超聲技術
超聲設備向身體發射聚焦聲束超聲波，并通過聲波反射的強度及延遲差異重現對象圖像，從而形成生物組織的聲波照片。聲波技術通常配合探頭模塊末端的壓電式換能器陣列使用，按壓在身體上。壓電式換能器元件在高壓(5VPP–300VPP)脈沖電流激勵下產生振動，進而生成發射聲波。陣列中各個元件的相位彼此對齊，在身體預先指定的位置和距離形成聚焦聲束超聲波。入射波通過對象時，各組織層之間的聲阻抗差就會產生反射發回到換能器(見圖1)。
圖1 聲波反射
發射聲波后，換能器元件立即變成檢測器，接受回波信號。在待分析區沿著成百上千條掃描線聚焦發射波束，就能形成代表性身體圖，然后在后端電子系統中重組這些掃描線，就形成了2D圖像(見圖2)。3D超聲系統沿著副軸機械移動換能器陣列，增加三維掃描線。
圖2 通過掃描線形成圖像
發射電子器件或發射波束形成器的工作相對簡單，只需在圖像范圍發射聲波并正確對齊相位即可。但接收電子器件的任務則比較復雜，涉及專有技術，要把接收到的聲反射轉化為圖像。接收電子元件或接收波束形成器必須對各個接收通道適當進行相位對齊以設置正確的聚焦深度，濾波輸入的數據，對波形進行解調，再將所有通道累加在一起形成掃描線。每條掃描線重復上述操作，然后對所有掃描線進行聚集、內插并濾波，以形成最終圖像。
便攜式超聲系統組件
市場上主要有四種不同外形的便攜式超聲產品(圖3)：手持式超聲設備、平板式超聲設備、膝上型超聲設備、“飯盒式”超聲設備。
圖3 便攜式超聲設備的外形
本文將重點介紹膝上型超聲設備。從高級層面而言，超聲系統由三個獨特的處理模塊組成：模擬前端(AFE)、帶前端處理功能的波束形成器和后端(見圖4)。
圖4 超聲系統模塊方框圖
模擬前端(AFE)
模擬前端(AFE)是超聲應用中一款高度專業化的系統，既可通過每8至16個通道采用全集成單芯片的形式，也可通過每通道采用多芯片定制解決方案來實現。為了滿足換能器接收信號動態范圍較大的要求，我們可用可變增益放大器(VGA)或時間增益補償器(TGC)將信號映射到模數轉換器(ADC)較窄的動態范圍上。在全集成AFE(圖5)中，VGA/TGC由邏輯通過SPI接口控制。ADC數據串行連接，并通過LVDS或新興JEDEC JESD204x標準傳輸到數字處理器件。
圖5 模擬前端
在AFE發射側，DAC用來將輸出脈沖數據轉換為模擬數據。模擬信號驅動高壓脈沖器或放大器，進而產生換能器的發射波形。
波束形成器
超聲波束形成器包括兩個組成部分。發射波束形成器(又稱Tx波束形成器)負責啟動掃描線并生成發送給換能器元件的定時脈沖串，以設置對象所需的聚焦點。接收波束形成器(又稱Rx波束形成器)負責從模擬前端接收回波波形數據，并將數據通過濾波、開窗(切趾術)、求和及解調整理為代表性掃描線。這兩個波束形成器模塊保持時間同步，連續向彼此傳送時序、位置和控制數據。
Tx波束形成器負責定時數字脈沖串的導向(steering)和生成，該脈沖串外部轉換為換能器的高壓脈沖。根據給定掃描線聚焦超聲波束所需的即時位置可實時計算出延遲。Tx波束形成器模塊相當小，占用的邏輯資源不到Rx波束形成器的10%。其包括時序生成器和脈沖成形，通常并行連接到外部DAC。
Rx波束形成器對原始換能器Rx數據進行分析，以提取并聚集成超聲掃描線。這是一個DSP密集型模塊，會占用大量的邏輯資源。圖6對處理步驟和子模塊進行了匯總。
圖6 Rx波束形成器功能步驟
每個通道都要進行上述每個步驟，直到最后求和;而每個掃描線則需要進行其他步驟。這是一種典型的處理流程，實際超聲實施方案可采用上述步驟的任意組合，并配合其他專有處理模塊。
后端處理
后端處理引擎通常包括B模、M模、多普勒和彩色血流處理功能塊。上述功能塊同時工作，執行多種不同的任務。B模處理引擎負責接收解調和壓縮的掃描線，并用內插和灰度映射在掃描線基礎上形成二維灰度圖像。M模將一段時間內的數據點加以比較，從而識別出聲源的運動、速度和運動位置。多普勒處理來自多普勒專用模擬前端的數據，并生成精確的方向和速度信息。彩色血流處理模塊將色度映射到運動數據上，反映出速度和方向，再將其覆蓋到B模功能塊生成的灰度圖上。隨后后端進行清空，根據超聲醫師和所用顯示設備的要求調節圖像，并存儲、顯示和發送靜態輸出及視頻輸出。
我們可在超聲系統中使用多種不同增強技術來減少斑點，改進聚焦，并設置對比度和灰度深度。例如：角復合、小波分解、各向異性雙邊濾波、直方圖均衡化、幀平滑、邊緣檢測等。
功耗
降低功耗是一項主要的設計約束。就便攜式醫療超聲系統而言，降低功耗至關重要。醫療系統電源對安全性和質量也有著嚴格的標準要求。在滿足上述安全性和質量標準要求的同時，一旦對功率要求有所提升，電源設計必將面臨非常嚴峻的成本和復雜性挑戰。
散熱也是降低功耗的一大原因。必須做好散熱工作，確保系統組件的溫度在適當的工作范圍內。因此我們必須認真設計散熱片、風扇、封裝和PCB。而FPGA有助于解決上述一些功耗約束難題。