De beeldkwaliteit van echografiesystemen verbeteren met ultra-ruisarme voedingen

Ultrasone technologie, een veelgebruikt niet-invasief instrument voor medische diagnostiek en andere toepassingen, is verschoven van statische naar dynamische beelden, en van een zwart-wit presentatie naar Doppler-kleurbeelden. Deze belangrijke verbeteringen zijn grotendeels te danken aan de invoering van de digitale ultrasone technologie. Hoewel deze vooruitgang de doeltreffendheid en veelzijdigheid van ultrasone beeldvorming heeft vergroot, is het even belangrijk dat deze systemen een betere beeldkwaliteit bieden via vooruitgang in de hoofdultrageluidsonde en het analoge front-end (AFE) dat de sonde aanstuurt en de retoursignalen opvangt.

Een van de belemmeringen voor het bereiken van deze verbeterde beeldkwaliteit is ruis, zodat het ontwerpdoel erin bestaat de signaal-ruisverhouding (SNR) van het systeem te verhogen. Dit kan ten dele worden bereikt door het aanpakken van ruis als gevolg van de verschillende voedingssporen in het systeem. Merk op dat dergelijke ruis niet één enkele, eenvoudige entiteit is. In plaats daarvan heeft het verschillende kenmerken en eigenschappen die bepalen hoe het uiteindelijk de systeemprestaties beïnvloedt.

In dit artikel wordt ingegaan op het basisprincipe van echografie, en vervolgens op verschillende factoren die de beeldkwaliteit beïnvloeden, voornamelijk ruis van de voedingen. Het zal DC-DC-regelaars van Analog Devices gebruiken als voorbeelden van voedingscomponenten die de SNR en andere aspecten van de prestaties van ultrasone systemen aanzienlijk kunnen verbeteren.

Grondbeginselen van echografie

Het concept is eenvoudig: genereer een scherpe akoestische puls en "luister" vervolgens naar de weerkaatsing van de echo wanneer deze op obstakels of verschillende interfaces tussen organen en hun verschillende akoestische impedanties stuit. Door deze impuls-retour sequenties herhaaldelijk uit te voeren, kunnen de reflecties worden gebruikt om een beeld te creëren van de reflecterende oppervlakken.

Voor de meeste ultrageluidmodi zendt de reeks piëzo-elektrische transducers een beperkt aantal golfcycli (doorgaans twee tot vier) uit als een puls. De frequentie van deze golven in elke cyclus ligt gewoonlijk tussen 2,5 en 14 megahertz (MHz). De array wordt bestuurd via beamforming-technieken analoog aan een phased-array RF-antenne, zodat de totale ultrasone puls kan worden gericht en gestuurd om een scan te maken. De transducer schakelt dan over op de ontvangstmodus om de terugkeer van de gereflecteerde golven vanuit het lichaam op te vangen.

De verhouding zend-/ontvangsttiming is gewoonlijk ongeveer 1%/99%, met een pulsherhalingsfrequentie die gewoonlijk tussen 1 en 10 kilohertz (kHz) ligt. Door de timing van de puls vanaf de transmissie tot de ontvangen echo's en door de snelheid te kennen waarmee de ultrasone energie zich door het lichaamsweefsel voortplant, is het mogelijk de afstand te berekenen van de transducer tot het orgaan of de interface die de golf reflecteert. De amplitude van de terugkerende golven bepaalt de helderheid van de pixels die in het echobeeld aan de reflectie zijn toegewezen, na een aanzienlijke digitale nabewerking.

Inzicht in de systeemvereisten

Ondanks de conceptuele eenvoud van het onderliggende principe is een compleet ultrasoon beeldvormingssysteem van topklasse een ingewikkeld apparaat (Afbeelding 1). De uiteindelijke prestaties van het systeem worden grotendeels bepaald door de transducer en het analoge front-end (AFE), terwijl de nabewerking van het gedigitaliseerde gereflecteerde signaal algoritmen mogelijk maakt om de situatie te verbeteren.

Het is niet verrassend dat systeemruis van verschillende typen een van de beperkende factoren is voor de beeldkwaliteit en -prestaties, wederom analoog aan de overweging van bit error rate (BER) versus SNR in digitale communicatiesystemen.

Afbeelding 1: Een compleet ultrasoon beeldvormingssysteem is een complexe combinatie van een aanzienlijke hoeveelheid analoge, digitale, vermogens- en verwerkingsfunctionaliteit; de AFE bepaalt de grenzen van de systeemprestaties. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Er is een zend/ontvang schakelaar tussen de piëzo-elektrische omvormer en de actieve elektronica. De rol van deze schakelaar is te voorkomen dat de hoogspanningsverzendsignalen die de transductor aansturen de laagspanningsontvangst AFE bereiken en beschadigen. Nadat de ontvangen reflectie is versterkt en geconditioneerd, wordt zij doorgegeven aan de analoog-digitaalconvertor (ADC) van de AFE, waar zij wordt gedigitaliseerd en softwarematig wordt verwerkt en verbeterd.

Elk van de verschillende beeldmodi van een ultrasoon systeem stelt andere eisen aan het dynamisch bereik en dus aan de SNR- of ruisvereisten:

• Voor de zwart-wit beeldmodus is een dynamisch bereik van 70 decibel (dB) vereist; het ruisniveau is belangrijk omdat het van invloed is op de maximale diepte waarop de kleinste echo in het verre veld te zien is. Dit wordt penetratie genoemd, een van de belangrijkste kenmerken van de zwart-wit modus.
• Voor de Pulse wave doppler (PWD) modus is een dynamisch bereik van 130 dB vereist.
• Voor de continuous wave doppler (CWD) modus is 160 dB nodig. Merk op dat de 1/f-ruis bijzonder belangrijk is voor de PWD- en CWD-modi, aangezien beide het laagfrequente spectrumelement onder 1 kHz omvatten, en de faseruis het Doppler-frequentiespectrum boven 1 kHz beïnvloedt.

Het is niet gemakkelijk om aan deze eisen te voldoen. Aangezien de frequentie van de ultrasone transductor gewoonlijk tussen 1 MHz en 15 MHz ligt, wordt deze beïnvloed door elke ruis van de schakelfrequentie binnen dit bereik. Indien er intermodulatiefrequenties zijn binnen de PWD- en CWD-spectrums (van 100 Hz tot 200 kHz), verschijnen er duidelijke ruisspectrums in de Doppler-beelden, hetgeen onaanvaardbaar is in het ultrasone systeem. Voor maximale systeemprestaties en beeldkwaliteit (helderheid, dynamisch bereik, afwezigheid van beeldspikkels en andere cijfers van verdienste) is het belangrijk te kijken naar bronnen die verlies van signaalkwaliteit en achteruitgang van SNR veroorzaken.

De eerste is duidelijk: als gevolg van verzwakking is de opbrengst van weefsels en organen dieper in het lichaam (zoals de nieren) veel zwakker dan die van weefsels en organen dicht bij de transductor. Daarom wordt het gereflecteerde signaal door de AFE "opgewaardeerd" zodat het zoveel mogelijk van het ingangsbereik van de AFE in beslag neemt. Hiervoor wordt een automatische versterkingsregeling (AGC) gebruikt. Deze AGC-functie is vergelijkbaar met die welke wordt gebruikt in draadloze systemen waar de AGC de ontvangen signaalsterkte (RSS) van de draadloze RF beoordeelt en dynamisch compenseert voor de willekeurige, onvoorspelbare veranderingen ervan over een periode van tientallen decibels.

De situatie is echter anders bij de ultrasone toepassing dan bij een draadloze verbinding. In plaats daarvan is de paddemping ongeveer bekend, evenals de snelheid waarmee de akoestische energie zich voortplant-1540 meter per seconde (m/s) in zacht weefsel, of ongeveer vijf keer zo snel als de voortplanting in lucht met ongeveer 330 m/s, en dus is ook de dempingssnelheid bekend.

Op basis van deze kennis gebruikt de AFE een versterker met variabele versterking (VGA) die is ingericht als een TGC-versterker (time-gain compensation). De versterking van deze VGA is lineair-in-dB en is zodanig geconfigureerd dat een lineair-tegen-tijd oplopende stuurspanning de versterking-tegen-tijd verhoogt om de verzwakking grotendeels te compenseren. Dit maximaliseert de SNR en het gebruik van het dynamisch bereik van de AFE.

Soorten ruis en hoe ze aan te pakken

Hoewel de ontwerper van echografiesystemen geen invloed heeft op de door het lichaam en de patiënt veroorzaakte signaalruis, moet interne systeemruis worden beheerst en gecontroleerd. Daarom is het belangrijk te begrijpen welke soorten ruis er zijn, wat hun effect is en wat er gedaan kan worden om ze te verminderen. De voornaamste punten van zorg zijn schakelregelaarruis, witte ruis als gevolg van de signaalketen, de klok en het vermogen, en layoutgerelateerde ruis.

• Schakelregelaarruis: De meeste schakelende regelaars gebruiken een eenvoudige weerstand om de schakelfrequentie in te stellen. De onvermijdelijke tolerantie van de nominale waarde van deze weerstand introduceert verschillende schakelfrequenties en harmonischen omdat de frequenties van verschillende onafhankelijke regelaars elkaar mengen en kruiselings moduleren. Bedenk dat zelfs een weerstand met een nauwe tolerantie en een onnauwkeurigheid van 1% resulteert in een harmonische frequentie van 4 kHz in een DC-DC-regelaar van 400 kHz, waardoor de harmonischen moeilijker te beheersen zijn.

Een betere oplossing is om een schakelregelaar-IC te kiezen met een synchronisatiefunctie die via een SYNC-aansluiting op een van de verpakkingspennen is geïmplementeerd. Met deze functie kan een externe klok een signaal naar de verschillende regelaars sturen, zodat ze allemaal met dezelfde frequentie en fase schakelen. Dit elimineert de vermenging van de nominale frequenties en de bijbehorende harmonische producten.

De LT8620 is bijvoorbeeld een zeer efficiënte, snelle synchrone step-down schakelende regelaar die een breed ingangsspanningsbereik tot 65 volt accepteert en slechts 2,5 microampère (μA) ruststroom verbruikt (Afbeelding 2). De "Burst Mode" met lage rimpel maakt een hoog rendement mogelijk tot zeer lage uitgangsstromen, terwijl de uitgangsrimpel onder 10 millivolt (mV) piek-tot-piek blijft. Een SYNC-pin maakt synchronisatie met een externe klok van 200 kHz tot 2,2 MHz mogelijk.

Afbeelding 2: De zeer efficiënte LT8620 step-down schakelende regelaar bevat een SYNC-pin zodat de klokken gesynchroniseerd kunnen worden met andere systeemklokken, waardoor klokintermodulatie-effecten geminimaliseerd worden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een andere techniek is het gebruik van een schakelende regelaar die gebruik maakt van random spread-spectrum clocking om de opgewekte elektromagnetische interferentie (EMI) over een bredere band te verspreiden, waardoor de piekwaarde bij een specifieke frequentie wordt verlaagd. Hoewel dit een aantrekkelijke oplossing is voor sommige toepassingen die minder SNR-kritisch zijn en meer gericht op het voldoen aan EMI-eisen, introduceert het onzekerheden in de resulterende harmonischen die over een breder spectrum ontstaan, waardoor ze moeilijker te beheersen zijn. Zo resulteert een spreiding van de schakelfrequentie van 20% met het oog op EMI in harmonische frequenties tussen nul en 80 kHz in een voeding van 400 kHz. Hoewel deze benadering van het verlagen van EMI-"pieken" dus kan helpen om te voldoen aan de relevante wettelijke voorschriften, kan zij contraproductief zijn voor de speciale SNR-behoeften van ultrasone ontwerpen.

Schakelregelaars met een constante frequentie helpen dit probleem te voorkomen. ADI's familie van Silent Switcher-spanningsregelaars en μModule regelaars beschikken over constante frequentie schakeling. Tegelijkertijd bieden zij EMI-prestaties met selecteerbare spread spectrum-technieken, om een uitstekende transiënte respons te bieden zonder de onzekerheden te introduceren die met spread spectrum worden geassocieerd.

De Silent Switcher-serie regelaars beperkt zich ook niet alleen tot regelaars met een lager vermogen. De LTM8053 is bijvoorbeeld een 40 _VIN (maximaal), 3,5 A continu, 6 A piek, step-down-regelaar die een schakelcontroller, vermogensschakelaars, een spoel en alle ondersteunende componenten omvat. Alleen ingangs- en uitgangsfiltercondensatoren zijn nodig om het ontwerp te voltooien (figuur 3). Hij ondersteunt een uitgangsspanningsbereik van 0,97 tot 15 volt, en een schakelfrequentiebereik van 200 kHz tot 3 MHz, elk ingesteld door een enkele weerstand.

Afbeelding 3: De LTM8053 van de Silent Switcher-familie kan 3,5 A continue/6 A piekstroom leveren; hij accepteert een ingang van 3,4 tot 40 volt en kan een uitgang leveren over een breed bereik van 0,97 tot 15 volt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De unieke verpakking van de LTM8053 zorgt voor een lage EMI en een hogere stroomuitvoer. Een koperen flip-chip-pakket in een Silent Switcher µModule-regelaar helpt om de parasitaire inductie te verminderen en spike en dode tijd te optimaliseren, waardoor een hoge dichtheid en een grote stroomcapaciteit in een klein pakket mogelijk zijn (Afbeelding 4). Als meer stroom nodig is, kunnen meerdere LT8053-apparaten parallel worden aangesloten.

Afbeelding 4: De LTM8053 (en andere Silent Switcher apparaten) integreren een koperpilaar flip-chip, waardoor een hoge dichtheid en een grote stroomcapaciteit in een kleine verpakking mogelijk is, terwijl de parasitaire inductie geminimaliseerd wordt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De technologie en topologie van de Silent Switcher-lijn zijn niet beperkt tot regelaars met één uitgang. De LTM8060 is een vierkanaals, 40 _VIN Silent Switcher μModule regelaar met een configureerbare 3 A uitgangsarray (Afbeelding 5). Hij werkt tot 3 MHz en is verpakt in een compacte (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm), over-molded ball grid array (BGA).

Afbeelding 5: De LTM8060 is een vierkanaals μModule configureerbare array met 3 A/kanaal uitgang in een compacte behuizing van slechts 11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een van de interessante aspecten van dit vierkanaalsapparaat is dat de uitgangen in verschillende configuraties parallel kunnen worden geschakeld om te voldoen aan verschillende behoeften inzake belastingsstroom, tot een maximum van 12 A (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De vier 3 A uitgangen van de LTM8060 kunnen in verschillende parallelle configuraties worden gerangschikt om te voldoen aan de DC-railvereisten van de toepassing. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Samengevat bieden de Silent Switcher-regelaars veel voordelen op het gebied van ruis, harmonischen en thermische prestaties (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De belangrijkste kenmerken van de Silent Switcher-serie regelaars met betrekking tot belangrijke ontwerpaspecten. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• Witte ruis: Er zijn ook veel bronnen van witte ruis in een ultrasoon systeem, wat leidt tot achtergrondruis en "vlekken" in het beeld. Deze ruis is voornamelijk afkomstig van de signaalketen, de klok en het vermogen. Het toevoegen van een LDO-regelaar (low-dropout) aan de voedingspin van een gevoelige analoge component kan dit oplossen.

ADI's volgende generatie LDO-regelaars, zoals de LT3045, hebben een ultralaag ruisniveau van ongeveer 1 microvolt (μV) rms (10 Hz tot 100 kHz), en bieden een stroomuitgang tot 500 mA bij een typische dropout spanning van 260 mV (Afbeelding 8). De ruststroom is nominaal 2,3 mA en daalt tot veel minder dan 1 μA in de uitschakelmodus. Andere LDO's met weinig ruis zijn beschikbaar voor stromen van 200 mA tot 3 A.

Afbeelding 8: De LT3045 LDO-regelaars staan bekend om hun ultralage ruis van ongeveer 1 μV rms over een stroombereik van 200 mA tot 3 A. (Bron afbeelding: Analog Devices)

• Bordlayout: Bij de meeste printplaatlayouts is er een conflict tussen sterk stromende signaalsporen van de schakelende voedingen en de aangrenzende signaalsporen van laag niveau, aangezien ruis van de eerste kan doorwerken in de tweede. Deze schakelruis wordt gewoonlijk veroorzaakt door de "hot loop" die wordt veroorzaakt door de ingangscondensator, de MOSFET aan de bovenkant, de MOSFET aan de onderkant en parasitaire inducties als gevolg van bedrading, routing en hechting.

De standaardoplossing is het toevoegen van een snubbercircuit om de elektromagnetische emissie te verminderen, maar dit vermindert het rendement. De Silent Switcher-architectuur verbetert de prestaties en behoudt een hoog rendement, zelfs bij een hoge schakelfrequentie, door een tegengestelde hot loop te creëren (genaamd "splitting") met behulp van bidirectionele emissies, waardoor de EMI met ongeveer 20 dB wordt verminderd (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Door een tegengestelde "hot loop" te creëren die het stroompad splitst, vermindert de Silent Switcher de EMI aanzienlijk met ongeveer 20 dB. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Efficiëntie versus ruis

Het lijkt erop dat als er een afweging moet worden gemaakt tussen voedingsruis en potentiële efficiëntie, de behoefte aan ultralage ruis in de ultrasone toepassing moet prevaleren. Een paar milliwatt meer dissipatie zou immers niet zo'n grote last moeten zijn op het "grote" systeemniveau. Waarom niet de door de transductor gepulseerde energie verhogen om de sterkte van het pulssignaal en dus de gereflecteerde SNR te verhogen?

Maar dit compromis heeft nog een complicatie: zelfverhitting in de draagbare digitale sonde die de transductor, de piëzo-elektrische elementendriver, de AFE en andere elektronische schakelingen bevat. Een deel van de elektrische energie van de sonde wordt afgevoerd naar het piëzo-elektrisch element, de lens en het steunmateriaal, waardoor de transducer wordt verwarmd. Samen met de verspilde akoestische energie in de transductorkop leidt dit tot verwarming en temperatuurstijging bij de sonde.

Er is een grens aan de maximaal toelaatbare oppervlaktetemperatuur van de transductor. De IEC-norm 60601-2-37 (Rev 2007) beperkt deze temperatuur tot 50 °C wanneer de transductor in de lucht zendt, en tot 43 °C wanneer hij in een geschikt fantoom (een standaard lichaamssimulator) zendt; deze laatste limiet houdt in dat de huid (typisch 33 °C) maximaal met 10 °C kan worden verwarmd. Verwarming van de transductor is dus een belangrijke ontwerpoverweging bij complexe transductors. Deze temperatuurgrenzen kunnen het akoestisch vermogen dat kan worden gebruikt daadwerkelijk beperken, onafhankelijk van het beschikbare gelijkstroomvermogen.

Conclusie

Echografie is een veel gebruikt, onschatbaar, niet-invasief en risicoloos medisch beeldvormingsinstrument. Hoewel het basisprincipe conceptueel eenvoudig is, vereist het ontwerpen van een doeltreffend beeldvormingssysteem een aanzienlijke hoeveelheid complexe schakelingen, samen met meerdere gelijkstroomregelaars om de verschillende subschakelingen van stroom te voorzien. Deze regelaars en het bijbehorende vermogen moeten efficiënt zijn, maar ook zeer ruisarm vanwege de extreme SNR en het dynamische bereik dat vereist is voor de gereflecteerde akoestische signaalenergie. Zoals aangetoond voldoen LDO's en Silent Switcher IC's van Analog Devices aan deze vereisten zonder afbreuk te doen aan ruimte, EMI of andere belangrijke kenmerken.

Gerelateerde inhoud

1. Maxim/Analog Devices, tutorial 4696, "Overzicht van ultrasone beeldvormingssystemen en de elektrische componenten die nodig zijn voor de belangrijkste subfuncties".
2. Analog Devices, "Silent Switcher™-technology door Analog Devices" (video)
3. Analog Devices, "Silent Switcher μModule met lage ruis en LDO-regelaars verbeteren ultrasoon geluid en beeldkwaliteit".
4. Analog Devices, "Silent Switcher-apparaten zijn stil en eenvoudig".