben cargarse con la suficiente rapidez para actualizar cada DAC de control para cada nuevo punto de medición. Como se utilizan varios canales de recepción tanto en ABF como en DBF, es conveniente utilizar DAC multicanal como el AD8600, el AD7228 y el AD7528.

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Amplificadores: En todo el sistema, las señales analógicas deben ser tamponadas, escaladas, amplificadas y filtradas. Los búferes de alta velocidad se utilizan para accionar convertidores analógico-digitales o para conducir señales de alta velocidad a través de tramos de cable largos o cortos (por ejemplo, desde el sistema hasta el cabezal del transductor). También se utilizan para conducir señales de una placa de circuito impreso a otra a través de conectores o a lo largo de los grabados de una placa de circuito impreso.

La compresión y la detección de señales de alta frecuencia se utilizan para aumentar el alcance efectivo del convertidor y mejorar el rendimiento del sistema. El AD606 y el AD640 son dos amplificadores logarítmicos de banda ancha que proporcionan la compresión necesaria y tienen el ancho de banda de señal requerido para la ecografía analógica de formación de haces. El AD606 ofrece 80 dB de rango dinámico con frecuencias de hasta 50 MHz; el AD640 ofrece 50 dB de rango dinámico hasta 120 MHz, y se pueden conectar dos dispositivos en cascada para obtener 95 dB. En algunos modos de funcionamiento, la salida comprimida superará el rango y saturará el siguiente componente de la cadena de señal. Los amplificadores de pinza de banda ancha, como el AD8036/AD8037, son los amortiguadores ideales para esta aplicación; también pueden utilizarse para limitar la tensión de entrada analógica y controlar los ADC de alta velocidad, evitando que la entrada analógica sature la entrada de muestreo y retención del ADC.

Además de tener un gran ancho de banda y una gran economía de potencia, los amplificadores utilizados en la cadena de señales del receptor (varios por sistema) deben tener una baja distorsión. Los amplificadores como el AD8011, el AD8001, el AD8047 y el AD9631/AD9632 proporcionan la velocidad y el rendimiento necesarios en muchas aplicaciones de ultrasonidos.

Los amplificadores de vídeo de alta velocidad también se utilizan para pasar los cables a los monitores y dispositivos de captura de vídeo. Los amplificadores de vídeo como el AD817/AD818 y los AD826 y AD828 ofrecen un buen rendimiento de vídeo, como las especificaciones de fase y ganancia diferenciales.

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Convertidores A/D : El paso actual a la DBF aumenta el número de convertidores A/D utilizados por sistema. A medida que se dispone de convertidores A/D menos potentes, menos costosos y más eficientes, los diseñadores de ultrasonidos incorporan un único convertidor A/D para cada elemento del transductor. Esto permite realizar la formación de haces en el dominio digital, lo que proporciona una estabilidad inherente y una mayor precisión. El DBF elimina los engorrosos elementos de retardo LC y los sustituye por un ADC de alta velocidad. El número típico de canales por sistema oscila entre 64 y 256, determinado por el número de elementos transductores y la relación señal/ruido deseada.

El AD9050 (CAN de 10 bits, 40 MSPS) está diseñado para cumplir los requisitos de los sistemas de ultrasonidos DBF. Lo más importante es el bajo consumo de energía. Con hasta 256 ADCs por sistema, incluso pequeños incrementos en la potencia de los ADCs aumentan significativamente la potencia total del sistema. El AD9050 sólo consume 300 mW cuando funciona con una sola fuente de alimentación (+5 V); utiliza una arquitectura innovadora y se fabrica en un proceso BiCMOS avanzado.

El rendimiento del ADC es fundamental para la calidad de la imagen. El requisito clave del diseñador del sistema DBF es proporcionar la mejor calidad de imagen con la menor potencia y coste. El parámetro clave del ADC utilizado para cuantificar la calidad de la imagen es el número efectivo de bits (ENOB). Cuanto más se acerquen los ENOB del ADC a la resolución teórica, mejor será la reproducción de la imagen. El ancho de banda de la imagen viene determinado por la frecuencia del transductor, que suele estar entre 1 y 10 MHz. El gráfico del ENOB del ADC frente a la frecuencia debe ser plano en el ancho de banda correspondiente.

La frecuencia de muestreo del ADC se elige sabiamente para conseguir un rendimiento óptimo del sistema. Las altas frecuencias de reloj permiten resolver pequeños retrasos, lo que mejora el enfoque en el formador de haz digital. Las altas frecuencias de reloj también permiten un sobremuestreo de 4× de la frecuencia del transductor para permitir una detección eficaz en aplicaciones de flujo de color. La mayoría de los sistemas DBF funcionan con velocidades de reloj en el rango de 30-40 MSPS. El AD9050 muestrea hasta 40 MSPS, y su entrada de reloj y sus salidas digitales pueden configurarse para funcionar a 5-V o 3-V. El uso de ASICs de 3 V para procesar la salida digital del ADC es cada vez más común, ya que los diseñadores buscan minimizar la potencia del sistema.

Otro parámetro clave del CAD para los sistemas ultrasónicos es el tiempo de recuperación tras una sobrecarga de la entrada. En los modos Doppler, la ganancia se ajusta al máximo porque el fenómeno que se mide es muy pequeño (la velocidad de la sangre). En este caso, la señal reflejada por la pared de un vaso sobredimensionará la entrada del CAD; entonces, durante la recuperación, se realizan mediciones válidas del flujo sanguíneo. Con sólo 10 bits de resolución del CAD, hay que promediar varios registros de datos para obtener mediciones precisas del flujo sanguíneo. Si la recuperación de la sobrecarga no es consistente, la falta de correlación entre los registros dará lugar a errores en las mediciones de caudal.

La sección de entrada analógica del AD9050 está diseñada para evitar daños y corrupción de datos cuando la entrada se sobrecarga. El rango nominal de entrada es de +2,8V a +3,8V (1V p-p, centrado en 3,3V). Las salidas digitales se bloquean en su valor máximo o mínimo (es decir, todos los "0" o todos los "1"). Esto evita que cambien a un valor no válido cuando la entrada analógica está fuera de rango. La entrada está protegida hasta 0,7V más allá de los raíles de alimentación; es decir, con una alimentación nominal (+5V y tierra), la entrada analógica no se verá dañada por señales de +5,7V a -0,7V.

Cuando la señal de entrada analógica vuelve al rango nominal, los comparadores de fuera de rango devuelven la retención del canal al modo activo y el dispositivo se recupera en unos 10 ns.

A continuación se presenta un resumen rápido de los convertidores adecuados disponibles:

* Para obtener datos sobre estos productos, llama al servicio ADI AnalogFax^™ línea, 1-800-446-6212, e introduce el código de Faxback correspondiente.

Procesadores digitales de señales : El número de puntos de medición, la velocidad y el amplio rango dinámico de los datos que hay que procesar requieren el uso de procesadores digitales de señales de alta velocidad. Los DSPs realizan tareas como el filtrado FIR/IIR y el cálculo de las variables de temporización AFE. El DSP SHARC ADSP-21060 (punto flotante de 32 bits, 40-MIPS), con sus 4 Mbits de memoria en el chip, proporciona el rendimiento necesario en aplicaciones tan exigentes como los ultrasonidos y muchas otras aplicaciones de imagen médica. Si los errores de redondeo acumulados a lo largo de muchos cálculos no son un problema grave para un sistema determinado, los procesadores de punto fijo de 16 bits de bajo coste, como el ADSP-2171 y el ADSP-2181, con su memoria en el chip y su funcionamiento de alta velocidad, ofrecen una E/S versátil y un rendimiento de hasta 33 MIPS.

* Para obtener datos sobre estos productos, llama a la línea AnalogFax™ de ADI, 1-800-446-6212, e introduce el código de Faxback correspondiente.

Los datos procesados se envían a la pantalla de vídeo y al codificador de audio. Los DAC triples de 8 a 10 bits, es decir, los productos de la familia ADV, se utilizan para convertir las palabras digitales en analógicas para la visualización en color. La familia AD720/721/722 de codificadores analógicos RGB a NTSC/PAL, combinada con amplificadores de vídeo como los AD813, AD817/818 y AD826/828 (amplificadores estándar de la industria con bajo coste y buen rendimiento de vídeo), se utilizan para soportar diferentes estándares de vídeo para la visualización y la grabación.