Introducción a la electrónica analógica ultrasónica | Dispositivos analógicos

Introducción

La tecnología moderna está impulsando los sistemas de ultrasonido médico a nuevas alturas de rendimiento, lo que da como resultado imágenes con nuevos niveles de claridad y resolución. El ultrasonido se utiliza para imágenes cardíacas, obstetricia y en muchas otras áreas de diagnóstico. Incluso si la capacidad de las máquinas aumenta, el costo de las máquinas disminuye. Aunque el ultrasonido se basa en gran medida en el procesamiento digital, la clave de su rendimiento es la tecnología analógica. Aquí examinaremos la contribución de los componentes analógicos y mixtos utilizados en las imágenes de ultrasonido. Por supuesto, dado que cada elemento requeriría un capítulo o un libro por sí solo para brindar información completa y útil para el diseñador del sistema, este artículo pretende brindar una descripción general y una comprensión básica de la arquitectura de ultrasonido médico. Aunque este artículo apenas toca la superficie de los objetivos y reglas de diseño; algunas de las preguntas planteadas serán relevantes en el contexto más amplio de las aplicaciones y es probable que se analicen con más detalle en futuros artículos.

Obtener una imagen

Las imágenes se obtienen escaneando un estrecho haz de energía acústica a través de un cuerpo vivo y analizando el patrón de energía reflejado por las estructuras internas del cuerpo, de forma similar al radar de búsqueda. Dado que los transductores del receptor procesan señales analógicas, pero el análisis se realiza digitalmente, las señales deben digitalizarse. Se aplican pulsos eléctricos a elementos cerámicos piezoeléctricos para generar energía a frecuencias de transmisión de 2 a 20 MHz. La frecuencia utilizada depende de la aplicación. Las frecuencias más altas brindan la mejor resolución pero tienen menos penetración porque se disipan más rápido a medida que las señales viajan a través del cuerpo. Hay límites a la potencia del pulso de alta frecuencia, ya que cantidades excesivas de potencia no son saludables para el paciente. Las frecuencias más utilizadas oscilan entre 2 y 7 MHz.

Los niveles de retorno van desde ecos de 1 V cerca de la superficie del cuerpo hasta menos de 10 µV para imágenes en las profundidades del cuerpo. Las señales se envían hacia y desde los elementos cerámicos de la pieza de mano a la electrónica frontal a través de un cable, que estará sujeto a ruido y atenuación. Se debe aumentar una amplia gama de señales a 2 V para impulsar un convertidor analógico a digital. Para lograr esto, un compensación para ahorrar tiempo (TGC) se utiliza el amplificador. Compensará la caída exponencial de la señal al amplificarla por un factor exponencial que depende de cuánto tiempo esperó la máquina el pulso de retroalimentación.

Los niveles de potencia, las frecuencias utilizadas, la amplificación del haz y el enfoque determinan la claridad de la imagen. Estos objetos son controlados por el ecografista (técnico), interactuando con las propiedades inherentes del sistema.

Métodos de imagen utilizados

1. escala de grises - Produce una imagen básica en blanco y negro. Resolverá artefactos tan pequeños como 1 mm. La visualización se logra transmitiendo ráfagas de energía y analizando la energía de retorno (como se mencionó anteriormente).

2. Doppler -- La mejor analogía para la ecografía Doppler médica es el radar meteorológico Doppler a color. Como sugiere el nombre, los métodos Doppler encuentran la velocidad de un objeto en movimiento al rastrear el desplazamiento de frecuencia de la señal de retorno. Estos principios se aplican en el examen de sangre u otros fluidos que circulan en el cuerpo. Se logra transmitiendo una onda continua al cuerpo y produciendo una transformada rápida de Fourier (FFT) del retorno. El proceso de cálculo determinará los componentes de frecuencia de las señales provenientes del cuerpo y su relación con la velocidad del fluido. Un contenedor contendrá la frecuencia de transmisión original y los otros contenedores contendrán frecuencias de desplazamiento Doppler. A menudo se utiliza un sobremuestreo de 4x.

3. Métodos venosos y arteriales. -- Usan Doppler junto con un método de escala de grises. Primero se obtendrá una imagen de una vena o arteria. El operador creará una pequeña ventana de cursor a su alrededor. Luego, el Doppler se adjunta al cursor. El cambio de frecuencia Doppler de la señal transmitida se medirá como se describe anteriormente. El sonido también se utilizará con la imagen del cursor. El flujo venoso produce un sonido acelerado (como una cascada), mientras que un sonido pulsante sordo indicará el flujo arterial. Al mismo tiempo, la velocidad de la sangre se mostrará en una pantalla digital. El ritmo sinusal se mostrará como un diagrama XY en la pantalla. Las visualizaciones de velocidad y ritmo se obtienen procesando la señal de audio de los desplazamientos Doppler.

Todo el sistema

El diagrama de bloques (Figura 1) muestra los elementos del sistema: transductor, multiplexor, transmisor y su formador de haz, interruptores de transmisión/recepción (T/R), amplificador de bajo ruido, pantalla de procesamiento de señal e imagen, audio, convertidor A/D y su driver, el amplificador TGC. En el último estado de la técnica, las máquinas pueden utilizar hasta 256 canales (que contienen 256 elementos cerámicos, amplificadores, ADC, etc.)

Sondas y sus señales transmitidas

Las sondas tendrán un elemento cerámico por cada canal (hasta 256). Los elementos están hechos de un material cerámico piezoeléctrico como el titanato de plomo y circonio.

En algunos diseños, los pulsos suenan en ráfagas de unos pocos ciclos cada vez que reciben un pulso de transmisión corto de aproximadamente 100 ns ("ping y timbre"). La amplitud de los pulsos de excitación será del orden de 100 V. La amplitud del pulso determinará la cantidad de energía transmitida al paciente.

Para minimizar la distorsión, algunos sistemas transmiten un pulso gaussiano. La Figura 2 contrasta el espectro de distorsión de un pulso de banda ancha después de que rebota alrededor del cuerpo. Su espectro se parece poco al pulso emitido. El pulso distorsionado mostrará una distorsión armónica no deseada y artefactos espurios. Por otro lado, la respuesta a un espectro de pulsos gaussianos transmitidos es casi la misma que cuando hay una salida, sin ninguna jaula.

El pulso de excitación puede ser la salida de un DAC, y un sintetizador digital puede dar a la señal la forma deseada. El pulso de baja amplitud se amplificará luego a la amplitud requerida (alrededor de 100 V).

El receptor debe tener un ancho de banda amplio para adaptarse a la amplia gama de frecuencias complejas que deben procesarse en el cálculo de FFT del DSP. Las velocidades de borde rápidas aumentan la demanda de ancho de banda.

Dirección y enfoque del haz

En los días del radar, un plato o antena con forma de banana giraba, buscando objetivos en todas las direcciones. Mientras barría lentamente, un magnetrón envió pulsos de energía al cielo. Viajando a la velocidad de la luz, la energía reflejada regresaría al receptor antes de que la antena se desincronice. Hoy en día, la rotación se realiza a través de arreglos en fase. El haz se manipula cambiando la fase y la potencia de la señal entre los radiadores de la antena, y el haz se barre por el cielo sin partes móviles.

Este es el mismo método que utiliza el ultrasonido médico para barrer un haz de energía acústica por todo el cuerpo. Habrá cambios de fase y amplitud registrados entre los pulsos de energía entregados a los elementos piezoeléctricos dispuestos en la cabeza del transductor. Esto dará como resultado un haz incidente de energía dirigido a lo largo de una línea en el cuerpo. El haz se escaneará de un lado a otro a través del cuerpo como un radar en el cielo.

Conmutador mux y T/R

Las señales a transmitir deben pasar del amplificador de potencia a la cerámica y la señal recibida de la cerámica al receptor. Dado que el nivel de 100 microvoltios para transmitir y recibir señales V debe pasar por el mismo cable, se necesita un interruptor T/R (transmitir/recibir) y un multiplexor (mux) para dirigir las señales.

Receptor de formación de haces

El haz se enfoca retrasando cada uno de los canales para que los pulsos estén encendidos. de regreso de punto focal (Dónde Región) acceder al procesador al mismo tiempo (ver Figura 3). La máquina establecerá la zona focal definida por el operador. La formación de haces se realiza actualmente con técnicas analógicas y/o digitales. La máquina ajustará el retraso requerido para el enfoque al calcular la posición de la línea de exploración. Calculará los píxeles correspondientes de la pantalla utilizando el retraso requerido por cada canal para enfocar la imagen. Las máquinas más nuevas tienen múltiples áreas de enfoque.

Control de ahorro de tiempo (TGC)

El amplificador TGC (compensación de ganancia de tiempo) es un enlace crítico en la ruta de la señal ultrasónica. Debe poder amplificar señales desde unos pocos microvoltios a 1 voltio hasta uno o dos voltios para el ADC. Esta ganancia aumentará exponencialmente a lo largo de cada línea de transmisión/recepción de exploración. Al final cerca del bisel, la ganancia será muy pequeña. Debe procesar la señal de retorno de 1 V inmediatamente después del pulso de excitación de cerámica de 100 V. Con el tiempo, después de que haya pasado el pulso de excitación, la ganancia aumentará a niveles muy altos. Esto debe hacerse mientras se mantiene un ruido muy bajo para evitar enmascarar la señal de bajo nivel desde el interior del cuerpo. El operador ajustará el control del amplificador TGC para mejorar la calidad de la imagen. El amplificador de ganancia variable AD604, ampliamente utilizado en esta aplicación, tiene dos canales que pueden aceptar un barrido de tiempo lineal y producir una ganancia en aumento exponencial con un rango de 48 dB (relación de potencia cercana a 100.000:1).

El convertidor A/D

Hay muchas fuentes de ruido que se combinan con la entrada de un ADC, incluido el tejido corporal, las etapas de ganancia y el ruido del cable. Como último eslabón de la cadena, es importante que el propio ADC tenga poco ruido. Su ruido no debe mezclarse con la señal persistente de otros componentes. El ruido de cuantificación se mejora mediante el uso de convertidores de mayor resolución. Muchos sistemas ultrasónicos utilizan convertidores de 10 bits con un ruido de cuantificación teórico de -61,7 dB. Las máquinas más nuevas utilizan convertidores de 12 bits, lo que reduce el ruido de cuantificación teórico a <73 dB.

Muchos diseñadores de ultrasonidos están preocupados por la distorsión armónica y los artefactos en frecuencias cercanas a la fundamental. A diferencia del radar Doppler de la policía estatal, que se ocupa de un gran cambio de frecuencia al medir la velocidad de Honda, los métodos Doppler de un sistema de ultrasonido para medir la velocidad de la sangre en una vena o arteria producen una desviación de solo unos pocos hercios. En el gráfico de FFT, las áreas cerca de la parte inferior del pico de frecuencia fundamental deben estar muy tranquilas y libres de señales espurias, a menudo causadas por el ADC o la fluctuación del reloj del sistema, para que esta compensación no quede oculta. La linealidad del convertidor también es importante para la calidad del ultrasonido Doppler.

La baja distorsión de intermodulación en un ADC ayudará a evitar que varios artefactos armónicos de la retroalimentación Doppler se mezclen para formar alias o se sumen para formar grandes derivados. Las señales que se manifiestan dentro del cuerpo se pueden considerar como señales de varios tonos. Si el ADC tiene malas características de distorsión armónica, los tonos se mezclarán con los armónicos del ADC, lo que puede oscurecer una señal de retroalimentación de baja amplitud.

Muchos fabricantes de ultrasonidos utilizan un sobremuestreo de 4× para mejorar la relación señal/ruido y reducir la complejidad de los filtros antisolapamiento. Sin embargo, se requerirá una máquina de mamografía de 12 MHz en lugar de una de 48 MHz para adaptarse al sistema. Las tasas de sobremuestreo son proporcionales a la capacidad de la cadena de procesamiento de señales para procesar el flujo de datos.

Monitor

Una vez escaneados los puntos, deben mostrarse. Ahora considere cómo la máquina pone las imágenes en la pantalla. Calculará una posición de destino en la pantalla en función de los retrasos de elemento a elemento en la matriz de cerámica de la pieza de mano. Estima la profundidad en función de la cantidad de tiempo que tardó la señal en regresar de cada elemento cerámico. Los valores de píxeles se leerán en la memoria y se modificará la traza CRT.

La máquina debe calcular la posición de cada punto y añadir un color. Tal vez encuentre diferentes películas promedio juntos. Luego comenzará a escanear el CRT en la parte superior de la pantalla en forma de abanico.

Imágenes armónicas

Para obtener una resolución mejorada a partir de una frecuencia más alta y para mejorar el dilema de la profundidad de penetración frente al nivel de energía, se utilizan imágenes armónicas. Las imágenes armónicas recopilan una mayor resolución mediante el procesamiento del pulso de transmisión del segundo armónico. El contraste lo genera el propio tejido o el uso de un agente de contraste inyectado en el tejido. Esta tecnología empujará a los amplificadores y ADC para minimizar el exceso de armónicos manteniendo una baja distorsión armónica.

Necesidades futuras de componentes

Los componentes de baja potencia tienen una demanda constante. En hospitales anteriores, portátil significaba que la máquina voluminosa tenía ruedas grandes y podía alimentarse desde el enchufe de 120 V/15 A en una habitación de hospital en lugar de los enchufes de 220 V/30 A en radiología. Hoy en día, hay más interés en instalar ultrasonido en vehículos de emergencia y hacerlo realmente portátil. Las tendencias en el diseño de componentes respaldan este impulso. Por ejemplo, los ADC de 10 bits de alta velocidad consumían anteriormente > 400 mW. Eso es mucha energía cuando tienes 256 convertidores cerca. Por el contrario, el AD9203 de 10 bits y 40 MSPS consume solo 75 mW.

El costo ha disminuido más de 2-3 veces desde los niveles de hace unos años. Esto hace que sea práctico utilizar TIC más rápidas y de mayor resolución, como el AD9226 de 12 bits y 65 MHz de bajo costo.

Más cosas por venir

Con el tiempo, tiene sentido esperar mejores imágenes por menos dinero. Los ADC con resoluciones y velocidades de datos aún más altas lo harán posible. Las imágenes reflejadas se pueden convertir en muchas más muestras a medida que llegan al procesador.

Se están desarrollando imágenes en 3D. Con estas máquinas, se puede obtener una mejor visión general de una imagen, lo que puede llevar a un diagnóstico más rápido y preciso y a menos cirugías innecesarias.

más información

La mayoría de los fabricantes de escáneres de ultrasonido mantienen sitios web. Muchos artículos técnicos y notas de aplicación están disponibles. La logística ha impedido la reproducción de imágenes de ultrasonido aquí, pero hay muchas disponibles en el ciberespacio. Asegúrese de ver las imágenes en 3-D, son impresionantes. Por lo tanto, las perspectivas para el uso más generalizado de ultrasonido como una tecnología de imagen no invasiva de rápida maduración.

El autor está en deuda con Eberhard Brunner por diseñar los diseños utilizados aquí.