簡介
由於應用物理及電子學的研究及發展，醫療成像領域受益極多，尤其在儀器、影像擷取及建模等方面。由於超音波本身完全無侵入性，因此在各種成像模式中佔有特殊地位，為內臟研究提供了可靠的方法。超音波技術用於醫療用途已逾半世紀之久，然而，這類的必要設備不僅體積龐大，而且價格昂貴，直到最近才特別以離散式元件進行製作。
由於半導體製程技術的進展，如此的趨勢正在持續變化之中，目前已能夠完全以半導體 IC 製作超音波收發器。現在，運用低電壓的 IC 技術，能夠製作出顯著高增益及低雜訊效能的超音波接收器晶片。同樣地，在高電壓方面，愈來愈多人關注驅動超音波傳感器的收發器 IC 製作。本文概述超音波收發器晶片設計上的進展及面臨的難題。
綜觀超音波系統：傳輸及接收功能
簡單來說，超音波系統的運作原理是產生用於患者身上的音波，然後接收反射訊號並加以處理，以形成患者身體的影像。傳送至身體內的原始音波是由傳感器所產生，而傳感器一般是由發送器產生的電子脈衝所發動。同樣地，反射音波是由傳感器所接收，然後轉換回電子形式，產生的訊號經過最終處理，即可確定相關身體部位的內部結構。
圖 1 顯示完整醫療超音波系統的典型結構。傳輸路徑能夠以多種不同的方法達成。此路徑包含一個波束形成器，以及多個電位轉換器、閘極驅動器與高電壓開關，其輸出會傳送至超音波傳感器。通常以壓電材質製作的傳感器能夠將高電壓電子訊號轉換為音波，這是系統的最終輸出。
圖 1：完整醫療超音波系統的典型結構示意圖。
就某些系統而言，在透過數位邏輯驅動輸出級的傳輸路徑中，訊號始終維持數位性質，不過，您也能夠以類比方式建立訊號，並傳輸至傳感器，而其中需要一個能夠將波束形成器輸出轉換為類比格式的數位類比轉換器 (DAC)，接著，在將訊號傳送至傳感器之前，需要針對產生的訊號進行類比放大。
超音波系統的接收路徑使用的是類比方法。由於接收訊號的振幅遠低於傳輸訊號，因此前端包括一個低雜訊放大器，以及某種增益控制區塊。過濾非相關高頻率部份之後，產生的訊號會透過類比數位轉換器 (ADC) 轉換為數位形式，而類比數位轉換器的輸出則由波束形成器來處理。
超音波收發器系統的其他重要部份包括能夠交錯進行多個通道活動的多工器，以及能夠控制轉換器及收發器電子元件之間訊號流量的傳輸/接收開關。傳輸/接收開關的其中一項重要功能是在傳輸事件期間保護接收器，因為傳輸過程會產生遠高出接收器區塊可承受的極高傳輸線路電壓。
超音波系統需求：傳輸路徑的難題
電壓範圍及運作頻率
本文目前所述的超音波系統能夠產生各種訊號樣式來滿足不同成像模式的需求。在某個極端情況中，通常會發現 B 模式及諧波成像應用需要高電壓 (60 至 100 V)、低負載週期 (0.5 至 2.0%) 訊號。在另一種極端情況中，連續波 (CW) 都卜勒型成像模式需要低電壓 (3 至 10 V)、100% 負載週期訊號。
這表示，在 1 至 20 MHz 基本頻率範圍中，相應的負載週期條件需要超音波系統的收發器電路產生 ±3V 至 ±100V 的輸出電壓。
顯然收發器輸出的 ±100V 需求需要高電壓開關。收發器包括一個 IC 時，則需要能夠承受大電場的高電壓電晶體，因此，收發器無法在一般用於 CW 運作的低電壓 (<10V) 下發揮效用。設計能夠在電壓範圍的兩種極端情況下達到產品規範的收發器，仍然是不易解決的難題。
輸出電壓的寬範圍並不是製作超音波收發器元件唯一的難題，其他方面的挑戰將在以下逐一闡述。
迴轉率
根據前文所述的電壓擺幅及運作頻率，收發器可能必須產生高達 8 V/ns 的迴轉率。由於傳感器需要 100 W 及 300pF 的一般平行負載，因此可看出收發器在最嚴苛的情況下會提供接近 3 A 的暫態電流 (圖2)。
圖 2：±100 V 電源供應下的一般超音波收發器輸出，以及流入 100 Ω 及 300 pF 平行負載的相應瞬間電流。
諧波失真
超音波收發器的理想輸出是正弦曲線訊號，這類訊號可滿足最高電壓振幅及運作頻率需求。您可以產生矩形脈衝，完全不需要產生這類難以產生的類比訊號。由於受到傳感器本身低通濾波特性的先天限制，這類脈衝僅侷限於前幾個諧波。在其餘的偶次諧波中，第二個諧波一般最具破壞性。因此第二個諧波的抑制量便成為衡量超音波收發器的主要品質因數。
脈衝對稱性及歸零
一般很容易就能夠看出超音波收發器輸出的對稱性需求，然而輸出訊號不一定是長脈衝序列，而且其中可能包括一對前後均為 0V 的正負極脈衝，因此，訊號歸至 0V 的品質至關重要。這有時稱為「阻尼」函數 (圖3)，並且會對某些超音波模式產生重大影響，例如，以人體非線性為主要資訊來源的諧波成像。
因此，由正脈衝歸至 0V 與由負脈衝歸至 0V 的對稱性，以及這兩者進行的速度快慢，便成為決定輸出訊號線性品質的因素。
圖 3：快速歸零 (阻尼) 函數可提升超音波系統中輸出訊號的線性。這對於有許多脈衝的情況而言特別重要。
導通電阻
導通狀態中的輸出電晶體電阻對於超音波收發器的運作至關重要。首先，導通電阻與負載兩者會共同決定輸出訊號的升降時間，以設定可達到的輸出頻率。其次，導通電阻會直接影響功耗。根據前述的電壓及電流範圍，在超音波傳輸事件期間，會出現大量的功耗。相較於 CW 都卜勒型成像模式的低電壓與持續運作，B 模式或諧波成像等情況的高電壓與負載週期之間的相互作用會決定這類功耗的程度。
超音波收發器系統的其他重要效能參數也包括輸出訊號抖動與相位雜訊，以及通道之間的延遲匹配。
半導體發揮作用
過去數十年來，半導體技術一直是通訊及電腦產業不斷進展的根基，目前更即將為醫療技術帶來同等的突破性發展，尤其是在成像應用中。超音波也不例外，其中經歷了由傳統使用的離散式系統轉換為完全整合式半導體晶片型解決方案的過程。由於半導體 IC 具有高速、低功耗及小體積等先天優勢，因此能夠協助醫療成像廠商縮短產品上市時間、達到終端設備的可攜性、提升產品可靠性及效能，並且滿足成本效益的需求。
目前可透過單晶片 IC 解決方案來實現傳輸/接收及傳輸/接收開關功能，其中可用的 IC 收發器都能夠產生高達 8 V/ns 迴轉率的 ±100V 輸出電壓，以及低於 –40 dBc 的二階諧波失真。透過主動式阻尼架構，即可實現脈衝對稱性及快速歸零。例如，德州儀器的 TX734 是一款 ±90V、±2A、3 級、4 通道、具有主動式阻尼功能的整合式收發器。此整合式超音波脈衝器以及 16 通道類比前端晶片 AFE5851 與 8 通道傳輸/接收開關 TX810，都是超音波系統可用的 IC 解決方案。
結論
過去幾十年來，醫療成像領域有許多重大的進展。在這些進展中，超音波技術扮演著獨特的角色，從產科醫學到血管成像，乃至於某些程序中使用的針頭引導，甚至是某些良性及惡性腫瘤的治療等方面的應用，超音波均適合做為診斷工具。半導體 IC 技術使得如此的發展更為加速，各式各樣 IC 發揮了超音波系統所有主要的功能，使得臨床醫生及其他使用者能夠享受可攜性、影像高解析度及產品高可靠性等重要成果。
References
[1] W. Allison, “Fundamental Physics for Probing and Imaging,” Oxford University Press, 2006.
[2] B. Haider, “Power Drive Circuits for Diagnostic Medical Ultrasound,” IEEE Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, June 2006.
[3] M. A. Averkiou, D. N. Roundhill and J. E. Powers, “A New Imaging Technique Based on the Nonlinear Properties of Tissues,” IEEE Ultrasonics Symposium, 1997.
[4] B. Haider and R. Y. Chiao, “Higher Order Nonlinear Ultrasonic Imaging,” IEEE Ultrasonics Symposium, 1999.
關於作者
Ismail Oguzman 現任德州儀器資深 IC 設計工程師，另擔任德州儀器技術小組成員，本身擁有美國喬治亞州亞特蘭大市喬治亞理工學院物理學碩士與博士學位，以及土耳其伊斯坦堡科技科技大學電機工程學士學位。Ismail 的電子信箱為 ti_ismailoguzman@list.ti.com。
Arash Loloee 現任德州儀器資深 IC 設計工程師，另擔任德州儀器技術小組成員，本身擁有美國德州達拉斯市南美以美大學電機工程碩士與博士學位，以及美國德州北德州大學丹頓分校物理學學士學位，目前也在美國德州大學達拉斯分校講授類比電路的課程。Arash 的電子信箱為 ti_arashloloee@list.ti.com。
由於應用物理及電子學的研究及發展，醫療成像領域受益極多，尤其在儀器、影像擷取及建模等方面。由於超音波本身完全無侵入性，因此在各種成像模式中佔有特殊地位，為內臟研究提供了可靠的方法。超音波技術用於醫療用途已逾半世紀之久，然而，這類的必要設備不僅體積龐大，而且價格昂貴，直到最近才特別以離散式元件進行製作。
由於半導體製程技術的進展，如此的趨勢正在持續變化之中，目前已能夠完全以半導體 IC 製作超音波收發器。現在，運用低電壓的 IC 技術，能夠製作出顯著高增益及低雜訊效能的超音波接收器晶片。同樣地，在高電壓方面，愈來愈多人關注驅動超音波傳感器的收發器 IC 製作。本文概述超音波收發器晶片設計上的進展及面臨的難題。
綜觀超音波系統：傳輸及接收功能
簡單來說，超音波系統的運作原理是產生用於患者身上的音波，然後接收反射訊號並加以處理，以形成患者身體的影像。傳送至身體內的原始音波是由傳感器所產生，而傳感器一般是由發送器產生的電子脈衝所發動。同樣地，反射音波是由傳感器所接收，然後轉換回電子形式，產生的訊號經過最終處理，即可確定相關身體部位的內部結構。
圖 1 顯示完整醫療超音波系統的典型結構。傳輸路徑能夠以多種不同的方法達成。此路徑包含一個波束形成器，以及多個電位轉換器、閘極驅動器與高電壓開關，其輸出會傳送至超音波傳感器。通常以壓電材質製作的傳感器能夠將高電壓電子訊號轉換為音波，這是系統的最終輸出。
圖 1：完整醫療超音波系統的典型結構示意圖。
就某些系統而言，在透過數位邏輯驅動輸出級的傳輸路徑中，訊號始終維持數位性質，不過，您也能夠以類比方式建立訊號，並傳輸至傳感器，而其中需要一個能夠將波束形成器輸出轉換為類比格式的數位類比轉換器 (DAC)，接著，在將訊號傳送至傳感器之前，需要針對產生的訊號進行類比放大。
超音波系統的接收路徑使用的是類比方法。由於接收訊號的振幅遠低於傳輸訊號，因此前端包括一個低雜訊放大器，以及某種增益控制區塊。過濾非相關高頻率部份之後，產生的訊號會透過類比數位轉換器 (ADC) 轉換為數位形式，而類比數位轉換器的輸出則由波束形成器來處理。
超音波收發器系統的其他重要部份包括能夠交錯進行多個通道活動的多工器，以及能夠控制轉換器及收發器電子元件之間訊號流量的傳輸/接收開關。傳輸/接收開關的其中一項重要功能是在傳輸事件期間保護接收器，因為傳輸過程會產生遠高出接收器區塊可承受的極高傳輸線路電壓。
超音波系統需求：傳輸路徑的難題
電壓範圍及運作頻率
本文目前所述的超音波系統能夠產生各種訊號樣式來滿足不同成像模式的需求。在某個極端情況中，通常會發現 B 模式及諧波成像應用需要高電壓 (60 至 100 V)、低負載週期 (0.5 至 2.0%) 訊號。在另一種極端情況中，連續波 (CW) 都卜勒型成像模式需要低電壓 (3 至 10 V)、100% 負載週期訊號。
這表示，在 1 至 20 MHz 基本頻率範圍中，相應的負載週期條件需要超音波系統的收發器電路產生 ±3V 至 ±100V 的輸出電壓。
顯然收發器輸出的 ±100V 需求需要高電壓開關。收發器包括一個 IC 時，則需要能夠承受大電場的高電壓電晶體，因此，收發器無法在一般用於 CW 運作的低電壓 (<10V) 下發揮效用。設計能夠在電壓範圍的兩種極端情況下達到產品規範的收發器，仍然是不易解決的難題。
輸出電壓的寬範圍並不是製作超音波收發器元件唯一的難題，其他方面的挑戰將在以下逐一闡述。
迴轉率
根據前文所述的電壓擺幅及運作頻率，收發器可能必須產生高達 8 V/ns 的迴轉率。由於傳感器需要 100 W 及 300pF 的一般平行負載，因此可看出收發器在最嚴苛的情況下會提供接近 3 A 的暫態電流 (圖2)。
圖 2：±100 V 電源供應下的一般超音波收發器輸出，以及流入 100 Ω 及 300 pF 平行負載的相應瞬間電流。
諧波失真
超音波收發器的理想輸出是正弦曲線訊號，這類訊號可滿足最高電壓振幅及運作頻率需求。您可以產生矩形脈衝，完全不需要產生這類難以產生的類比訊號。由於受到傳感器本身低通濾波特性的先天限制，這類脈衝僅侷限於前幾個諧波。在其餘的偶次諧波中，第二個諧波一般最具破壞性。因此第二個諧波的抑制量便成為衡量超音波收發器的主要品質因數。
脈衝對稱性及歸零
一般很容易就能夠看出超音波收發器輸出的對稱性需求，然而輸出訊號不一定是長脈衝序列，而且其中可能包括一對前後均為 0V 的正負極脈衝，因此，訊號歸至 0V 的品質至關重要。這有時稱為「阻尼」函數 (圖3)，並且會對某些超音波模式產生重大影響，例如，以人體非線性為主要資訊來源的諧波成像。
因此，由正脈衝歸至 0V 與由負脈衝歸至 0V 的對稱性，以及這兩者進行的速度快慢，便成為決定輸出訊號線性品質的因素。
圖 3：快速歸零 (阻尼) 函數可提升超音波系統中輸出訊號的線性。這對於有許多脈衝的情況而言特別重要。
導通電阻
導通狀態中的輸出電晶體電阻對於超音波收發器的運作至關重要。首先，導通電阻與負載兩者會共同決定輸出訊號的升降時間，以設定可達到的輸出頻率。其次，導通電阻會直接影響功耗。根據前述的電壓及電流範圍，在超音波傳輸事件期間，會出現大量的功耗。相較於 CW 都卜勒型成像模式的低電壓與持續運作，B 模式或諧波成像等情況的高電壓與負載週期之間的相互作用會決定這類功耗的程度。
超音波收發器系統的其他重要效能參數也包括輸出訊號抖動與相位雜訊，以及通道之間的延遲匹配。
半導體發揮作用
過去數十年來，半導體技術一直是通訊及電腦產業不斷進展的根基，目前更即將為醫療技術帶來同等的突破性發展，尤其是在成像應用中。超音波也不例外，其中經歷了由傳統使用的離散式系統轉換為完全整合式半導體晶片型解決方案的過程。由於半導體 IC 具有高速、低功耗及小體積等先天優勢，因此能夠協助醫療成像廠商縮短產品上市時間、達到終端設備的可攜性、提升產品可靠性及效能，並且滿足成本效益的需求。
目前可透過單晶片 IC 解決方案來實現傳輸/接收及傳輸/接收開關功能，其中可用的 IC 收發器都能夠產生高達 8 V/ns 迴轉率的 ±100V 輸出電壓，以及低於 –40 dBc 的二階諧波失真。透過主動式阻尼架構，即可實現脈衝對稱性及快速歸零。例如，德州儀器的 TX734 是一款 ±90V、±2A、3 級、4 通道、具有主動式阻尼功能的整合式收發器。此整合式超音波脈衝器以及 16 通道類比前端晶片 AFE5851 與 8 通道傳輸/接收開關 TX810，都是超音波系統可用的 IC 解決方案。
結論
過去幾十年來，醫療成像領域有許多重大的進展。在這些進展中，超音波技術扮演著獨特的角色，從產科醫學到血管成像，乃至於某些程序中使用的針頭引導，甚至是某些良性及惡性腫瘤的治療等方面的應用，超音波均適合做為診斷工具。半導體 IC 技術使得如此的發展更為加速，各式各樣 IC 發揮了超音波系統所有主要的功能，使得臨床醫生及其他使用者能夠享受可攜性、影像高解析度及產品高可靠性等重要成果。
References
[1] W. Allison, “Fundamental Physics for Probing and Imaging,” Oxford University Press, 2006.
[2] B. Haider, “Power Drive Circuits for Diagnostic Medical Ultrasound,” IEEE Proceedings of the 18th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, June 2006.
[3] M. A. Averkiou, D. N. Roundhill and J. E. Powers, “A New Imaging Technique Based on the Nonlinear Properties of Tissues,” IEEE Ultrasonics Symposium, 1997.
[4] B. Haider and R. Y. Chiao, “Higher Order Nonlinear Ultrasonic Imaging,” IEEE Ultrasonics Symposium, 1999.
關於作者
Ismail Oguzman 現任德州儀器資深 IC 設計工程師，另擔任德州儀器技術小組成員，本身擁有美國喬治亞州亞特蘭大市喬治亞理工學院物理學碩士與博士學位，以及土耳其伊斯坦堡科技科技大學電機工程學士學位。Ismail 的電子信箱為 ti_ismailoguzman@list.ti.com。
Arash Loloee 現任德州儀器資深 IC 設計工程師，另擔任德州儀器技術小組成員，本身擁有美國德州達拉斯市南美以美大學電機工程碩士與博士學位，以及美國德州北德州大學丹頓分校物理學學士學位，目前也在美國德州大學達拉斯分校講授類比電路的課程。Arash 的電子信箱為 ti_arashloloee@list.ti.com。
