俞毅剛

亞德諾半導體技術(上海)有限公司，上海市，200120

基于AD9106的超聲線性發(fā)射系統(tǒng)設計

【作者】俞毅剛

亞德諾半導體技術(上海)有限公司，上海市，200120

線性發(fā)射被認為是一種能有效提高多通道醫(yī)療超聲系統(tǒng)信噪比的發(fā)射技術,相比較于傳統(tǒng)的線性發(fā)射方案, 該文提出了一種

超聲系統(tǒng)；線性發(fā)射；AD9106；圖像模式

0 引言

隨著醫(yī)療超聲在醫(yī)學診斷領域的廣泛應用，醫(yī)生對超聲系統(tǒng)的各種圖像模式和相應的圖像質量有了越來越高的要求。提高圖像質量的最重要方法之一就是提高系統(tǒng)電路的信噪比。在接收通道的信噪比提高越來越難的情況下，提高發(fā)射通道的信噪比，從而改善激勵源的性能，成為提高系統(tǒng)性能的另一種思路。

目前超聲系統(tǒng)基本都采用脈沖波發(fā)射的方案，缺點是諧波含量高，超聲波束的旁瓣效應明顯，不容易實現(xiàn)變跡。利用線性發(fā)射方案可以有效改進以上這些缺點，并能大幅度地提高發(fā)射通道的信噪比達到12 dB以上[1]。

本文提出了一種基于AD9106的的超聲系統(tǒng)線性發(fā)射設計方案，通過這種方案容易地實現(xiàn)了各種超聲圖像的發(fā)射功能和技術，使得大幅度提高發(fā)射通道信噪比性能成為現(xiàn)實。

1 超聲系統(tǒng)線性發(fā)射基本原理

相對比于脈沖波發(fā)射方案采用方波發(fā)生器和金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）產生高壓發(fā)射脈沖的方式，線性發(fā)射方案采用數模轉換器（Digital to Analog Converter, DAC）加上高壓放大器來實現(xiàn)正弦波或任意波形的產生和發(fā)射，如圖1所示。數字處理和控制電路，通常是在線可編程邏輯陣列 (Field Programmable Gate Array, FPGA)，會根據系統(tǒng)當前的配置和參數，控制DAC產生相應的發(fā)射波形，再通過高壓放大器產生高壓波形來激勵超聲探頭的換能器，換能器將電壓信號轉換為超聲波進入人體，同時接收人體產生的回波轉換成電壓信號并傳輸至發(fā)射接收切換電路，發(fā)射接收切換電路的主要目的是防止發(fā)射高壓損壞低壓的接收模擬前端，接收到的模擬信號進入接收電路進行信號放大，調理，然后轉成數字信號進入后端數字處理部分進行相應處理。

圖1 基于線性發(fā)射方案的超聲系統(tǒng)框圖Fig.1 Ultrasound system diagram based on linear transmit

2 線性發(fā)射波形序列實現(xiàn)

基于上面介紹的線性發(fā)射的基本原理，下面的章節(jié)將介紹基于AD9106的線性發(fā)射設計，詳細描述如何實現(xiàn)超聲系統(tǒng)的各種圖像模式的發(fā)射波形序列的產生。

2.1 數模轉換器和波形發(fā)生器AD9106芯片

本文介紹的超聲線性發(fā)射電路中，選擇使用美國ADI公司的4通道、低功耗、12位、180 MSPS數模轉換器和波形發(fā)生器AD9106來設計和實現(xiàn)各種發(fā)射激勵波形。這是一款專門為醫(yī)療超聲發(fā)射設計的芯片，集成4 096×12位片上模式存儲器，用于復雜波形生成。具有12位輸出、最高180 MHz時鐘正弦波發(fā)生器直接數字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)，以及4通道DAC。存儲器數據可包含直接生成的存儲波形、施加于DDS輸出或DDS頻率調諧字的幅度調制模式。內置模式控制狀態(tài)機允許用戶對全部4個DAC的模式周期以及每個DAC通道信號輸出的周期內起始延遲以及各自的相移進行編程。因此可以把AD9106看作是一個4通道的超聲發(fā)射波束產生器加上DAC。

2.2 單焦點模式發(fā)射波形序列實現(xiàn)

B模式是所有超聲系統(tǒng)中最基本的一種圖像模式，這種模式使用探頭上全部或者部分換能器來實現(xiàn)超聲發(fā)射波束的孔徑，取決于探頭的種類、發(fā)射聚焦深度和超聲波束的偏轉角度。在B模式下，線性發(fā)射波形通常是1個或多個正弦波，并可以通過加窗的方法來減少波束旁瓣產生的偽影。通過Matlab生成加窗波形數據，并利用AD9106的存儲器來存儲，可以很容易地實現(xiàn)這種波形。針對探頭不同換能器波束孔徑的變跡技術也是加窗方法的一種典型應用，根據每個換能器所需要的發(fā)射幅度，利用AD9106提供的數字增益控制，可以非常方便地對每個DAC加上不同的增益來實現(xiàn)發(fā)射變跡。

超聲的發(fā)射波束合成包括了整個圖像場的聚焦和方向偏轉，聚焦需要線性延時，方向偏轉需要拋物線延時，這兩種延時都可以通過設置AD9106的數字延時來控制實現(xiàn)。

圖2是利用AD9106生成的具有不同延時的4個 DAC通道的輸出波形，這4個波形是通過對調頻信號進行高斯包絡調幅所產生的波形。將通過算法生成的波形數據文件存入AD9106的存儲器，然后通過相關寄存器配置不同的延時和增益，產生圖2中具有不同延時和幅度的調頻調幅波。由圖2中的波形例子，我們可以看到AD9106能通過存儲器數據和DDS來產生超聲系統(tǒng)線性發(fā)射所需要的任意類型波形，不僅適用于B模式，而且適用于所有的圖像發(fā)射模式。

在單焦點模式中，整個圖像區(qū)域只有一個聚焦點，發(fā)射波形序列的產生流程如圖3所示。當系統(tǒng)進入新的圖像模式后，會將該圖像模式的所有波形數據存入AD9106的存儲器，然后AD9106會調用存儲器中的當前掃描線的波形數據，根據相應的寄存器配置的波束合成延時和變跡增益，觸發(fā)所有的DAC生成當前這根掃描線的波形，發(fā)射出去。同時會調用下一根掃描線的波形數據和相關配置，準備下一根掃描線的發(fā)射。

圖2 AD9106產生的4通道調頻調幅波Fig.2 Chirp wave generated by AD9106

圖3 單焦點模式發(fā)射波形序列流程圖Fig.3 Single focus mode transmit f owchart

2.3 多焦點模式發(fā)射波形序列實現(xiàn)

在多焦點發(fā)射模式下，2個或者更多個發(fā)射焦點用來構建實時超聲圖像以提高橫向分辨率。整個超聲波束包含多個不同深度聚焦區(qū)域的波束，最后形成超聲圖像的每根掃描線由這幾個不同深度聚焦區(qū)域的波束合成，如圖4所示。這樣在每個區(qū)域都有一個焦點來提供最佳的橫向分辨率，而唯一缺點是降低幀率。在接收時，系統(tǒng)只需要提取每個聚焦區(qū)域中相應的回波數據，來形成這一根掃描線。

如果這種多焦點成像的所有波束采用完全相同的頻率、周期數和形狀的波形，那么只需要在AD9106的存儲器中存儲一個波形，而不同通道的波形幅度和延時可以通過設置每個DAC的增益和延時來實現(xiàn)。如果這種多焦點成像的所有波束采用不同的波形，那么這些用到的波形都需要被存儲到AD9106存儲器的不同地址，然后在發(fā)射的時候通過設置不同的起始和終止地址寄存器來提取不同的數據以生成最終的每個聚焦區(qū)域的發(fā)射波形。

多焦點發(fā)射模式的發(fā)射波形序列的產生流程如圖5所示，與單焦點發(fā)射模式不同的是，在發(fā)射當前掃描線后，會判斷是否有聚焦區(qū)域的變化，然后AD9106 根據當前聚焦區(qū)域來調用不同的波形數據和配置再次發(fā)射掃描線。

圖4 三個發(fā)射波束的多焦點發(fā)射示意圖Fig.4 Multi-focus transmit illustration with 3 transmit beam

圖5 多焦點模式發(fā)射波形序列流程圖Fig.5 Multi-zone mode transmit f owchart with different delay prof les

上述多焦點發(fā)射模式的缺點是會降低幀頻，可以利用同時發(fā)射多區(qū)域聚焦(Simultaneous Transmit Multi-zone Focusing STMF)技術來實現(xiàn)同時多區(qū)域聚焦，在提高橫向分辨率的同時保持幀率。利用AD9106不同的DAC通道發(fā)射的2個不同延時序列的正交調頻調幅波來實現(xiàn)STMF的波形例子如圖6所示。更多延時序列的STMF也可以在AD9106的存儲器中存儲更多的延時檔案和正交波形數據來實現(xiàn)，如正交調頻調幅波，格雷碼，貝克碼等等。

圖6 兩個不同延時的正交調頻調幅波序列STMFFig.6 Two simultaneous orthogonal chirp wave

通過使用調頻調幅波可以顯著地提高發(fā)射的信噪比，圖7是Thanassis Misaridis和Jensen JA通過發(fā)射線性調頻調幅波使發(fā)射SNR比脈沖波發(fā)射提高了10～12 dB[1]。

圖7 線性調頻調幅波發(fā)射波形和發(fā)射信噪比的提升[1]Fig.7 Linear frequency modulation chirp wave and SNR improvement[1]

3 結論

本文提出了一種超聲系統(tǒng)線性發(fā)射設計方案，同時提出了單焦點和多區(qū)域聚焦發(fā)射的方法，并利用AD9106實現(xiàn)了方案中提出的各種發(fā)射波形。相比于傳統(tǒng)的通過FDGA來實現(xiàn)發(fā)射波束和延時的方法，本文設計的發(fā)射系統(tǒng)能有效簡化了超聲系統(tǒng)的發(fā)射算法和電路設計，容易實現(xiàn)各種超聲圖像發(fā)射模式和技術。

[1] Misaridis T, Jensen JA. Use of modulated excitation signals in medical ultrasound. Part I: basic concepts and expected benef ts [J]. IEEE Trans Ultrason, Ferroelectr, Freq Contr, 2005, 52(2):177-191.

[2] Analog Devices Inc. Quad low power 12-bit 180 MSPS digital-to-analog converter and waveform generator, AD9106 datasheet [R/OL]. http://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/AD9106.pdf.

[3] Analog Devices Inc. Getting started with the AD9106 evaluation board and software [R/OL]. ftp://ftp.analog.com/pub/HSSP_SW/ HSCDAC/Documents/AD9106/AD9106%20Evaluation%20 Board%20Quick%20Start%20Guide.pdf.

A Linear Transmit Design of Ultrasound System Based on AD9106

【 Writer 】YU Yigang
Analog Devices (Shanghai) Co. Ltd., Shanghai, 200120

The linear transmit solution is considered as one of the technologies which can improve the signal to noise ratio (SNR) of the transmit channel of the medical ultrasound system effectively. A linear transmit design based on AD9106 is introduced. The design can reduce the system design complexity and achieve the desired functionality of the different imaging modes and techniques.

ultrasound system, linear transmit, AD9106, image mode

TN830

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.008

1671-7104(2016)05-0344-03

2016-04-06

俞毅剛，E-mail: yuyigang@foxmail.com

新的基于AD9106的線性發(fā)射設計方法，有效地降低了系統(tǒng)設計的難度，方便地生成各種超聲圖像模式的發(fā)射波形。