Современные системы ультразвуковой диагностики (УЗИ) – это сложные электронные комплексы, объединяющие высокочастотные аналоговые тракты, цифровую обработку сигналов, системы питания и вычислительные модули высокой производительности.
Качество визуализации, точность диагностики и надежность работы аппарата напрямую зависят от характеристик используемой элементной базы – операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, FPGA-модулей, источников питания и интерфейсных микросхем.
Бренды, входящие в портфель «Матрикс Электроника», поставляют компоненты, востребованные на всех этапах разработки и производства УЗИ‑систем. Номенклатура охватывает ключевые функциональные узлы: от приемопередающего тракта и цифровой обработки до вторичного питания и каналов отображения данных.
Типовая архитектура УЗИ‑аппарата
Условно архитектура УЗИ-системы включает несколько ключевых узлов:
- ультразвуковой датчик, передающий и приемный аналоговый тракты УЗИ-системы;
- блок цифровой обработки сигналов (как правило, на основе FPGA);
- модуль питания и различная вспомогательная электроника.
Каждый из этих блоков предъявляет собственные требования к электронным компонентам:
- низкий уровень шумов и высокая скорость преобразования для аналогового тракта;
- высокая вычислительная производительность для цифровой обработки;
- стабильное и малошумящее питание для чувствительных измерительных цепей.
FPGA в ультразвуковых системах
Современные аппараты ультразвуковой диагностики предъявляют крайне высокие требования к вычислительной платформе. Система должна одновременно обрабатывать большое количество каналов, выполнять цифровую фильтрацию, формирование диаграммы направленности, доплеровскую обработку, синхронизацию передающих и приёмных трактов, а также формировать изображение в реальном времени. По этой причине одной из ключевых технологий в УЗИ-оборудовании являются ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) типа FPGA (Field-Programmable Gate Array).
В отличие от классических микропроцессоров, FPGA позволяют реализовывать параллельную обработку большого числа потоков данных с минимальными задержками. Это особенно важно для ультразвуковых систем, где одновременно могут обрабатываться десятки или сотни каналов от массива пьезоэлектрических преобразователей.
Для подобных задач могут использоваться FPGA-модули компании Alinx, специализирующейся на системах на модуле или SOM (System-on-Module) и отладочных платах на базе FPGA компаний AMD/Xilinx. В качестве примера можно привести модуль ACAU25, построенный на базе AMD Artix UltraScale+ FPGA.
Модуль ACAU25 ориентирован на высокопроизводительные встраиваемые системы обработки сигналов и содержит:
- FPGA AMD/Xilinx Artix UltraScale+;
- память DDR4;
- QSPI Flash;
- высокоскоростные трансиверы GTY;
- большое количество пользовательских линий ввода/вывода;
- компактный SOM-формат для встраиваемых систем.
Использование готовых FPGA-модулей позволяет существенно сократить сроки разработки УЗИ-оборудования, упростить проектирование высокоскоростной цифровой части и ускорить вывод медицинской системы на рынок.
Ультразвуковой датчик (зонд)
Ультразвуковой датчик является ключевым элементом УЗИ-системы, непосредственно взаимодействующим с пациентом. Внутри зонда располагается массив пьезоэлектрических элементов, преобразующих электрические импульсы в ультразвуковые волны и обратно – отражённые акустические сигналы в электрические. В зависимости от типа исследования используются линейные, конвексные, фазированные и другие типы массивов, содержащие от нескольких десятков до сотен отдельных каналов.
Помимо самих пьезоэлементов, современный ультразвуковой датчик включает целый набор электронных узлов:
- высоковольтные и высокотоковые усилители;
- цепи защиты и согласования;
- датчики температуры и сервисная электроника.
Одной из особенностей пьезоэлектрических преобразователей является их выраженный емкостной характер нагрузки. Для формирования коротких ультразвуковых импульсов необходимо быстро заряжать и разряжать емкость пьезоэлементов, что требует высокой скорости нарастания сигнала и значительного импульсного тока. Именно поэтому в передающем тракте УЗИ широко применяются высокотоковые операционные усилители и драйверы.
В качестве примера такого компонента можно привести высоковольтный высокотоковый операционный усилитель с rail-to-rail входами и выходами SGM8421-1 компании SGMICRO. Микросхема способна обеспечивать пиковый выходной ток до 3 А и обладает высокой скоростью нарастания сигнала 65 В/мкс, что делает её подходящей для управления емкостной нагрузкой ультразвуковых преобразователей.
Подобные усилители могут использоваться в составе передающих каскадов ультразвукового датчика для возбуждения пьезоэлектрических элементов, формирования мощных коротких импульсов и повышения эффективности излучения ультразвуковой волны. Высокий выходной ток позволяет быстрее перезаряжать емкость преобразователя, а высокая скорость нарастания сигнала обеспечивает крутые фронты импульсов, что положительно влияет на глубину сканирования и качество получаемого изображения.
Отдельное внимание в конструкции ультразвукового датчика уделяется тепловому режиму. Во время работы зонда передающие каскады рассеивают значительную мощность, пьезоэлементы и согласующие цепи нагреваются, корпус зонда ограничивает теплоотвод. Перегрев может привести к изменению характеристик пьезоэлементов, деградации акустического сигнала, снижению точности диагностики; необходимости ограничивать режим работы системы. Поэтому внутри зонда практически всегда присутствует датчик температуры, который контролирует локальный нагрев, передаёт данные в систему управления, участвует в алгоритмах защиты и используется для калибровки и стабильности измерений.
В качестве решения для температурного мониторинга может использоваться многоканальный цифровой датчик температуры EMC1414 компании UMW. Это SMBus/I²C-совместимый датчик, который способен измерять локальную температуру внутри зонда, контролировать до трёх удалённых температурных каналов, обеспечивать точность порядка ±1°C и работать с разрешением до 0.0625°C.
Благодаря архитектуре с поддержкой удалённых диодных датчиков, EMC1414 особенно удобен для УЗИ-зондов, где можно размещать чувствительный элемент рядом с силовыми передатчиками, вблизи акустического массива или в зоне максимального тепловыделения.
Использование микросхемы класса EMC1414 позволяет реализовать точный тепловой мониторинг нескольких зон зонда одновременно, отслеживать как локальную температуру чипа, так и внешние горячие точки, передавать данные по цифровой шине в основную систему и упрощать защитные алгоритмы без сложной аналоговой обвязки. В контексте УЗИ-систем это особенно важно, поскольку зонд является герметичным, компактным, с ограниченным теплоотводом и одновременно высоконагруженным по мощности узлом.
Поскольку ультразвуковой зонд подключается к основной системе многожильным кабелем и одновременно содержит высокочувствительные аналоговые цепи, внутри зонла применяются специализированные компоненты защиты от:
- электростатических разрядов (ESD);
- импульсных перенапряжений;
- помех переключения;
- электромагнитных наводок.
Для подобных задач могут использоваться компоненты Leiditech, специализирующегося на ESD-защите. Компания выпускает TVS-диоды, MOV-варисторы, PPTC-предохранители и т.п. Для УЗИ-зондов особенно интересны ультранизкоемкостные TVS/ESD-диоды, поскольку обычные защитные компоненты могут ухудшать характеристики высокочастотного аналогового тракта.
Например, серия ULC компании Leiditech обладает паразитной емкостью порядка 0.25–0.5 пФ, что позволяет применять такие компоненты в высокоскоростных и чувствительных сигнальных цепях. В качестве примера можно привести ULC0504P компании Leiditech – четырёхканальный массив TVS-диодов с ультранизкой паразитной емкостью, предназначенный для защиты высокоскоростных и чувствительных сигнальных линий. Компонент рассчитан на рабочее напряжение 5 В и обладает типовой емкостью порядка 0.4 пФ на канал, что позволяет минимизировать влияние защитной схемы на характеристики аналогового тракта.
Микросхема обеспечивает защиту от электростатических разрядов в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2 (до ±18 кВ при воздушном разряде; до ±15 кВ при контактном разряде). Дополнительно ULC0504P поддерживает защиту от переходных и импульсных перенапряжений, возникающих в длинных кабельных линиях и при коммутации сигналов. Использование многоканальных TVS-массивов позволяет повысить устойчивость УЗИ-зонда к ESD и электромагнитным помехам без заметного ухудшения параметров высокочастотного тракта.
Передающий тракт ультразвуковой системы
Передающий тракт УЗИ-системы (Ultrasonic TX) отвечает за формирование электрических импульсов, возбуждающих пьезоэлектрические элементы ультразвукового датчика. Именно этот узел определяет параметры акустического сигнала – амплитуду, форму импульса, длительность и фазировку каналов, от которых напрямую зависят глубина сканирования, разрешение и качество визуализации.
В современных УЗИ-системах различные цифровые узлы могут работать с разными уровнями напряжения (1,2 В, 1,8 В, 2,5 В или 3,3 В). При этом драйверы передающего тракта и периферийные узлы могут использовать собственные домены питания. Для корректного взаимодействия между ними применяются преобразователи логических уровней. В качестве такого компонента может использоваться SGM8T245S компании SGMICRO. Это 8-битный двунаправленный трансивер с функцией преобразования уровней напряжения. Микросхема поддерживает независимые напряжения питания двух сторон в диапазоне от 1,2 до 5,5 В и обеспечивает двунаправленный обмен между различными логическими доменами.
Подобные микросхемы могут использоваться между FPGA и высоковольтными драйверами, в линиях управления переключателями трактов приема и передачи, в системах формирования луча и в интерфейсах управления передающим трактом.
Для формирования управляющих и аналоговых сигналов в составе передающего тракта применяются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
Они используются для:
- задания формы импульса;
- генерации многоуровневых сигналов;
- формирования опорных напряжений;
- калибровки каналов;
- управления усилением.
В качестве примера можно привести SGM71632H4 компании SGMICRO – четырехканальный 16-битный высокоточный ЦАП с выходным диапазоном до ±16 В. Микросхема поддерживает SPI-интерфейс с частотой до 50 МГц, обладает малым уровнем шумов и обеспечивает интегральную нелинейность в пределах ±1 LSB.
Благодаря многоканальной архитектуре и расширенному диапазону выходного напряжения такие ЦАП могут применяться в системах управления передающим трактом, в схемах формирования возбуждающих сигналов, для настройки высоковольтных усилителей и в калибровочных и сервисных подсистемах УЗИ-аппарата.
После ЦАП и схем согласования уровней сигнал поступает в высоковольтный усилительный каскад, формирующий импульс, необходимый для возбуждения пьезоэлектрических элементов датчика. Для подобных задач могут использоваться высокотоковые операционные усилители, такие как ранее рассмотренный SGM8421-1 компании SGMICRO. Такие компоненты обеспечивают высокую скорость нарастания сигнала и способны работать с емкостной нагрузкой ультразвукового преобразователя.
Аналоговый интерфейс и приёмный тракт УЗИ-системы
После прохождения ультразвуковой волны через ткани и получения отражённого сигнала начинается один из наиболее чувствительных этапов работы УЗИ-системы, а именно обработка эхо-сигнала. Амплитуда принимаемых сигналов может составлять единицы микровольт, поэтому к аналоговому интерфейсу предъявляются крайне высокие требования по уровню шумов, динамическому диапазону и точности преобразования.
Типовой аналоговый тракт УЗИ-системы включает: малошумящий усилитель, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, антиалиасинговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь, источники опорного напряжения, сервисные ЦАП и интерфейсные узлы.
Одним из ключевых элементов аналогового интерфейса УЗИ-системы является высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Именно он выполняет оцифровку усиленного эхо-сигнала, поступающего после МШУ и антиалиасингового фильтра.
От параметров АЦП напрямую зависят динамический диапазон, чувствительность и детализация изображения. В качестве решения для подобных задач компания SGMICRO предлагает SGM5101. Это 14-битный высокоскоростной АЦП с частотой дискретизации до 40 MSPS. Микросхема предназначена для работы с высокочастотными сигналами и приложений с широким динамическим диапазоном, включая системы визуализации и медицинское оборудование.
SGM5101 обеспечивает также отношение сигнал/шум до 72.8 дБ, полосу входного тракта до 575 МГц и отсутствие пропущенных кодов. Такие характеристики делают SGM5101 подходящим решением для высокоскоростного приёмного тракта УЗИ, систем медицинской визуализации и цифровой обработки широкополосных сигналов.
Помимо АЦП, в составе аналогового интерфейса и сервисных аналоговых подсистем используются ЦАП. Они применяются для формирования опорных уровней, калибровочных сигналов, настройки усиления и управления аналоговыми узлами системы. В качестве примера можно привести SGM5353-16. Это 16-битный одноканальный ЦАП компании SGMICRO с SPI-совместимым интерфейсом. Микросхема поддерживает питание от 2,7до 5,5 В и формирует выходное напряжение в диапазоне от 0 В до VREF.
SGM5353-16 обладает: гарантированной монотонностью, интегральной нелинейностью 1 LSB, временем установления 1,5 мкс, низким уровнем шумов и малым глитчем (1,2 нВ·с).
Блок питания УЗИ-аппарата
Основная функция блока питания в УЗИ-аппарате – преобразовать первичное напряжение сети 220 В во вторичное напряжение постоянного тока, предназначенное для питания остальных компонентов системы. Для этого в ассортименте компании Belling имеются две микросхемы AC/DC преобразователя, как с регулированием по первичной цепи преобразователя (PSR), так и по вторичной цепи (SSR).
В качестве PSR-преобразователя предлагается BL8802, который выпускается в корпусе DIP-7. Эта микросхема имеет в своем составе полевой транзистор на 1000 В и обеспечивает выходную мощность 15 Вт.
ШИМ-преобразователь BL8851, выпускаемый в корпусе SOT23-6, позволяет сформировать схему с SSR-преобразователем. Эта микросхема обеспечивает выходную мощность 60 Вт и при этом использует внешний полевой транзистор.
Напряжение, полученное от таких AC/DC преобразователей, по шинам питания распределяется на различные компоненты ПЛК посредством DC/DC преобразователей и LDO-стабилизаторов.
Итоги
Современная ультразвуковая система представляет собой сложный комплекс высокочувствительной аналоговой, высокоскоростной цифровой и силовой электроники.
Все рассмотренные электронные компоненты решения компаний Alinx, SGMICRO, Belling, Leiditech для построения УЗИ-систем доступны для поставки через компанию «Матрикс Электроника».
Подбор компонентов для медицинской техники редко сводится к поиску позиции по артикулу. Чаще нужно найти аналог, который сохранит характеристики схемы и уложится в бюджет проекта. «Матрикс Электроника» закрывает полный цикл: подбираем функциональные аналоги, сопровождаем инженерно, поставляем печатные платы и компоненты, а также берём на себя контрактную сборку.
Пришлите перечень позиций для вашего УЗИ-аппарата — вернёмся с вариантами и сроками.
- эл. почта info@gcmatrix.com
- заявка через сайт
- телефон +7 (383) 383-08-05
