Ultraäänijärjestelmän kuvanlaadun parantaminen erittäin alhaisen kohinan virtalähteillä

Ultraääniteknologia on laajalti käytetty ei-invasiivinen työkalu lääketieteellisiin diagnooseihin ja muihin sovelluksiin. Sen kehitysaskeliin kuuluvat siirtyminen staattisista kuvista dynaamisiin ja mustavalkoisista kuvista Doppler-värikuviin. Nämä tärkeät parannukset ovat suurilta osin digitaalisen ultraääniteknologian käyttöönoton ansiota. Tämä kehitys on parantanut ultraäänikuvantamisen tehokkuutta ja monipuolisuutta, mutta yhtä merkittäviä kuvanlaatua parantavia tekijöitä ovat ultraääniantureiden sekä antureita ohjaavien ja paluusignaalit kaappaavien AFE-järjestelmien (Analog Front-End) parannukset.

Yksi kuvanlaadun parantamista haittaavista tekijöistä on kohina, joten suunnittelutavoitteena on parantaa järjestelmän signaali-kohinasuhdetta (Signal-to-Noise Ratio, SNR). Sitä voidaan osittain parantaa vähentämällä kohinaa järjestelmän virtalähteen jännitetasoissa. On kuitenkin huomioitava, että kohina ei ole yksittäinen eikä yksinkertainen tekijä. Sillä on erilaisia piirteitä ja ominaisuuksia, jotka määrittävät sen kokonaisvaikutuksen suorituskykyyn.

Tässä artikkelissa tutustutaan ultraäänikuvantamisen toimintaperiaatteeseen ja kuvanlaatuun vaikuttaviin tekijöihin, erityisesti teholähteiden kohinaan. Siinä käytetään Analog Devices -yrityksen DC/DC-jännitteensäätimiä esimerkkeinä tehonsyöttökomponenteista, jotka voivat parantaa huomattavasti ultraäänijärjestelmän signaali-kohinasuhdetta ja muita suorituskykytekijöitä.

Ultraäänikuvantamisen perusteet

Konsepti on yksinkertainen: tuotetaan terävä akustinen pulssi ja ”kuunnellaan” sen heijastuvaa kaikua, jonka muotoon vaikuttavat erilaiset esteet, elinten väliset kudokset ja niiden erilaiset akustiset impedanssit. Toistuva impulssien tuottaminen ja heijastusten lukeminen mahdollistaa kuvan luonnin heijastavista pinnoista.

Useimmissa ultraäänitiloissa ryhmä pietsosähköisiä antureita lähettää pulssina rajallisen määrän aaltosyklejä (yleensä kahdesta neljään). Näiden aaltojen taajuus on kussakin syklissä yleensä 2,5–14 megahertsiä (MHz). Ryhmää ohjataan saman kaltaisilla säteenmuodostustekniikoilla kuin vaiheistettua RF-antenniryhmää, joten ultraäänipulssi voidaan kohdistaa ja sitä voidaan ohjata skannausta varten. Anturi siirtyy sitten vastaanottotilaan kehosta heijastuneiden paluuaaltojen mittaamiseksi.

Huomaa, että lähettämiseen ja vastaanottamiseen käytetyn ajan suhde on noin 1 % / 99 % ja pulssin toistotaajuus välillä 1–10 kilohertsiä (kHz). Kun mitataan pulssin lähetyksen ja kaiun vastaanottamisen välinen aika ja tiedetään ultraäänienergian etenemisnopeus kehossa, voidaan laskea etäisyys anturin ja sen elimen tai kudoksen välillä, josta aalto heijastuu. Paluuaaltojen amplitudi määrittää pikseleiden kirkkauden ultraäänikuvassa huomattavan digitaalisen jälkikäsittelyn jälkeen.

Järjestelmävaatimusten ymmärtäminen

Vaikka toimintaperiaate on melko yksinkertainen, kokonainen huippuluokan ultraäänikuvantamisjärjestelmä on monimutkainen kokonaisuus (kuva 1). Järjestelmän kokonaissuorituskyky riippuu huomattavasti anturista ja AFE-järjestelmästä. Digitoidun paluusignaalin jälkikäsittely algoritmeilla parantaa kuvaa huomattavasti.

Vähemmän yllättäen järjestelmän erilaiset kohinalähteet muodostavat yhden kuvanlaatua ja suorituskykyä rajoittavan tekijän. Tämä on verrattavissa digitaalisten tiedonsiirtojärjestelmien bittivirhemääriin ja signaali-kohinasuhteeseen.

Kuva 1: Kokonainen ultraäänikuvantamisjärjestelmä on monimutkainen kombinaatio lukuisia erilaisia analogi-, digitaali-, teho- ja käsittelytoimintoja. AFE-järjestelmä määrittää järjestelmän suorituskyvyn rajat. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Pietsosähköisen anturiryhmän ja aktiivisen elektroniikan välillä on T/R-kytkin (Transmit/Receive, lähetys/vastaanotto). Tämän kytkimen tarkoituksena on estää anturia ohjaavien korkeajännitteisten lähetyssignaalien pääseminen vastaanottopuolen matalajännitteiseen AFE-järjestelmään, joka voisi muuten vaurioitua. Kun heijastunut signaali on vastaanotettu ja käsitelty, se siirretään AFE-järjestelmän analogi-digitaalimuuntimeen (Analog-to-Digital Converter, ADC), missä signaali digitoidaan ja sille suoritetaan ohjelmistopohjaista kuvankäsittelyä ja -parannusta.

Kullakin ultraäänijärjestelmän eri kuvantamistilalla on omat dynaamista aluetta ja kohinaa koskevat vaatimuksensa:

• Mustavalkoinen kuvantamistila vaatii 70 desibelin (dB) dynaamisen alueen. Pohjakohina on tärkeä tekijä, sillä se vaikuttaa enimmäissyvyyteen, jolla pienin ultraäänikaiku voidaan havaita kaukokentässä. Tätä kutsutaan läpäisyksi, joka on yksi mustavalkotilan tärkeimmistä ominaisuuksista.
• Pulssiaalto-Doppler-tila (Pulse Wave Doppler, PWD) vaatii 130 dB:n dynaamisen alueen.
• Jatkuvan aallon Doppler-tila (Continuous Wave Doppler, CWD) taas vaatii 160 dB:n dynaamisen alueen. Huomaa, että 1/f-kohina on erityisen tärkeä tekijä PWD- ja CWD-tiloissa, sillä kumpaankin kuvantamistilaan kuuluu alle 1 kHz:n matalan taajuuden spektrin elementti, ja vaihesiirtokohina vaikuttaa yli 1 kHz:n Doppler-taajuusspektriin.

Näiden vaatimusten täyttäminen ei ole helppoa. Koska ultraäänianturin taajuus on tyypillisesti 1–15 MHz, kaikki tämän alueen kytkentätaajuuskohina vaikuttaa toimintaan. Jos PWD- ja CWD-spektreissä (100 Hz – 200 kHz) on keskinäismodulaatiotaajuuksia, Doppler-kuvissa näkyy selkeitä kohinaspektrejä, mikä ei ole ultraäänijärjestelmässä hyväksyttävää. Järjestelmän suorituskyvyn ja kuvanlaadun (selkeys, dynaaminen alue, kuvan laikuttomuus ja muut laatutekijät) maksimoimiseksi on tärkeää tunnistaa signaalin laatua ja signaali-kohinasuhdetta heikentävät tekijät.

Ensimmäinen tekijä on helppo tunnistaa: kehossa syvemmällä sijaitsevista kudoksista ja elimistä (kuten munuaiset) palaavat signaalit heikentyvät huomattavasti enemmän kuin anturin lähellä olevista kohteista palaavat signaalit. Näin ollen AFE-järjestelmä vahvistaa paluusignaalia, jotta se käyttäisi mahdollisimman suurta osaa AFE:n syöttöalueesta. Tätä varten käytetään automaattista vahvistuksensäätöä (Automatic Gain Control, AGC). Tämä AGC-toiminto muistuttaa langattomissa järjestelmissä käytettyä AGC-toimintoa, joka arvioi vastaanotetun RF-signaalin vahvuutta (Received Signal Strength, RSS) ja kompensoi sen satunnaisia ja arvaamattomia muutoksia kymmenien desibelien alueella.

Tilanne on kuitenkin ultraäänisovelluksessa erilainen langattomaan tiedonsiirtoon verrattuna. Vaimennus signaalipolulla tunnetaan likimäärin, sillä se pohjautuu äänienergian leviämisnopeuteen, joka on pehmeässä kudoksessa 1540 m/s, eli noin viisi kertaa nopeampi kuin ilmassa (noin 330 m/s). Vaimennusaste siis tiedetään.

AFE-järjestelmä käyttää tämän tiedon perusteella säädettävää vahvistinta (Variable-Gain Amplifier, VGA), joka on järjestelty aikavahvistusta kompensoivaksi (Time-Gain Compensation, TGC) vahvistimeksi. Tämän VGA-vahvistimen vahvistus kasvaa lineaarisesti desibelilukeman mukaan, ja se on määritetty niin, että aikaan nähden lineaarisesti nouseva ohjausjännite lisää vahvistusta aikaan nähden. Tämä kompensoi vaimennuksen suurilta osin. Tämä maksimoi signaali-kohinasuhteen SNR ja AFE:n dynaamisen alueen käytön.

Eri melutyypit ja niiden kompensointi

Ultraäänijärjestelmän suunnittelija ei voi vaikuttaa kehon sisäiseen eikä potilaasta aiheutuvaan signaalin kohinaan, mutta järjestelmän sisäistä kohinaa sen sijaan on hallittava ja kontrolloitava. Tätä varten on tärkeää ymmärtää eri kohinatyypit, niiden vaikutukset ja miten niitä voidaan vähentää. Merkittävimmät tekijät ovat hakkurijännitteensäätimen kohina, signaaliketjusta, kellosta ja tehonlähteestä aiheutuva valkoinen kohina sekä layoutiin liittyvä kohina.

• Hakkurijännitteensäätimen kohina: Useimmat hakkurijännitteensäätimet käyttävät yksinkertaista vastusta kytkentätaajuuden asettamiseen. Tämän vastuksen todellinen arvo eri ole sen absoluuttinen nimellisarvo, vaan se on väistämättä toleranssin sisällä sen nimellisarvosta, mikä aiheuttaa erilaisia kytkentätaajuuksia ja harmonisia monikertoja, koska erillisten itsenäisten jännitteensäädinten taajuudet sekoittuvat toisiinsa ja aiheuttavat ristimodulaatiota. Huomaa, että vaikka vastuksen toleranssi olisi vain 1 %, tämä epätarkkuus voi aiheuttaa 4 kHz:n harmonisen taajuuden 400 kHz:n DC/DC-jännitteensäätimessä. Tämä vaikeuttaa harmonisten monikertojen hallintaa.

Parempi ratkaisu on valita hakkurijännitteensäädin, johon kuuluu synkronointiominaisuus SYNC-liitäntänastan kautta. Tämän ominaisuuden avulla signaali voidaan ohjata eri säätimiin ulkoisen kellon tahdissa niin, että ne toimivat samalla taajuudella ja vaiheella. Tämä eliminoi nimellistaajuuksien ja niihin liittyvien harmonisten monikertojen sekoittumisen.

Esimerkiksi LT8620 on tehokas ja nopea synkroninen monoliittinen jännitettä alentava hakkurijännitteensäädin, jonka syöttöjännite-alue on laaja, syöttöjännite voi olla jopa 65 volttia, ja jonka lepovirta on vain 2,5 mikroampeeria (μA) (kuva 2). Sen ”pursketila” alhaisella rippelijännitteellä mahdollistaa korkean hyötysuhteen hyvin alhaisillakin lähtövirroilla samalla, kun lähdön rippelijännite pysyy alle 10 millivoltissa (mV) huipusta huippuun. SYNC-nastan avulla käyttäjä voi määrittää synkronoinnin ulkoisen 200 kHz – 2,2 MHz:n kellon mukaan.

Kuva 2: Korkean hyötysuhteen jännitettä alentava LT8620-hakkurijännitteensäädin sisältää SYNC-nastan, joka mahdollistaa säätimen synkronoinnin järjestelmän muiden kellojen kanssa sekä kellojen keskinäismodulaation minimoinnin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Toinen vaihtoehto on käyttää hakkurijännitteensäädintä, jonka satunnainen hajaspektrinen kellomodulointitoiminto (Spread Spectrum Clocking, SSC) levittää sähkömagneettiset häiriöt (Electromagnetic Interference, EMI) laajemmalle alueelle vähentäen niiden huippuarvoa kaikilla taajuuksilla. Tämä on houkutteleva ratkaisu EMI-vaatimusten täyttämiseksi sellaisissa sovelluksissa, joissa signaali-kohinasuhde ei ole niin kriittinen tekijä, mutta siihen liittyy haittatekijöitä, koska näitä laajemmalla alueella syntyviä harmonisia monikertoja on vaikeampi hallita. Jos esimerkiksi teholähteen kytkentätaajuus on 400 kHz ja kytkentätaajuutta levitetään 20 % EMI-häiriöiden vähentämiseksi, harmoniset monikerrat ovat välillä 0–80 kHz. Vaikka tämä menetelmä näin ollen auttaisikin vähentämään EMI-piikkejä niitä koskevien viranomaismääräysten täyttämiseksi, se voi olla haitallinen ultraäänijärjestelmissä niiden erityisten SNR-vaatimusten vuoksi.

Vakiotaajuutta käyttävät hakkurijännitteensäätimet auttavat tämän ongelman välttämisessä. ADI:n Silent Switcher ‑jännitteensäädintuoteperhe ja μModule-säätimet käyttävät kiinteää kytkentätaajuutta. Samaan aikaan niiden valittavat hajaspektritoiminnot tarjoavat hyvän EMI-suorituskyvyn. Ne tarjoavat erinomaisen transienttivasteen ilman hajaspektritekniikkaan liittyviä epävarmuuksia.

Silent Switcher ‑jännitteensäädinperheeseen ei kuulu ainoastaan teholtaan alhaisia säätimiä. Esimerkiksi LTM8053 on hakkuriohjaimen, virtakytkimet, induktiokelan ja kaikki tukikomponentit sisältävä jännitettä alentava hakkurijännitteensäädin, joka tukee jopa 40 V_IN-jännitettä, 3,5 A:n jatkuvaa virtaa ja 6 A:n hetkellistä virtaa. Kokonainen ratkaisu saadaan lisäämällä vain tulon ja lähdön suodatinkondensaattorit (kuva 3). Se tukee lähtöjännitettä välillä 0,97–15 volttia ja kytkentätaajuutta välillä 200 kHz – 3 MHz. Nämä arvot asetetaan yksittäisillä vastuksilla.

Kuva 3: Silent Switcher ‑tuoteperheeseen kuuluva LTM8053 tukee 3,5 A:n jatkuvaa virtaa ja 6 A:n huippuvirtaa. Sen tulojännite on 3,4–40 volttia ja laaja lähtöjännitealue 0,97–15 V. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTM8053:n ainutlaatuinen kotelo pitää EMI-arvot matalina korkealla lähtövirralla. Silent Switcher µModule ‑jännitteensäätimen flip-chip-kotelo kuparipilarilla auttaa vähentämään loisinduktanssia sekä optimoimaan huippuajan ja virrattoman ajan, mikä mahdollistaa tiheydeltään korkeat ratkaisut ja suuren virtakapasiteetin pienessä kotelossa (kuva 4). Jos virtaa tarvitaan enemmän, useita LT8053-komponentteja voidaan kytkeä rinnakkain.

Kuva 4: LTM8053 (ja muut Silent Switcher ‑laitteet) käyttävät flip-chip-koteloa kuparipilarilla, mikä mahdollistaa tiheydeltään korkeat ratkaisut ja suuren virtakapasiteetin pienessä kotelossa sekä minimoi loisinduktanssin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Silent Switcher ‑tuotteiden teknologia ja topologia eivät rajoitu vain yhden lähdön jännitesäätimiin. LTM8060 on nelikanavainen 40 V_IN-jännitettä tukeva Silent Switcher μModule ‑jännitteensäädin konfiguroitavalla 3 A:n lähtöryhmällä (kuva 5). Sen maksimi toimintataajuus on 3 MHz, ja se käyttää kompaktia (11,9 × 16 × 3,32 mm) valettua Ball Grid Array (BGA) ‑koteloa.

Kuva 5: LTM8060 μModule on kompaktia 11,9 × 16 × 3,32 mm:n koteloa käyttävä nelikanavainen konfiguroitava ryhmä, joka tarjoaa 3 A:n lähdön per kanava. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yksi tämän nelikanavaisen laitteen mielenkiintoisista ominaisuuksista on, että lähdöt voi kytkeä rinnakkain eri konfiguraatioihin erilaisia kuormitusvirtatarpeita varten, jolloin lähtövirta voi olla jopa 12 A (kuva 6).

Kuva 6: LTM8060-piirin neljä 3 A:n lähtöä voidaan järjestää erilaisiin rinnakkaiskonfiguraatioihin vastaamaan sovelluksen DC-jännitetasoa koskevia vaatimuksia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Yhteenveto: Silent Switcher ‑jännitteensäätimet tarjoavat useita hyötyjä kohinan, harmonisten monikertojen ja lämpöteknisen suorituskyvyn suhteen (kuva 7).

Kuva 7: Tärkeisiin suunnittelutekijöihin liittyviä Silent Switcher ‑jännitteensäädinperheen avainominaisuuksia. (Kuvan lähde: Analog Devices)

• Valkoinen kohina: Myös ultraäänijärjestelmässä on useita valkoisen kohinan lähteitä, mikä aiheuttaa taustakohinaa ja kuvien ”täpliä”. Tämän kohinan päälähteet ovat signaaliketju, kello ja tehonlähde. LDO (Low-Dropout) -jännitteensäätimen liittäminen herkän analogisen laitteen tehonastaan voi auttaa ratkaisemaan tämän.

ADI:n uuden sukupolven LDO-jännitteensäätimissä, kuten LT3045, on erittäin alhainen kohinataso: noin 1 mikrovoltti (μV) rms (10 Hz – 100 kHz). Ne mahdollistavat jopa 500 mA:n lähtövirran jännitehäviön ollessa tyypillisesti 260 mV (kuva 8). Lepovirta on nimellisesti 2,3 mA, ja se putoaa huomattavasti alle 1 μA:n, kun piiri sammutetaan. Saatavana on muita matalan kohinan LDO-säätimiä, jos vaadittava virta on 200 mA – 3 A.

Kuva 8: LT3045 LDO‑jännitteensäätimillä on hyvin alhainen kohina, vain noin 1 μV rms sähkövirralla 200 mA – 3 A. (Kuvan lähde: Analog Devices)

• Piirilevyn layout: Useimmissa piirilevylayouteissa hakkurivirtalähteen korkean virran signaalijohtimista voi siirtyä kohinaa viereisiin matalan jännitteen signaalijohtimiin. Tämän kytkentäkohinan aiheuttaa yleensä ”hot loopiksi” kutsuttu virtasilmukka, joka syntyy tulokondensaattorin, yläpuolen MOSFET-transistorin, alapuolen MOSFET-transistorin sekä johdotuksen, reitityksen ja liitosten loisinduktanssien yhteisvaikutuksesta.

Vakioratkaisu on lisätä sähkömagneettista säteilyä laskeva kytkentäsuojapiiri, mutta tämä laskee myös hyötysuhdetta. Silent Switcher ‑arkkitehtuuri tarjoaa hyvän suorituskyvyn ja säilyttää korkean hyötysuhteen myös korkealla kytkentätaajuudella luomalla vastakkaisen hot loopin (tätä kutsutaan ”jakamiseksi”) käyttämällä vastakkaissuuntaisia säteilyä, mikä laskee EMI-häiriöitä noin 20 dB (kuva 9).

Kuva 9: Silent Switcher vähentää EMI-häiriöitä noin 20 dB muodostamalla virtapolun jakavan vastakkaisen ”hot loop” ‑silmukan. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Hyötysuhteen ja kohinan suhde

Voi vaikuttaa siltä, että jos teholähteen kohinan ja mahdollisen hyötysuhteen välillä on tehtävä kompromissi, etusijalle tulisi asettaa ultraäänisovelluksen vaatima erittäin alhainen kohina. Muutaman milliwatin häviön ei luulisi olevan valtava heikennys järjestelmäkokonaisuuden tasolla. Miksi ei myös kasvatettaisi anturin energiapulssia signaalin ja kaiun signaali-kohinasuhteen vahvistamiseksi?

Tämä kompromissi tuo kuitenkin mukanaan toisen ongelman: anturin, pietsosähköisen elementin ohjaimen, AFE-järjestelmän ja muita sähköpiirejä sisältävän kädessä pidettävän digitaalisen mittapään lämpeneminen. Osa mittapään sähköenergiasta dissipoituu pietsosähköiseen elementtiin, linssiin ja tukimateriaaliin, jolloin anturi lämpenee. Myös anturipäässä menee hukkaan äänienergiaa ja näiden molempien seurauksena mittapään lämpötila nousee.

Anturin pintalämpötilalle on asetettu yläraja. IEC-standardin 60601-2-37 (Rev 2007) mukaan tämä raja on 50 °C anturin pulssin kohdistuessa ilmaan ja 43 °C sen kohdistuessa standardimuotoiseen kehosimulaattoriin. Jälkimmäinen raja merkitsee, että anturi saa lämmittää ihoa (tyypillisesti 33 °C) enintään 10 °C. Lämpeneminen on siis merkittävä tekijä kompleksisten anturien suunnittelussa. Nämä lämpörajat voivat käytännössä rajoittaa akustista tehoa riippumatta saatavilla olevasta DC-virrasta.

Yhteenveto

Ultraäänikuvantaminen on laajalti käytetty korvaamattoman arvokas ei-invasiivinen ja riskitön lääketieteellinen kuvantamismenetelmä. Vaikka sen perusperiaate on yksinkertainen, tehokkaan kuvantamisjärjestelmän suunnittelu vaatii huomattavan määrän monimutkaisia piirejä sekä useita DC-jännitteensäätimiä eri alipiirien tehonsyöttöön. Näiden jännitteensäädinten ja virransyötön on tarjottava korkea hyötysuhde ja alhainen kohina, sillä heijastuvaa akustista signaalienergiaa koskevat hyvin tiukat signaali-kohinasuhteen ja dynaamisen alueen vaatimukset. Kuten artikkelissa on esitetty, Analog Devices -yrityksen LDO-jännitteensäätimet ja Silent Switcher ‑mikropiirit täyttävät nämä vaatimukset ilman negatiivista vaikutusta tilankäyttöön, EMI-häiriöihin tai muihin avaintekijöihin.

Vastaavaa aineistoa

1. Maxim/Analog Devices, Tutorial 4696, ”Overview of Ultrasound Imaging Systems and the Electrical Components Required for Main Subfunctions”
2. Analog Devices, ”Silent Switcher™ Technology by Analog Devices” (video)
3. Analog Devices, ”Low Noise Silent Switcher μModule and LDO Regulators Improve Ultrasound Noise and Image Quality”
4. Analog Devices, ”Silent Switcher Devices Are Quiet and Simple”