Az ultrahangos rendszerek képminőségének javítása rendkívül alacsony zajszintű tápegységek használatával

Az ultrahangos technika, amely az orvosi diagnosztikában és más területeken is széles körben használt nem invazív eszköz, a statikus képekről a dinamikus képekre, a fekete-fehér megjelenítésről pedig a Doppler-hatást kihasználó színes képekre váltott. Ezek a fontos fejlesztések nagyrészt a digitális ultrahangtechnika bevezetésének köszönhetőek. Miközben ezek a fejlesztések növelték az ultrahangos képalkotás hatékonyságát és sokoldalúságát, ugyanilyen fontos, hogy ezek a rendszerek a fejoldali ultrahangos szondában, valamint a szondát meghajtó és a visszavert jeleket rögzítő analóg bemenőoldali eszközben (AFE, analog front-end) elért fejlesztések révén jobb képminőséget nyújtsanak.

A jobb képminőség elérésének egyik akadálya a zaj, ezért a tervezési cél a rendszer jel–zaj viszonyának (SNR, signal-to-noise ratio) javítása. Ez részben a rendszerben lévő különböző tápegységsínek okozta zajok csökkentésével érhető el. Az ilyen zaj nem egyetlen egyszerű egység. Ehelyett különböző jellemzői és tulajdonságai vannak, amelyek meghatározzák, hogy végső soron hogyan befolyásolja a rendszer teljesítményét.

Ez a cikk az ultrahangos képalkotás alapelvét tekinti át, majd a képminőséget befolyásoló különböző tényezőkre, elsősorban a tápegységek zajára összpontosít. A tápegység olyan részegységeire, amelyek nagymértékben javíthatják a jel–zaj viszonyt (SNR, signal-to-noise ratio) és az ultrahangos rendszer teljesítményének más jellemzőit, az Analog Devices egyenfeszültség-szabályozó eszközeit használja példaként.

Az ultrahangos képalkotás alapjai

Az elvi elgondolás egyszerű: egy gyors akusztikus impulzust kell előállítani, majd „figyelni” kell a visszaverődő visszhangot, amint az akadályokkal vagy a szervek különböző kapcsolódási pontjaival és azok eltérő akusztikus impedanciájával találkozik. Ha ezeket az impulzusokat sorozatban egymás után többször kibocsátjuk, és a visszaverődéseket megvizsgáljuk, a visszaverődések segítségével képet alkothatunk a visszaverő felületekről.

Az ultrahang legtöbb felhasználási módja esetén egy piezoelektromos jelátalakítókból álló tömb korlátozott számú hullámciklust (általában kettőt-négyet) küld ki impulzusok formájában. Ezeknek a hullámoknak a frekvenciája általában minden ciklusban (vagy más néven periódusban) 2,5–14 MHz között van. A tömb vezérlése sugárformázó technikákkal történik, hasonlóan, mint a fázisvezérelt (más néven fáziseltérítéses) rádiófrekvenciás antennák esetében, így a teljes ultrahangimpulzus fókuszálható és irányítható a letapogatás létrehozásához. A jelátalakító ezután vételi üzemmódba kapcsol, hogy érzékelje a testből visszavert hullámokat.

Az adás és a vétel időzítési aránya általában 1%–99%, az impulzusismétlési frekvencia pedig általában 1 kHz és 10 kHz közötti. Az impulzus indításától a beérkezett visszhangokig tartó időt megmérve az ultrahang-energia testszövetben való terjedési sebességének ismeretében kiszámítható a jelátalakító és a hullámot visszaverő szerv vagy felület közötti távolság. A visszavert jelhez rendelt képpontoknak az ultrahangképen látható fényerejét a visszavert hullámok amplitúdója határozza meg, jelentős digitális utófeldolgozás után.

A rendszerkövetelmények megértése

A működés alapját képező elgondolás egyszerűsége ellenére egy teljes, csúcskategóriás ultrahangos képalkotó rendszer bonyolult szerkezet (1. ábra). A rendszer végső teljesítményét nagyrészt a jelátalakító és az analóg bemenőoldali eszköz (AFE) határozza meg, míg a digitalizált visszavert jel utófeldolgozása azt teszi lehetővé, hogy különböző algoritmusokkal javítani lehessen az eredményt.

Nem meglepő módon a különböző rendszerzajok jelentik a képminőség és a teljesítmény javításának egyik korlátozó tényezőjét, hasonlóan a digitális kommunikációs rendszerekben a bithibaarány (BER, bit error rate) és a jel–zaj viszont közötti összefüggéshez.

1. ábra: Egy teljes ultrahangos képalkotó rendszer jelentős mennyiségű analóg, digitális, áramátalakítási és feldolgozási funkció bonyolult kombinációja. A rendszer teljesítményének korlátait az analóg bemenőoldali eszköz (AFE) határozza meg (kép: Analog Devices)

A piezoelektromos jelátalakítókból álló tömb és az aktív elektronika között egy adás/vétel (T/R, transmit/receive) kapcsoló található. Ennek a kapcsolónak az a szerepe, hogy megakadályozza, hogy a jelátalakítót meghajtó nagyfeszültségű adójelek elérjék és károsítsák a vételi oldalon lévő kisfeszültségű analóg bemenőoldali eszközt. A kapott visszavert jel erősítés és formázás után az analóg bemenőoldali eszköz analóg-digitális átalakítójába (ADC) kerül, ahol digitalizáláson, majd szoftveres képfeldolgozáson és -javításon megy keresztül.

Az ultrahangrendszerek különböző képalkotási módjai eltérő követelményeket támasztanak a dinamikatartományra – és így a jel–zaj viszonyra, vagyis a zajra – vonatkozóan:

• Fekete-fehér képalkotási mód esetén legalább 70 dB dinamikatartományra van szükség. A zajszint fontos, mert befolyásolja azt, hogy a legkisebb ultrahangvisszhang milyen legnagyobb mélységig látható még a távoli mezőben. Ezt behatolásnak vagy penetrációnak hívják, és ez a fekete-fehér képalkotási mód egyik legfontosabb jellemzője.
• Impulzushullámos doppleres (PWD, pulse wave doppler) képalkotási módban legalább 130 dB dinamikatartományra van szükség.
• Folyamatos hullámos doppleres (CWD, continuous wave doppler) képalkotási módban legalább 160 dB dinamikatartomány szükséges. Az impulzushullámos (PWD) és a folyamatos hullámos doppleres (CWD) képalkotási mód esetében különösen fontos az 1/f zajérték, mivel mindkét kép tartalmazza az 1 kHz alatti kisfrekvenciás spektrumelemet, a fáziszaj pedig az 1 kHz feletti Doppler-frekvencia-spektrumot befolyásolja.

Ezeket a követelményeket nem könnyű teljesíteni. Mivel az ultrahangos jelátalakítók frekvenciája jellemzően 1 MHz és 15 MHz közötti, ezen a tartományon belül minden kapcsolásifrekvencia-zaj hatással lesz rá. Ha a PWD- és CWD-spektrumon belül intermodulációs frekvenciák vannak (100 Hz és 200 kHz között), akkor a Doppler-képeken látható zajspektrumok jelennek meg, ami az ultrahangos rendszerben elfogadhatatlan. A rendszer legnagyobb teljesítménye és a legjobb képminőség (tisztaság, dinamikatartomány, nincsenek zaj miatti foltok a képen és egyéb minőségmutató értékek) eléréséhez fontos, hogy megvizsgáljuk azokat a forrásokat, amelyek a jelminőség és a jel–zaj viszony romlását okozzák.

Az első nyilvánvaló: a csillapítás miatt a test mélyebben fekvő szöveteiből és szerveiből (például a vesékből) érkező visszavert jelek sokkal gyengébbek, mint a jelátalakítóhoz közeliekből visszavertek. Ezért a visszavert jelet az analóg bemenőoldali eszköz „felerősíti” úgy, hogy a jel az analóg bemenőoldali eszköz bemeneti tartományának minél nagyobb részét foglalja el. Ehhez egy automatikus erősítésszabályozó (AGC, automatic gain control) funkciót használ. Ez az automatikus erősítésszabályozó funkció hasonló a vezeték nélküli rendszerekben használt ugyanilyen célú funkcióhoz, ahol az automatikus erősítésszabályozó kiértékeli a vett vezeték nélküli rádiófrekvenciás jelerősséget (RSS, received signal strength), és több tíz decibeles tartományban dinamikusan helyesbíti annak véletlenszerű, előre megjósolhatatlan változásait.

Az ultrahangos berendezéseknél azonban más a helyzet, mint a vezeték nélküli összeköttetésnél. Itt az útvonal csillapítása hozzávetőlegesen ismert, ahogyan az akusztikus energia terjedési sebessége is – a lágy szövetekben 1540 m/s, vagyis csaknem ötször gyorsabb, mint a levegőben történő terjedés, amely körülbelül 330 m/s –, ennélfogva a csillapítás mértéke is ismert.

Ezen ismeretek alapján az analóg kezelőoldali eszköz változó erősítésű erősítőt (VGA, variable-gain amplifier) használ, amely időbeli erősítéshelyesbítő (TGC, time-gain compensation) erősítőként van kialakítva. Ennek a változó erősítésű erősítőnek dB-ben lineáris az erősítése, és úgy van beállítva, hogy egy lineáris emelkedésű vezérlő fűrészfeszültség az idő előrehaladtával növeli az erősítést, hogy nagymértékben kiegyenlítse a csillapítás hatását. Ez maximálisra növeli a jel–zaj viszonyt és az analóg kezelőoldali eszköz dinamikatartományának kihasználását.

Zajfajták és csillapításuk módja

Bár a testen belüli és a beteg által kiváltott jelzajt az ultrahangos rendszer tervezője nem tudja befolyásolni, a rendszer saját zaját kezelni és szabályozni kell. Ehhez fontos, hogy megértsük, milyen zajfajták vannak, mik azok hatásai, és mit lehet tenni a csökkentésük érdekében. A főbb problémás területek a kapcsolóüzemű feszültségszabályozó kapcsolási zaja, a jellánc, az órajel és az áramellátás okozta fehér zaj, valamint az áramköri elrendezés miatt fellépő zaj.

• A kapcsolóüzemű feszültségszabályozó kapcsolási zaja: A legtöbb kapcsolóüzemű feszültségszabályozó egy egyszerű ellenállást használ a kapcsolási frekvencia beállításához. Ezen ellenállás névleges értékének elkerülhetetlen tűrése különböző kapcsolási frekvenciákat és harmonikusokat eredményez, mivel az egymástól független különböző feszültségszabályozók frekvenciái keverednek, és keresztmodulálják egymást. Vegyük figyelembe, hogy egy 400 kHz-es egyenfeszültség-szabályozóban még egy kis tűrésű, 1%-os pontosságú ellenállás is 4 kHz-es harmonikusfrekvenciát eredményez, ami megnehezíti a harmonikusok kézben tartását.

Jobb megoldás, ha olyan kapcsolásszabályozó IC-t választunk, amelynek van az IC egyik (SYNC) lábán keresztül megvalósított szinkronizálási funkciója. Ezt a funkciót használva egy külső órajel elosztható a különböző szabályozókra, hogy azok mind ugyanolyan frekvencián és ugyanabban a fázisban kapcsoljanak. Ez kiküszöböli a névleges frekvenciák és az azokból eredő harmonikusok keveredését.

Az LT8620 például egy jó hatásfokú, nagy sebességű kapcsolóüzemű monolitikus szinkron feszültségcsökkentő feszültségszabályozó, amely tág bemeneti feszültségtartományt fogad egészen 65 V-ig, és mindössze 2,5 μA nyugalmi áramot vesz fel (2. ábra). A kis hullámosságú (búgófeszültségű) teljesítménynövelt üzemmódban (burst mode) való működés lehetővé teszi a jó hatásfokot egészen nagyon kis kimeneti áramokig, miközben a kimeneti búgófeszültséget 10 mV értéken (csúcstól csúcsig) tartja. A SYNC láb lehetővé teszi a felhasználó által beállított szinkronizálást egy 200 kHz – 2,2 MHz közötti külső órajelhez.

2. ábra: A jó hatásfokú Analog Devices LT8620 kapcsolóüzemű feszültségcsökkentő feszültségszabályozónak van egy SYNC lába, hogy az órajelét szinkronizálni lehessen más rendszerórajelekkel, minimálisra csökkentve ezzel az órajelekben jelentkező intermodulációs hatásokat (kép: Analog Devices)

Egy másik megoldás, ha olyan kapcsolóüzemű feszültségszabályozót használunk, amely véletlenszerű, szórt spektrumú órajeleket használ, hogy a keletkező elektromágneses zavarást (EMI) szélesebb sávra terjessze ki, minden adott frekvencián csökkentve annak csúcsértékét. Bár ez vonzó megoldás lehet egyes olyan felhasználási területeken, ahol a jel–zaj viszony kevésbé létfontosságú, és inkább az elektromágneses zavarásra vonatkozó követelmények teljesítése a lényegesebb, a szélesebb spektrumban létrejövő harmonikusok miatt bizonytalanságokat eredményez, ezért nehezebb kézben tartani a harmonikusokat. Például egy 400 kHz-es tápegységben az elektromágneses zavarás figyelembe vételéhez használt 20%-os kapcsolásifrekvencia-szórás nulla és 80 kHz közötti harmonikusfrekvenciákat eredményez. Így, bár az elektromágneses zavarási „tüskék” csökkentésének ez a megközelítése segíthet abban, hogy az eszköz megfeleljen a vonatkozó szabályozási előírásoknak, az ultrahangos rendszer jel-zaj viszonyra vonatkozó különleges igényei szempontjából akár még káros hatású is lehet.

Az állandó kapcsolási frekvenciájú kapcsolóüzemű feszültségszabályozók segítenek elkerülni ezt a problémát. Az ADI cég Silent Switcher feszültségszabályozó-családja és μModul szabályozócsaládja állandó frekvenciájú kapcsolást használ. Ugyanakkor elektromágneses zavaráscsökkentést is kínálnak választható szórt spektrumú technikákkal, hogy kiváló tranziensválaszt nyújtsanak a szórt spektrummal kapcsolatos bizonytalanságok nélkül.

A Silent Switcher szabályozócsalád nem korlátozódik kizárólag a kisebb teljesítményű feszültségszabályozókra. Az LTM8053 például egy 40 V_IN (legnagyobb) bemenőfeszültségű, a kimenetén 3,5 A folyamatos, 6 A csúcsáram leadására képes feszültségcsökkentő feszültségszabályozó, amely egy kapcsolóüzemű feszültségszabályozót, teljesítménykapcsolókat és egy tekercset (induktor) tartalmaz, valamint az összes támogató alkatrészt. Az eszköz teljessé tételéhez már csak be- és kimeneti szűrőkondenzátorokra van szükség (3. ábra). Az IC 0,97–15 V közötti kimenőfeszültség-tartomány és a 200 kHz és 3 MHz közötti kapcsolásifrekvencia-tartomány használatát teszi lehetővé, mindegyiket egyetlen ellenállással beállítva.

3. ábra: Az LTM8053 a Silent Switcher termékcsalád tagja. A kimenetén 3,5 A folyamatos/6 A csúcsáram leadására képes. 3,4 V és 40 V közötti bemenőfeszültséget fogad, és tág, 0,97–15 V közötti a kimenőfeszültség-tartománya (kép: Analog Devices)

Az LTM8053 egyedi tokozása segít alacsony szinten tartani az elektromágneses zavarást, és a nagyobb kimenő áramerősséget tesz lehetővé. A Silent Switcher µModule szabályozóban lévő rézoszlopos, hordozóanyagra helyezett félvezetőszeletes (flip-chip) technikát használó tokozás segít csökkenteni a parazitainduktivitást és optimalizálni a tüskéket és a holtidőt, ami lehetővé teszi a nagy sűrűségű áramkör-kialakítást és a nagy áramleadási képességet kis tokban (4. ábra). Ha nagyobb áramerősségre van szükség, párhuzamosan is köthető több LT8053.

4. ábra: Az LTM8053 (és más Silent Switcher eszközök is) egy rézoszlopos, hordozóanyagra helyezett félvezetőszeletes (flip-chip) technikájú eszközt tartalmaz, ami lehetővé teszi a nagy sűrűségű áramkör-kialakítást és a nagy áramleadási képességet kis tokban, miközben minimálisra csökkenti a parazitainduktivitást (kép: Analog Devices)

A Silent Switcher termékcsaládnál használt technika és topológia nem korlátozódik az egykimenetű feszültségszabályozókra. Az LTM8060 egy négycsatornás, 40 V_IN bemenőfeszültségű Silent Switcher μModul feszültségszabályozó, 3 A-es, állítható kimeneti értékű tömbbel (5. ábra). 3 MHz-ig működik, és egy kis méretű (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm), fröccsöntött műanyag tokos, gömblábas rácselrendezésű (BGA, ball grid array) tokozásban van.

5. ábra: Az LTM8060 egy négycsatornás, állítható kimeneti értékű μModul tömb csatornánként 3 A kimenőárammal, kis méretű, mindössze 11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm-es tokban (kép: Analog Devices)

Ennek a négycsatornás eszköznek az egyik érdekessége, hogy kimenetei különböző konfigurációkban párhuzamosíthatók a különböző terhelőáram-igényeknek megfelelően, legfeljebb 12 A-ig (6. ábra).

6. ábra: Az LTM8060 négy 3 A-es kimenete különböző párhuzamos konfigurációkban rendezhető el a készülék egyenáramú sínre vonatkozó követelményeinek megfelelően (kép: Analog Devices)

Összefoglalva, a Silent Switcher feszültségszabályozók számos előnyt kínálnak a zaj, a harmonikusok és a hűtési teljesítmény tekintetében (7. ábra)

7. ábra: A Silent Switcher feszültségszabályozó család legfontosabb jellemzői a fontos tervezési szempontokat szem előtt tartva (kép: Analog Devices)

• Fehér zaj: Az ultrahangos rendszerekben sok fehérzaj-forrás is van, ami háttérzajt, valamint a képen megjelenő „foltokat” okoz. Ez a zaj elsősorban a jelláncból, az órajelből és az áramellátásból származik. Ha az érzékeny analóg alkatrészek tápcsatlakozójához egy kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozót adunk, az megoldhatja ezt a problémát.

Az ADI következő generációs kis feszültségkülönbségű (LDO) feszültségszabályozóinak, mint például az LT3045, rendkívül alacsony, 1 μV hatásos feszültség körüli a zajszintjük (10 Hz és 100 kHz között), és akár 500 mA kimenőáramot is lehetővé tesznek 260 mV jellemző feszültségesés mellett (8. ábra). Az üzemi nyugalmi áramuk névlegesen 2,3 mA, ami kikapcsolt állapotban jóval 1 μA alá csökken. Más alacsony zajszintű kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozók is beszerezhetőek a 200 mA és 3 A közötti áramerősség lefedésére.

8. ábra: Az LT3045 kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozók (LDO) a 200 mA és 3 A közötti áramerősség-tartományban rendkívül alacsony, 1 μV hatásos feszültség körüli zajszintjükről nevezetesek (kép: Analog Devices)

• A nyomtatott áramköri lap elrendezése: A legtöbb nyomtatott áramköri lap elrendezése során gondot jelent, ha egymás közelében vannak vezetve a kapcsolóüzemű tápegységekből kijövő nagy áramerősségű vezetőcsíkok és az alacsony jelszintű vezetőcsíkok, mert az előbbiekből származó zaj átcsatolódhat az utóbbiakba. Ezt a kapcsolási zajt általában a bemeneti kondenzátor, a magasoldali MOSFET, az alacsonyoldali MOSFET és a vezetékezés, a vezetőcsíkok vonalvezetése és az alkatrészbekötések miatti parazitainduktivitások által létrehozott „aktív hurok” okozza.

A szokásos megoldás egy csillapító áramkör hozzáadása az elektromágneses zajkibocsátás csökkentése érdekében, de ez egyben csökkenti a hatásfokot is. A Silent Switcher architektúra javítja a teljesítményt, és nagy kapcsolási frekvencia mellett is fenntartja a jó hatásfokot azáltal, hogy a két ellentétes oldalon két aktív hurkot (úgynevezett „kettéosztást”) hoz létre ellentétes irányú zajkibocsátással, ami körülbelül 20 dB-lel csökkenti az elektromágneses zavarást (9. ábra).

9. ábra: A Silent Switcher az áramfolyási utat kettéosztó két ellentétes „aktív hurok” létrehozásával jelentősen, mintegy 20 dB-lel csökkenti az elektromágneses zavarást (kép: Analog Devices)

Hatásfok kontra zaj

Úgy tűnhet, hogy ha a tápegység zaja és a lehetséges hatásfok között kompromisszumot kell kötni, akkor az ultrahangos készülékekben a rendkívül alacsony zajszint élvez elsőbbséget. Végül is néhány milliwattal több veszteség rendszerszinten nem jelenthet akkora terhet a „nagy képet” tekintve. Miért ne növelhetnénk továbbá a jelátalakító által impulzusszerűen kibocsátott energiát, hogy növeljük az impulzusjel erősségét, és ezáltal javítsuk a visszavert jel–zaj viszonyt?

Ez a kompromisszum azonban egy másik problémát okoz: ez pedig a jelátalakítót, a piezoelektromos elem meghajtóegységét, az analóg bemeneti egységet és más elektronikus áramköröket is tartalmazó kézi digitális szonda önmelegedése. A szonda villamos energiájának egy része elveszik a piezoelektromos elemben, az optikában és a kitöltőanyagban, ami a jelátalakító melegedését okozza. A jelátalakítófejben keletkező akusztikusenergia-veszteséggel együtt ez a szonda hőmérséklet-emelkedéséhez vezet.

A jelátalakító felületi hőmérsékletének van egy megengedett felső határértéke. Az IEC 60601-2-37 (2007. évi módosítás) szabvány ezt a hőmérsékletet 50 °C-ra korlátozza, ha a jelátalakító a levegőbe, és 43 °C-ra, ha emberi testnek megfelelő fantomba (szabványos testszimulátor) sugároz. Ez utóbbi határérték azt jelenti, hogy a bőrt (amely jellemzően 33 °C-os) legfeljebb 10 °C-kal nagyobb hő érheti. Így az összetett jelátalakítók esetében számottevő tervezési szempont a jelátalakító melegedése. Ezek a hőmérsékleti határértékek nagymértékben korlátozhatják a használható akusztikus kimenőteljesítményt, az elérhető egyenáramú teljesítménytől függetlenül.

Összegzés

Az ultrahangos képalkotás széles körben használt, felbecsülhetetlen értékű, nem invazív és kockázatmentes orvosi képalkotó eszköz. Bár az alapelv elméletileg egyszerű, egy hatékony képalkotó rendszer megtervezése jelentős mennyiségű bonyolult áramkört, valamint a különböző aláramkörök táplálására több egyenfeszültség-szabályozót igényel. Ezeknek a feszültségszabályozóknak és teljesítményüknek jó hatásfokúaknak, ugyanakkor a visszavert akusztikus jelek energiájára vonatkozó szélsőséges jel–zaj viszonyra és dinamikatartományra vonatkozó előírások miatt nagyon alacsony zajszintűeknek kell lenniük. Mint látható, az Analog Devices kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozói és Silent Switcher IC-i megfelelnek ezeknek a követelményeknek anélkül, hogy a helykihasználás, az elektromágneses zavarás vagy más kulcsfontosságú jellemzők rovására mennének.

Kapcsolódó tartalom

1. Maxim/Analog Devices, 4696. sz. oktatóanyag, Overview of Ultrasound Imaging Systems and the Electrical Components Required for Main Subfunctions (Az ultrahangos képalkotó rendszerek áttekintése és a főbb részfunkciókhoz szükséges villamos alkatrészek)
2. Analog Devices, Silent Switcher™ Technology by Analog Devices (Az Analog Devices Silent Switcher™ technikája) (videó)
3. Analog Devices, Low Noise Silent Switcher μModule and LDO Regulators Improve Ultrasound Noise and Image Quality (Az alacsony zajszintű Silent Switcher μModul kis feszültségkülönbségű feszültségszabályozók csökkentik az ultrahang zaját és javítják a képminőséget)
4. Analog Devices, Silent Switcher Devices Are Quiet and Simple (A Silent Switcher eszközök csendesek és egyszerűek)