Poprawa jakości systemów ultrasonograficznych dzięki zastosowaniu zasilaczy o bardzo niskim poziomie szumów

Technologia ultradźwiękowa, szeroko stosowane nieinwazyjne narzędzie w diagnostyce medycznej i innych zastosowaniach, przeszła od obrazów statycznych do dynamicznych oraz od prezentacji czarno-białej do kolorowych obrazów dopplerowskich. Te ważne ulepszenia są w dużej mierze wynikiem wprowadzenia cyfrowej technologii ultradźwiękowej. Postępy te zwiększyły skuteczność i wszechstronność ultrasonografii, jednak w tego typu systemach równie ważna jest lepsza jakość obrazu dzięki postępom w konstrukcji głowicy sondy ultradźwiękowej oraz analogowego układu front-end (AFE), który steruje sondą i odbiera sygnały zwrotne.

Jedną z przeszkód w uzyskaniu lepszej jakości obrazu są szumy, dlatego celem projektu jest zwiększenie stosunku sygnału do szumu (SNR) w systemie. Można to osiągnąć częściowo poprzez rozwiązanie problemu szumów spowodowanych różnymi szynami zasilającymi w systemie. Pamiętajmy, że takie szumy nie są oddzielnym, prostym zjawiskiem. Mają one raczej różne cechy i atrybuty, które określają ich ostateczny wpływ na parametry działania systemu.

W tym artykule przyjrzymy się podstawowej zasadzie ultrasonografii, a następnie skupimy się na różnych czynnikach wpływających na jakość obrazu, przede wszystkim na szumy pochodzące od zasilaczy. Jako przykłady komponentów zasilania wykorzystane zostaną regulatory prądu stałego firmy Analog Devices, które mogą znacznie poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR) i inne aspekty działania systemu ultradźwiękowego.

Podstawy ultrasonografii

Koncepcja jest prosta: należy wygenerować wyraźny impuls akustyczny, a następnie „słuchać” odbicia jego echa od napotkanych przeszkód lub różnych powierzchni rozdziału pomiędzy narządami o różnych impedancjach akustycznych. Dzięki wielokrotnemu powtarzaniu sekwencji impuls-powrót, odbicia można wykorzystać do utworzenia obrazu powierzchni odbijających.

W przypadku większości trybów pracy urządzeń ultradźwiękowych, układ przetworników piezoelektrycznych wysyła ograniczoną liczbę cykli fal (zwykle od dwóch do czterech) w postaci impulsu. Częstotliwość tych fal w każdym cyklu mieści się zwykle w zakresie od 2,5 do 14MHz. Układ jest sterowany za pomocą technik kształtowania wiązki, analogicznie do anteny radiowej w układzie fazowanym, dzięki czemu ogólny impuls ultradźwiękowy może być skupiany i kierowany w celu utworzenia skanu. Następnie przetwornik przełącza się w tryb odbioru, aby zmierzyć powrót odbitych fal z wnętrza ciała.

Należy pamiętać, że stosunek czasu nadawania do odbioru wynosi zwykle około 1%:99%, a częstotliwość powtarzania impulsów wynosi zwykle od 1 do 10kHz. Odmierzając czas impulsu od jego nadania do odebranego echa i znając prędkość, z jaką energia ultradźwięków rozchodzi się w tkankach ciała, można obliczyć odległość od przetwornika do narządu lub powierzchni odbijającej falę. Po intensywnej obróbce cyfrowej amplituda powracających fal określa jasność pikseli przypisanych do odbicia w obrazie ultrasonograficznym.

Zrozumienie wymagań systemowych

Pomimo koncepcyjnej prostoty zasady leżącej u podstaw, kompletny, wysokiej klasy system ultrasonograficzny jest skomplikowanym urządzeniem (ilustracja 1). Ostateczne parametry działania systemu są w dużej mierze zdeterminowane przez przetwornik i analogowy układ front-end (AFE), podczas gdy przetwarzanie końcowe zdigitalizowanego sygnału odbitego pozwala algorytmom na poprawę jakości.

Nic dziwnego, że różnego rodzaju szumy systemowe są jednym z czynników ograniczających jakość obrazu i parametry działania, podobnie jak współczynnik bitowej stopy błędów (BER) w porównaniu ze stosunkiem sygnału do szumu w cyfrowych systemach komunikacji.

Ilustracja 1: kompletny system ultrasonograficzny jest złożonym połączeniem znacznej liczby funkcji analogowych, cyfrowych, zasilania i przetwarzania. Analogowy układ front-end (AFE) determinuje granice parametrów działania systemu. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Pomiędzy układem przetworników piezoelektrycznych a aktywną elektroniką znajduje się przełącznik nadawczo-odbiorczy (T/R). Rolą tego przełącznika jest zapobieganie docieraniu wysokonapięciowych sygnałów nadawczych sterujących przetwornikiem do niskonapięciowego analogowego układu front-end (AFE) po stronie odbiorczej inie dopuszczanie do jego uszkodzenia. Po wzmocnieniu i kondycjonowaniu odebranego odbicia, sygnał jest przekazywany do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w analogowym układzie front-end (AFE), gdzie jest dygitalizowany i poddawany programowemu przetwarzaniu oraz wzmacnianiu obrazu.

Każdy z trybów obrazowania w systemie ultradźwiękowym ma inne wymagania dotyczące zakresu dynamiki - a tym samym stosunku sygnału do szumu (SNR) - czyli wymagania dotyczące szumów:

• w trybie obrazów czarno-białych wymagany jest zakres dynamiki wynoszący 70dB. Poziom szumów jest ważny, ponieważ wpływa na maksymalną głębokość, na której najsłabsze echo ultradźwiękowe może być widoczne w polu dalekim. Ta cecha, nazywana penetracją, jest jedną z kluczowych cech trybu czarno-białego.
• W przypadku trybu Dopplera pulsacyjnego (PWD) wymagany jest zakres dynamiki 130dB.
• W trybie Dopplera o fali ciągłej (CWD) wymagane jest 160dB. Zwróćmy uwagę, że szum różowy (1/f) jest szczególnie ważny dla trybów PWD i CWD, ponieważ oba te obrazy obejmują elementy widma niskich częstotliwości poniżej 1kHz, a szum fazowy wpływa na widmo częstotliwości dopplerowskich powyżej 1kHz.

Wymagania te nie są łatwe do spełnienia. Ponieważ częstotliwość przetwornika ultradźwiękowego wynosi zazwyczaj od 1MHz do 15MHz, będzie on narażony na wpływ wszelkich szumów częstotliwości przełączania w tym zakresie. Jeżeli w obrębie widma PWD i CWD (od 100Hz do 200kHz) występują częstotliwości intermodulacyjne, to w obrazach dopplerowskich pojawią się wyraźne widma szumów, co w systemie ultrasonograficznym jest niedopuszczalne. Aby uzyskać maksymalne parametry działania systemu i jakość obrazu (klarowność, zakres dynamiki, brak plamek na obrazie i inne współczynniki dobroci), należy zwrócić uwagę na źródła, które powodują utratę jakości sygnału i pogorszenie stosunku sygnału do szumu (SNR).

Pierwsze z nich jest oczywiste: ze względu na tłumienie, odbicia z tkanek i narządów położonych głębiej w ciele (np. nerek) są znacznie słabsze niż z położonych blisko przetwornika. Dlatego sygnał odbity jest „wzmacniany” przez analogowy układ front-end (AFE) tak, aby zajmował jak największą część zakresu wejściowego AFE. Do tego służy funkcja automatycznej kontroli wzmocnienia (AGC). Funkcja automatycznej kontroli wzmocnienia (AGC) jest podobna do funkcji stosowanej w systemach bezprzewodowych, AGC ocenia siłę sygnału (RSS) o częstotliwości radiowej (RF) odbieranego przez sieć bezprzewodową i dynamicznie kompensuje jego losowe, nieprzewidywalne zmiany w zakresie kilkudziesięciu decybeli.

W zastosowaniu ultradźwiękowym sytuacja jest jednak inna niż w przypadku łącza bezprzewodowego. Zamiast tego znana jest przybliżona wartość tłumienia drogi, podobnie jak prędkość propagacji energii akustycznej - 1540m/s w tkankach miękkich, czyli około pięciu razy szybciej niż propagacja w powietrzu, czyli około 330m/s - a więc współczynnik tłumienia jest również znany.

W oparciu o tę wiedzę analogowy układ front-end (AFE) wykorzystuje wzmacniacz o zmiennym wzmocnieniu (VGA), który pracuje w konfiguracji wzmacniacza z czasową kompensacją wzmocnienia (TGC). Wzmocnienie wzmacniacza VGA jest liniowe pod względem dB i jest tak skonfigurowane, że liniowe napięcie sterujące w funkcji czasu zwiększa wzmocnienie w funkcji czasu, aby w dużym stopniu skompensować tłumienie. Maksymalizuje to stosunek sygnału do szumu (SNR) i wykorzystanie zakresu dynamicznego analogowego układu front-end (AFE).

Rodzaje szumów i sposoby ich redukcji

Projektant systemu ultradźwiękowego nie jest w stanie kontrolować szumów sygnału pochodzącego z ciała i od pacjenta, jednak konieczne jest kontrolowanie i ograniczanie szumów wewnętrznych systemu. W tym celu ważne jest, aby zrozumieć rodzaje szumów, ich oddziaływanie oraz co można zrobić, aby je zmniejszyć. Główne obszary zainteresowania to szumy regulatora przełączającego, szum biały spowodowany łańcuchem sygnałowym, zegarem i zasilaniem oraz szumy związane z układem urządzenia.

• Szumy regulatora przełączającego: większość regulatorów przełączających wykorzystuje prosty rezystor do ustawiania częstotliwości przełączania. Nieunikniona tolerancja wartości nominalnej tego rezystora wprowadza różne częstotliwości przełączania i harmoniczne, ponieważ częstotliwości różnych niezależnych regulatorów mieszają się i wzajemnie modulują. Pamiętajmy, że nawet rezystor o ścisłej tolerancji z niedokładnością 1% skutkuje częstotliwością harmoniczną 4kHz w regulatorze prądu stałego o częstotliwości 400kHz, co utrudnia zapanowanie nad częstotliwościami harmonicznymi.

Lepszym rozwiązaniem jest wybór układu scalonego regulatora przełączającego z funkcją synchronizacji zaimplementowaną poprzez złącze SYNC na jednym z wtyków obudowy. Korzystając z tej funkcji, zewnętrzny zegar może rozdzielać sygnał do różnych regulatorów, aby wszystkie przełączały się z tą samą częstotliwością i fazą. Eliminuje to mieszanie się częstotliwości nominalnych i związanych z nimi produktów harmonicznych.

Na przykład wysokowydajny, szybki, synchroniczny, monolityczny obniżający regulator przełączający LT8620 przyjmuje szeroki zakres napięć wejściowych do 65V i pobiera prąd spoczynkowy zaledwie 2,5μA (ilustracja 2). Ponieważ pracuje on w „trybie seryjnym” o niskich tętnieniach, umożliwia uzyskanie wysokiej sprawności nawet przy bardzo niskich prądach wyjściowych, utrzymując międzyszczytowe tętnienia wyjściowe poniżej 10mV. Wtyk SYNC pozwala na ustaloną przez użytkownika synchronizację z zewnętrznym zegarem o częstotliwości od 200kHz do 2,2MHz.

Ilustracja 2: wysokosprawny regulator LT8620 zawiera wtyk SYNC, dzięki któremu jego taktowanie może być zsynchronizowane z innymi zegarami systemowymi, minimalizując efekty intermodulacji zegarów. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Inną techniką jest zastosowanie regulatora przełączającego, który wykorzystuje losowe taktowanie z widmem rozproszonym, aby rozłożyć generowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) na szersze pasmo, obniżając ich wartość szczytową na dowolnej konkretnej częstotliwości. Jest to atrakcyjne rozwiązanie dla niektórych zastosowań o mniej krytycznych wymaganiach dotyczących stosunku sygnału do szumu (SNR), a bardziej skoncentrowanych na spełnieniu wymagań w dziedzinie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), jednak wprowadza niepewność w zakresie wynikowych częstotliwości harmonicznych, które będą tworzone w szerszym spektrum, przez co trudniej im przeciwdziałać. Na przykład rozrzut częstotliwości przełączania wynoszący 20% w celu uwzględnienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) powoduje w zasilaczu o częstotliwości 400kHz powstawanie częstotliwości harmonicznych od zera do 80kHz. W związku z tym, choć takie podejście do obniżania „skoków” zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) może pomóc w spełnieniu odpowiednich wymogów prawnych, może ono przynieść efekt przeciwny do zamierzonego w przypadku szczególnych potrzeb w zakresie stosunku sygnału do szumu (SNR) w konstrukcjach ultradźwiękowych.

Regulatory przełączające o stałej częstotliwości pomagają uniknąć tego problemu. Grupa regulatorów napięcia Silent Switcher i regulatorów μModule firmy ADI charakteryzuje się przełączaniem o stałej częstotliwości. Jednocześnie oferuje ona parametry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) z wybieralnymi technikami widma rozproszonego, aby zapewnić doskonałą odpowiedź na stany nieustalone bez wprowadzania niepewności związanych z widmem rozproszonym.

Grupa regulatorów Silent Switcher nie jest ograniczona wyłącznie do niskich mocy. Na przykład regulator obniżający LTM8053 charakteryzuje się napięciem 40V_IN (maks.), prądem ciągłym 3,5A, szczytowym 6A, a także zawiera kontroler przełączający, przełączniki mocy, cewkę indukcyjną i wszystkie elementy pomocnicze. Do pełnego projektu potrzebne są tylko wejściowe i wyjściowe kondensatory filtrujące (ilustracja 3). Obsługuje on zakres napięć wyjściowych od 0,97 do 15V oraz zakres częstotliwości przełączania od 200kHz do 3MHz, które są ustawiane przez pojedyncze rezystory.

Ilustracja 3: regulator LTM8053, należący do grupy produktów Silent Switcher, może dostarczać prąd ciągły 3,5A i prąd szczytowy 6A. Przyjmuje na wejściu od 3,4 do 40V i może zapewnić wyjście w szerokim zakresie od 0,97 do 15V. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Specjalna obudowa urządzenia LTM8053 pomaga utrzymać niski poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) przy wyższych prądach wyjściowych. Obudowa wykonana w technologii copper pillar flip-chip w regulatorze µModule z grupy produktów Silent Switcher pomaga zredukować indukcyjność pasożytniczą i zoptymalizować czas trwania skoków oraz czas martwy, umożliwiając uzyskanie projektów o dużej gęstości i dużej wydajności prądowej w małej obudowie (ilustracja 4). Jeśli potrzebny jest większy prąd, można połączyć równolegle wiele urządzeń LT8053.

Ilustracja 4: w urządzeniach LTM8053 (i innych urządzeniach Silent Switcher) wykorzystano technologię „copper pillar flip-chip”, umożliwiającą uzyskanie projektów o wysokiej gęstości i dużej wydajności prądowej w małej obudowie, przy jednoczesnej minimalizacji indukcyjności pasożytniczej. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Technologia i topologia serii Silent Switcher nie ogranicza się do regulatorów jednowyjściowych. Urządzenie LTM8060 jest czterokanałowym regulatorem Silent Switcher μModule na napięcie 40V_IN z konfigurowalnym układem wyjściowym 3A (ilustracja 5). Pracuje on z częstotliwością do 3MHz i jest umieszczony w kompaktowej (11,9mm × 16mm × 3,32mm) obudowie z wyprowadzeniami sferycznymi w siatce rastrowej (BGA).

Ilustracja 5: urządzenie LTM8060 jest czterokanałowym układem konfigurowalnym μModule z wyjściem 3A na kanał, zamkniętym w kompaktowej obudowie o wymiarach zaledwie 11,9mm × 16mm × 3,32mm. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Jednym z interesujących aspektów tego czterokanałowego urządzenia jest możliwość równoległego łączenia jego wyjść w różnych konfiguracjach, aby dopasować je do różnego zapotrzebowania na prąd obciążenia, maksymalnie do 12A (ilustracja 6).

Ilustracja 6: cztery wyjścia 3A urządzenia LTM8060 można łączyć w różne konfiguracje równoległe, aby dopasować urządzenie do wymagań szyny prądu stałego danego zastosowania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podsumowując, regulatory Silent Switcher oferują wiele korzyści w dziedzinie szumów, częstotliwości harmonicznych i wydajności termicznej (ilustracja 7).

Ilustracja 7: kluczowe atrybuty grupy regulatorów Silent Switcher w odniesieniu do ważnych kwestii projektowych. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

• Szum biały: w systemie ultradźwiękowym istnieje również wiele źródeł szumu białego, co prowadzi do powstawania szumu tła i „plamek” obrazu. Szum ten pochodzi przede wszystkim z łańcucha sygnałowego, zegara i zasilania. Rozwiązaniem może być dodanie regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) na wtyku mocy wrażliwego elementu analogowego.

Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) nowej generacji firmy ADI, takie jak LT3045, charakteryzują się bardzo niskim poziomem szumów, wynoszącym około 1μVrms (od 10Hz do 100kHz) i zapewniają prądy wyjściowe do 500mA przy typowym spadku napięcia 260mV (ilustracja 8). Roboczy prąd spoczynkowy wynosi nominalnie 2,3mA i spada znacznie poniżej 1μA w trybie wyłączenia. Dostępne są inne niskoszumowe regulatory napięcia o niskim spadku na prądy w zakresie od 200mA do 3A.

Ilustracja 8: regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) LT3045 charakteryzują się bardzo niskim poziomem szumów, wynoszącym około 1μVrms w zakresie prądu od 200mA do 3A. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

• Układ płytki: w większości układów płytek drukowanych istnieje konflikt pomiędzy wysokoprądowymi ścieżkami sygnałowymi z zasilaczy impulsowych i sąsiednimi ścieżkami sygnałów o niskim poziomie, ponieważ szumy z obu ścieżek mogą się sprzęgać. Ten szum przełączania jest zwykle generowany przez „gorącą pętlę” tworzoną przez kondensator wejściowy, górny tranzystor MOSFET, dolny tranzystor MOSFET i indukcyjności pasożytnicze wynikające z okablowania, prowadzenia i łączenia.

Standardowym rozwiązaniem jest dodanie obwodu tłumika w celu zmniejszenia emisji elektromagnetycznych, ale to obniża sprawność. Architektura Silent Switcher poprawia parametry działania i utrzymuje wysoką sprawność nawet przy wysokiej częstotliwości przełączania, tworząc przeciwstawną gorącą pętlę („rozdzielającą”) za pomocą emisji dwukierunkowych, co ogranicza zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) o około 20dB (ilustracja 9).

Ilustracja 9: poprzez utworzenie przeciwstawnej „gorącej pętli”, która rozdziela drogę przepływu prądu, architektura Silent Switcher znacząco ogranicza zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) o około 20dB. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Sprawność a szumy

Może się wydawać, że jeśli istnieje kompromis między szumami zasilacza a potencjalną sprawnością, to potrzeba bardzo niskiego szumu w zastosowaniach ultradźwiękowych powinna przeważać. W końcu kilka dodatkowo rozpraszanych miliwatów nie powinno być aż tak dużym obciążeniem w kontekście całego systemu. Poza tym, dlaczego nie zwiększyć energii emitowanej impulsowo przez przetwornik, aby zwiększyć siłę sygnału, a tym samym stosunek sygnału do szumu (SNR) w odbiciu?

Jednak ten kompromis wiąże się z inną komplikacją: nagrzewaniem się ręcznej sondy cyfrowej, która zawiera przetwornik, sterownik elementu piezoelektrycznego, analogowy układ front-end (AFE) i inne obwody elektroniczne. Część energii elektrycznej sondy jest rozpraszana w elemencie piezoelektrycznym, soczewce i materiale nośnym, co powoduje nagrzewanie przetwornika. Wraz z energią akustyczną traconą w głowicy przetwornika powoduje to nagrzewanie i wzrost temperatury sondy.

Istnieje ograniczenie maksymalnej dopuszczalnej temperatury powierzchni przetwornika. Norma IEC 60601-2-37 (rew. 2007) ogranicza tę temperaturę do 50°C, gdy przetwornik przekazuje energię do powietrza i 43°C, gdy przekazuje energię do odpowiedniego fantomu (standardowego symulatora ciała). To ostatnie ograniczenie oznacza, że skóra (zwykle o temperaturze 33°C) może być podgrzana najwyżej o 10°C. Dlatego nagrzewanie przetwornika jest istotną kwestią projektową w złożonych konstrukcjach przetworników. Ograniczenia temperaturowe mogą skutecznie ograniczyć moc akustyczną, którą można się posłużyć, niezależnie od dostępnej mocy prądu stałego.

Podsumowanie

Ultrasonografia jest szeroko stosowanym, nieocenionym, nieinwazyjnym i pozbawionym ryzyka narzędziem obrazowania medycznego. Chociaż podstawowa zasada jest koncepcyjnie prosta, zaprojektowanie efektywnego systemu obrazowania wymaga znacznej ilości skomplikowanych obwodów wraz z wieloma regulatorami prądu stałego do zasilania różnych podukładów. Regulatory i związane z nimi zasilanie musi być wydajne, lecz także bardzo niskoszumowe ze względu na bardzo wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR) i zakres dynamiczny wymagany dla odbitej energii sygnału akustycznego. Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) i układy scalone Silent Switcher firmy Analog Devices spełniają te wymagania nie wpływając negatywnie na przestrzeń, zakłócenia elektromagnetyczne i inne kluczowe atrybuty.

Powiązane treści

1. Maxim/Analog Devices, samouczek 4696, „Omówienie systemów ultrasonograficznych i komponentów elektrycznych wymaganych do głównych funkcji składowych”
2. Analog Devices, “Technologia Silent Switcher™ firmy Analog Devices” (wideo)
3. Analog Devices, „Niskoszumowe moduły μModule Silent Switcher i regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) poprawiają szumy i jakość obrazu w ultrasonografach”
4. Analog Devices, „Ciche i proste urządzenia Silent Switcher”