基于AD9106的超声线性发射系统设计

俞毅刚

亚德诺半导体技术(上海)有限公司，上海市，200120

基于AD9106的超声线性发射系统设计

【作者】俞毅刚

亚德诺半导体技术(上海)有限公司，上海市，200120

线性发射被认为是一种能有效提高多通道医疗超声系统信噪比的发射技术,相比较于传统的线性发射方案, 该文提出了一种

超声系统；线性发射；AD9106；图像模式

0 引言

随着医疗超声在医学诊断领域的广泛应用，医生对超声系统的各种图像模式和相应的图像质量有了越来越高的要求。提高图像质量的最重要方法之一就是提高系统电路的信噪比。在接收通道的信噪比提高越来越难的情况下，提高发射通道的信噪比，从而改善激励源的性能，成为提高系统性能的另一种思路。

目前超声系统基本都采用脉冲波发射的方案，缺点是谐波含量高，超声波束的旁瓣效应明显，不容易实现变迹。利用线性发射方案可以有效改进以上这些缺点，并能大幅度地提高发射通道的信噪比达到12 dB以上[1]。

本文提出了一种基于AD9106的的超声系统线性发射设计方案，通过这种方案容易地实现了各种超声图像的发射功能和技术，使得大幅度提高发射通道信噪比性能成为现实。

1 超声系统线性发射基本原理

相对比于脉冲波发射方案采用方波发生器和金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）产生高压发射脉冲的方式，线性发射方案采用数模转换器（Digital to Analog Converter, DAC）加上高压放大器来实现正弦波或任意波形的产生和发射，如图1所示。数字处理和控制电路，通常是在线可编程逻辑阵列 (Field Programmable Gate Array, FPGA)，会根据系统当前的配置和参数，控制DAC产生相应的发射波形，再通过高压放大器产生高压波形来激励超声探头的换能器，换能器将电压信号转换为超声波进入人体，同时接收人体产生的回波转换成电压信号并传输至发射接收切换电路，发射接收切换电路的主要目的是防止发射高压损坏低压的接收模拟前端，接收到的模拟信号进入接收电路进行信号放大，调理，然后转成数字信号进入后端数字处理部分进行相应处理。

图1 基于线性发射方案的超声系统框图Fig.1 Ultrasound system diagram based on linear transmit

2 线性发射波形序列实现

基于上面介绍的线性发射的基本原理，下面的章节将介绍基于AD9106的线性发射设计，详细描述如何实现超声系统的各种图像模式的发射波形序列的产生。

2.1 数模转换器和波形发生器AD9106芯片

本文介绍的超声线性发射电路中，选择使用美国ADI公司的4通道、低功耗、12位、180 MSPS数模转换器和波形发生器AD9106来设计和实现各种发射激励波形。这是一款专门为医疗超声发射设计的芯片，集成4 096×12位片上模式存储器，用于复杂波形生成。具有12位输出、最高180 MHz时钟正弦波发生器直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)，以及4通道DAC。存储器数据可包含直接生成的存储波形、施加于DDS输出或DDS频率调谐字的幅度调制模式。内置模式控制状态机允许用户对全部4个DAC的模式周期以及每个DAC通道信号输出的周期内起始延迟以及各自的相移进行编程。因此可以把AD9106看作是一个4通道的超声发射波束产生器加上DAC。

2.2 单焦点模式发射波形序列实现

B模式是所有超声系统中最基本的一种图像模式，这种模式使用探头上全部或者部分换能器来实现超声发射波束的孔径，取决于探头的种类、发射聚焦深度和超声波束的偏转角度。在B模式下，线性发射波形通常是1个或多个正弦波，并可以通过加窗的方法来减少波束旁瓣产生的伪影。通过Matlab生成加窗波形数据，并利用AD9106的存储器来存储，可以很容易地实现这种波形。针对探头不同换能器波束孔径的变迹技术也是加窗方法的一种典型应用，根据每个换能器所需要的发射幅度，利用AD9106提供的数字增益控制，可以非常方便地对每个DAC加上不同的增益来实现发射变迹。

超声的发射波束合成包括了整个图像场的聚焦和方向偏转，聚焦需要线性延时，方向偏转需要抛物线延时，这两种延时都可以通过设置AD9106的数字延时来控制实现。

图2是利用AD9106生成的具有不同延时的4个 DAC通道的输出波形，这4个波形是通过对调频信号进行高斯包络调幅所产生的波形。将通过算法生成的波形数据文件存入AD9106的存储器，然后通过相关寄存器配置不同的延时和增益，产生图2中具有不同延时和幅度的调频调幅波。由图2中的波形例子，我们可以看到AD9106能通过存储器数据和DDS来产生超声系统线性发射所需要的任意类型波形，不仅适用于B模式，而且适用于所有的图像发射模式。

在单焦点模式中，整个图像区域只有一个聚焦点，发射波形序列的产生流程如图3所示。当系统进入新的图像模式后，会将该图像模式的所有波形数据存入AD9106的存储器，然后AD9106会调用存储器中的当前扫描线的波形数据，根据相应的寄存器配置的波束合成延时和变迹增益，触发所有的DAC生成当前这根扫描线的波形，发射出去。同时会调用下一根扫描线的波形数据和相关配置，准备下一根扫描线的发射。

图2 AD9106产生的4通道调频调幅波Fig.2 Chirp wave generated by AD9106

图3 单焦点模式发射波形序列流程图Fig.3 Single focus mode transmit f owchart

2.3 多焦点模式发射波形序列实现

在多焦点发射模式下，2个或者更多个发射焦点用来构建实时超声图像以提高横向分辨率。整个超声波束包含多个不同深度聚焦区域的波束，最后形成超声图像的每根扫描线由这几个不同深度聚焦区域的波束合成，如图4所示。这样在每个区域都有一个焦点来提供最佳的横向分辨率，而唯一缺点是降低帧率。在接收时，系统只需要提取每个聚焦区域中相应的回波数据，来形成这一根扫描线。

如果这种多焦点成像的所有波束采用完全相同的频率、周期数和形状的波形，那么只需要在AD9106的存储器中存储一个波形，而不同通道的波形幅度和延时可以通过设置每个DAC的增益和延时来实现。如果这种多焦点成像的所有波束采用不同的波形，那么这些用到的波形都需要被存储到AD9106存储器的不同地址，然后在发射的时候通过设置不同的起始和终止地址寄存器来提取不同的数据以生成最终的每个聚焦区域的发射波形。

多焦点发射模式的发射波形序列的产生流程如图5所示，与单焦点发射模式不同的是，在发射当前扫描线后，会判断是否有聚焦区域的变化，然后AD9106 根据当前聚焦区域来调用不同的波形数据和配置再次发射扫描线。

图4 三个发射波束的多焦点发射示意图Fig.4 Multi-focus transmit illustration with 3 transmit beam

图5 多焦点模式发射波形序列流程图Fig.5 Multi-zone mode transmit f owchart with different delay prof les

上述多焦点发射模式的缺点是会降低帧频，可以利用同时发射多区域聚焦(Simultaneous Transmit Multi-zone Focusing STMF)技术来实现同时多区域聚焦，在提高横向分辨率的同时保持帧率。利用AD9106不同的DAC通道发射的2个不同延时序列的正交调频调幅波来实现STMF的波形例子如图6所示。更多延时序列的STMF也可以在AD9106的存储器中存储更多的延时档案和正交波形数据来实现，如正交调频调幅波，格雷码，贝克码等等。

图6 两个不同延时的正交调频调幅波序列STMFFig.6 Two simultaneous orthogonal chirp wave

通过使用调频调幅波可以显著地提高发射的信噪比，图7是Thanassis Misaridis和Jensen JA通过发射线性调频调幅波使发射SNR比脉冲波发射提高了10～12 dB[1]。

图7 线性调频调幅波发射波形和发射信噪比的提升[1]Fig.7 Linear frequency modulation chirp wave and SNR improvement[1]

3 结论

本文提出了一种超声系统线性发射设计方案，同时提出了单焦点和多区域聚焦发射的方法，并利用AD9106实现了方案中提出的各种发射波形。相比于传统的通过FDGA来实现发射波束和延时的方法，本文设计的发射系统能有效简化了超声系统的发射算法和电路设计，容易实现各种超声图像发射模式和技术。

[1] Misaridis T, Jensen JA. Use of modulated excitation signals in medical ultrasound. Part I: basic concepts and expected benef ts [J]. IEEE Trans Ultrason, Ferroelectr, Freq Contr, 2005, 52(2):177-191.

[2] Analog Devices Inc. Quad low power 12-bit 180 MSPS digital-to-analog converter and waveform generator, AD9106 datasheet [R/OL]. http://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/AD9106.pdf.

[3] Analog Devices Inc. Getting started with the AD9106 evaluation board and software [R/OL]. ftp://ftp.analog.com/pub/HSSP_SW/ HSCDAC/Documents/AD9106/AD9106%20Evaluation%20 Board%20Quick%20Start%20Guide.pdf.

A Linear Transmit Design of Ultrasound System Based on AD9106

【 Writer 】YU Yigang
Analog Devices (Shanghai) Co. Ltd., Shanghai, 200120

The linear transmit solution is considered as one of the technologies which can improve the signal to noise ratio (SNR) of the transmit channel of the medical ultrasound system effectively. A linear transmit design based on AD9106 is introduced. The design can reduce the system design complexity and achieve the desired functionality of the different imaging modes and techniques.

ultrasound system, linear transmit, AD9106, image mode

TN830

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.008

1671-7104(2016)05-0344-03

2016-04-06

俞毅刚，E-mail: yuyigang@foxmail.com

新的基于AD9106的线性发射设计方法，有效地降低了系统设计的难度，方便地生成各种超声图像模式的发射波形。