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便携式超声波医疗系统最佳解决方案

2010-09-30 16:41
林契于宸
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  随着世界人口的不断飙升,老龄化问题日益严峻,对医疗诊断及护理设备的需求持续上涨。然而目前的医疗设备都较为笨重、价格昂贵,且能耗巨大,医护人员更需要外型小巧、能源效率较高以及极具成本效益的医疗诊断设备。

  为了应对上述挑战,美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)日前宣布推出“业界首款专为便携式超声波系统而设计的8通道超声波发射/接收芯片组”。来自NSC的消息称,该款PowerWise芯片组的创新电路架构以及高度集成的特性,能够让工程师设计出小巧轻盈、影像更清晰、更易做出准确诊断的128通道便携式超声波系统。

  该公司亚太区市场总监吴渭强认为,便携式超声波系统的设计挑战来自于“供电要求”和“性能及影像分辨率”两方面。“采用电池供电的便携式系统必须尽量降低能耗,但同时必须确保设备运行时电池由始至终都能提供充足的供电”;而另一方面,“小型的设备也能确保影像分辨率,即使在现场操作也能发挥卓越性能。”

  据悉,该芯片组包括接收系统模拟前端电路(AFE)、发射/接收系统开关、发射系统脉冲发生器及可配置发射系统波束成形器。NSC提供多种易于使用的评估套件、参考电路图及设计工具,包括内含硬件和软件的全套 WaveVision 5 数据采集分析系统,以及可以支持编程和控制功能且简便易用的 GUI接口。

  NSC这款8通道芯片组由4颗芯片组成。吴渭强强调说,“芯片组的高性能及效率来自于芯片间的协同工作”。例如,只要重新配置发射系统波束成形器,便可校准电路板走线之间的延迟误差以及脉冲发生器的延迟误差。这样可大幅改善失真情况,而且还可让系统进行第二次谐波成像;发射/接收系统开关也让系统设计师在设计上有更大的灵活性,他们可以为偏压电流灵活地选择不同的设置值,以便在功耗与性能之间做出适当的取舍。

  

  模拟前端电路采用独特架构,并内置据称具备业界最高分辨率的数字可变增益放大器(DVGA)及低功耗的连续时间Sigma-delta (CTSD) 模拟/数字转换器(ADC)。确保影像质量的同时,还可将B模式的功耗尽量降低,甚至比最接近的竞争对手还低10%。吴渭强表示,DVGA具有多个传统模拟可变增益放大器所没有的优点。例如,各通道之间可以更好的校准并具有更好的信号频谱性能;CTSD ADC本身还有砖墙式混叠信号滤除功能。相比之下,采用传统流水线式ADC的模拟前端电路不但功耗较高,而且滤除混叠信号的能力也较低。

  LM96511接收系统模拟前端电路

  LM96511 模拟前端电路内置8通道的低噪声放大器、数字可变增益放大器、12位 40-50MHz并可支持LVDS数据输出的ADC以及8个解调器,以便支持连续波多普勒(CW Doppler) 波束成形功能。这款模拟前端电路的B模式最低功耗为每通道110mW,每一通道增益均可相互对准,彼此相差不超过+/-0.06dB (典型值),可确保扫描影像的质量更加清晰。内置的连续波多普勒(CW Doppler) 系统的动态范围达161dB/Hz,即使是血液流速极慢的人体器官如肝脏,也可确保准确测量。LM96511封装面积为187平方毫米,比其他同类竞争产品小27%。

  LM96530发射/接收系统开关

  LM96530芯片内置8个配备钳位二极管的发射/接收系统开关,并可独立关闭个别通道。其输入参考噪声为0.5nV/sqrt Hz,导通电阻16?,可有效提高系统的接收灵敏度及影像分辨率。该芯片的封装比分立式方案小4倍,有助于缩小电路板体积,控制功能则通过菊链式SPI接口执行,这样可减少设置参数所必要的FPGA输入/输出(I/O)引脚。

  LM96550脉冲发生器

  LM96550芯片内置8个配备阻尼器的脉冲发生器,可以产生+/-50V 的双极脉冲,峰值电流最高达2A,而脉冲频率则最高为20MHz。LM96550可以连续不断监控芯片温度,并在必要时输出关断逻辑信号,为系统提供过热保护。

  LM96570波束成形器

  LM96570芯片内置的波束成形器只产生极少信号抖动,其峰峰值抖动比FPGA芯片一向采用的波束成形器低25ps,因此可大幅提高B模式的扫描影像分辨率,同时确保可以测量采用连续波多普勒(CW Doppler) 模式时较慢的血液流速。LM96570 芯片可以精简电路板的线路布局,以便系统设计师可以将这款芯片直接放置于脉冲发生器的旁边。相比之下,若将FPGA的输入/输出引脚(I/O)连接至脉冲发生器,则必须解决常见的路径选择问题。

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