可攜式超音波系統是緊急重點照護檢驗（Points-of-care）所使用的一種功能最強大的診斷工具，這類非侵入性影像工具能夠使因地震、颱風等自然災害，或是道路意外事故的受害者迅速地獲得急救人員的診斷及治療。這類可攜式裝置從膝上型到手持式等大小不等、重量為 10 磅以下，並且能夠使用電池供電。由於受到新興超音波市場的普遍接受 ，例如包括醫療急救、局部麻醉及遠距照護等，因此近年來發展相當迅速。
可攜式超音波系統的重要特質與其他可攜式裝置在尺寸、重量、電池使用時間、成本及效能上都相同。開發可攜式超音波系統所面臨的主要挑戰，是如何在達到可攜性的同時並維持最佳的影像畫質。如此在可攜性與效能之間權衡取捨上，使半導體整合度更高、可配置的變化更多元，並且得以使用新型架構。
超音波系統架構
醫療超音波系統將高頻率聲音能量的脈衝集中發射到人體，然後將回傳的訊號加以處理，而形成皮下組織的影像。圖 1 的超音波系統配置圖顯示可攜式超音波系統的主要元件，轉能器陣列與波束形成電路共同負責聚集超音波。醫療轉能器通常由 8 到 512 個元件組成，其中各個元件通常各自對應一個發射/接收通道。
圖 1. 可攜式超音波系統配置圖
超音波成像是從波束形成器控制單元開始。發射波束形成器、高電壓脈衝器及高電壓多工器形成發射路徑，主要負責轉能器元件的脈衝激發。轉能器元件由壓電材質組成，能夠將高電壓電子脈衝轉換成範圍介於 1 至 15 MHz 之間的聚集高頻率聲波。這些聲波進入人體，接觸不同皮下組織之間的邊界時即反射回轉能器，然後轉換為電子訊號。經過轉換的電子訊號通過發射/接收 (T/R) 開關進入接收路徑。T/R 開關則從發射模式切換到接收模式，並防止高電壓脈衝損壞用以接收的電子元件。
電子訊號經過放大、濾波，然後由類比前端 (AFE) 轉換成數位格式。AFE是由低雜訊放大器 (LNA)、電壓控制衰減器 (VCA)、可程式增益放大器 (PGA)、抗混疊濾波器 (AAF) 及類比數位轉換器 (ADC) 所組成。LNA 可提供低雜訊放大，以達到良好的敏銳度。VCA 及 PGA 是時間增益控制 (TGC) 區塊的一部份，可改善系統的動態範圍，而且也允許增益隨時間而增加，以便在訊號通過人體而持續減弱時進行補強，然後對經過放大的訊號進行濾波，以改善其訊號雜訊比 (SNR)。產生的訊號會透過 ADC 轉換為數位格式，然後由負責接收的波束形成器加以處理。AFE 的效能可大幅提升超音波系統的尺寸、重量、電池使用時間以及影像畫質等特性。
超音波系統在功能及效能兩方面有許多差異。功能差異化主要取決於系統的數位處理功能。一般而言，主要有三種超音波系統運作模式：1、 B 模式成像可產生用於檢查組織結構及器官的灰階影像；2、 彩色都卜勒模式可產生疊加於 B 模式灰階影像的彩色影像，色碼表示血液的流向及流量；3、 頻譜都卜勒模式可提供使用者指定位置血液流速分佈的滾動顯示。
除了這三種運作模式專用的演算法，另外還有一些所有傳統超音波系統都具備的基本訊號處理功能。這些功能包括濾波、偵測、對數壓縮及掃描轉換。濾波一般為帶通濾波，用於減少雜訊，並選擇使用基本頻率 (提供較好的穿透力) 或第二次諧波 (具有更高的解析度，因為具備較佳的組織區分屬性) 進行成像。在超音波處理中，偵測是一種訊號封包擷取的過程，通常涉及希伯特轉換或使用複合旋轉機來解調低通濾波之前的訊號。對數壓縮可用於使訊號順利進入顯示的動態範圍內。掃描轉換能夠將原始資料的座標系統轉換為顯示使用的座標系統，因此能夠準確地顯示資料。
根據特定的超音波設備，數位處理路徑中也可實作其他演算法，以擷取更清晰的影像，進而提升診斷能力。這些演算法包括匹配濾波、時間頻率補償、迴音線平均、斑點雜訊抑制、訊框平滑及邊緣偵察等。當系統擁有的數位處理能力愈高，處理的靈敏性便可提高，系統產生高畫質超音波影像的功能也就愈強。
使類比前端最佳化以滿足可攜式需求
對於可攜式超音波系統而言，AFE 元件的低功耗及整合度是電池使用時間及尺寸最佳化的重要標準。這些要求通常與系統效能相衝突，因此必須兩相權衡。
首先必須取捨的是決定 AFE 的通道數量。通道數量愈少，系統便愈小愈精簡，並且可達到較長的電池使用時間。然而，通道數減少會造成影像畫質降低。一般使用 16 到 64 通道的系統即可在可攜性及影像畫質之間取得平衡。如今市面上已經有完全整合式 8 通道及 16 通道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC)。由於這些裝置採用較少的元件及較簡單的配置，因此其尺寸較小且成本也較低，同時更縮短了上市時程 (見圖 2)。
圖 2. 可攜式超音波系統較高的整合度及新型架構
AFE 元件的功耗會直接影響電池的使用壽命。AFE 的整體雜訊及線性效能與功耗密切相關。為了達到絕佳的雜訊效能，LNA 必須耗散一定程度的功率。高線性或較大的輸入訊號範圍促成了對於較高電源電壓的需求，以為避免訊號截波，同時維持動態範圍效能。由於較高的電源電壓會導致較高的功耗，如今可攜式超音波系統設計人員得以運用不同程度配置或新型架構使得設計較為彈性，可以最佳化低功耗及低雜訊。如下的例子便能夠說明效能及功耗之間的關係。
舉例來說，市面上的一些 AFE 產品如今可以提供幾種運作模式，以達到雜訊/功耗的最佳化。如此使得系統設計人員能夠使用不同程度的配置，達到系統中最佳的功耗/雜訊平衡。德州儀器的 AFE5804 是一款具有許多最佳化雜訊/功耗選項的 8 通道AFE。系統設計人員使用暫存器設定其功耗及雜訊數。這類 AFE 可以配置為101mW/通道，以取得 1.23nV/rtHz 的全鏈輸入參照雜訊 (IRN)，也可以配置為 112mW/通道，以取得 0.89nV/rtHz 的 IRN。
另一個例子是使用新型架構來達到功耗的最佳化。AFE5851 是一款未整合 LNA 的 16 通道 AFE，這是一種新型的系統架構。最佳解決方案是將 LNA 整合到轉能器中，因此，系統的雜訊數可以得到極大改善，因為 LNA 之前的訊號損耗已被最小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。5.5nV/rtHz 全鏈 IRN 的雜訊效能由於轉能器中整合 LNA 而抵消，因此，這種創新的新型可攜式系統架構既可以維持雜訊效能，同時又能符合最嚴格的低功耗要求。
值得一提的是，接收/發射 (T/R) 訊號路徑中的其他元件也可以減少功耗及尺寸。T/R 開關由防護二極體橋式電路及箝位二極體組成，長久以來都是採用離散式實作的方式。多通道完全整合式 T/R 開關如今可用來將尺寸縮減至最小程度。T/R 開關整合的取捨因素包括插入損耗、電容及串音，這些都是高階系統中最常見的因素，對於大多數可攜式應用而言已經足夠。整合式 T/R 開關解決方案可節省 50% 以上的電路板空間，因此在可攜性方面利大於弊。T/R 開關通常會持續開啟，以防接收器路徑遭受 HV 發射脈衝的損害。與二極體橋式電路相關的偏壓電流會不斷下降，而影響功耗。可程式偏壓電流是調節功耗的一種方法，例如德州儀器的 TX810 是一款整合式 8 通道 6 mm x 6 mm T/R 開關，其中包含 3 位元的介面，可用於設定 7mA 範圍的偏壓電流。超音波系統設計人員可運用這類組合來設定 7 種不同的電流設定，並且可使用斷電模式來減少功耗。
對於低負載週期的 B 模式系統功耗而言，HV 脈衝器一般不是關注的重點，但仍然有一些方法可以用來減少發射路徑的尺寸及雜訊。離散脈衝器可整合到多通道 IC 中，以使用較小及較少的元件來縮小發射路徑的尺寸。發射路徑的輸出為高電壓、正極及負極對稱脈衝，其前後均為 0V。訊號回復 0V 是減少脈衝器導致系統振鈴的關鍵，這稱為阻尼功能。德州儀器的 TX734 是一款整合式四通道 ±90V 的脈衝器，採用 9 mmx 9 mm功能 QFN 主動式阻尼封裝，能夠減少可攜式超音波系統的雜訊及尺寸。
數位處理達到可攜性的方法
使得超音波系統的數位處理元件達到可攜性不外乎選擇正確的處理元件組合。在可攜式系統中，設計人員經常誤以為元件愈少愈好，因此會尋找能夠達到一切功能的單一處理器。事實上，將少數處理元件的處理作業分開而非強迫單一處理器完成不適宜的作業，通常可達到較佳的效果。
例如，對於大多數數位處理而言，雖然 FPGA 在功耗及空間方面並非高效率的解決方案，但是低成本的 FPGA 仍然能夠取得 AFE 資料、完成波束形成，以及連接到後端處理引擎。在波束形成器之後，最好將其他處理移至數位訊號處理器 (DSP)，因為 DSP 的高可程式地即時架構較適合於超音波處理的其他部份，以產生功效較高、面積較小且靈活性較高的系統。
根據超音波系統的功能，可以考慮使用數種 DSP。德州儀器的 TMS320C6455 等高效能 DSP 擁有強大的運算能力，可有效執行所有後端超音波處理作業，而進階的單晶片系統 (SOC) 具有可執行作業系統 (OS)、人機介面及驅動顯示器的高度整合式架構。C6455 可用於各種處理器速度，包括一些系統的高階 1.2 GHz 版本，以便為這些系統實作額外的演算法來提升影像畫質或增加功能。對於真正的可攜式系統而言，低成本的 FPGA 及單 SoC (例如，德州儀器的 OMAP3530 等) 裝置可能是所有必要的處理。在這種情況下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+™ DSP核心會完成濾波、偵測、對數壓縮及掃描轉換，而 ARM® Cortex™-A8 則會運作 OS、圖形使用者介面 (GUI) 並驅動顯示器。
結論
可攜式超音波系統的使用率及功能性不斷提高。像德州儀器這類半導體公司同時擁有類比及數位裝置產品線，能更有助於開發人員在這方面改進其系統。隨著調諧半導體裝置的不斷出現，可攜式超音波系統將變得更小、更實用，引領出更佳的醫療保健裝置。
References
· Ali, M., Magee, D., & Dasgupta, U., “Signal Processing Overview of Ultrasound Systems for Medical Imaging” (SPRAB12), Texas Instruments, November 2008.
· Pailoor, Rama & Pradhan, Dev. “Digital Signal Processor (DSP) for Portable Ultrasound” (SPRAB18A), Texas Instruments, December 2008.
· Xu, X., Baier, S., Venkataraman, H., & Udupa, A. “Ultrasound imaging system design reshaped by AFEs,” Video Imaging DesignLine, September 26, 2008.
· View ultrasound system block diagrams, design considerations and related collateral: www.ti.com/ultrasound-ca.
· Download TI’s medical guide and related documents: www.ti.com/medicalguide-ca.
關於作者
Veronica Marques 現任德州儀器醫療及高可靠性產品部業務開發經理，主要負責 TI 醫療裝置類比訊號鏈產品系列的策略方向規劃、業務開發以及定義新產品。Veronica 畢業於美國喬治亞理工學院電子工程研究所，以及美國佛羅里達國際大學電子工程學系。
Mark Nadeski 現任德州儀器醫療成像 DSP 策略行銷經理，主要負責制定醫療成像 DSP 產品部的策略方向、進行市場分析及管理醫療成像 DSP 業務的協力廠商與大學計劃，Mark畢業於美國麻省理工學院電子工程學系，且獲得兩項專利。
可攜式超音波系統的重要特質與其他可攜式裝置在尺寸、重量、電池使用時間、成本及效能上都相同。開發可攜式超音波系統所面臨的主要挑戰，是如何在達到可攜性的同時並維持最佳的影像畫質。如此在可攜性與效能之間權衡取捨上，使半導體整合度更高、可配置的變化更多元，並且得以使用新型架構。
超音波系統架構
醫療超音波系統將高頻率聲音能量的脈衝集中發射到人體，然後將回傳的訊號加以處理，而形成皮下組織的影像。圖 1 的超音波系統配置圖顯示可攜式超音波系統的主要元件，轉能器陣列與波束形成電路共同負責聚集超音波。醫療轉能器通常由 8 到 512 個元件組成，其中各個元件通常各自對應一個發射/接收通道。
圖 1. 可攜式超音波系統配置圖
超音波成像是從波束形成器控制單元開始。發射波束形成器、高電壓脈衝器及高電壓多工器形成發射路徑，主要負責轉能器元件的脈衝激發。轉能器元件由壓電材質組成，能夠將高電壓電子脈衝轉換成範圍介於 1 至 15 MHz 之間的聚集高頻率聲波。這些聲波進入人體，接觸不同皮下組織之間的邊界時即反射回轉能器，然後轉換為電子訊號。經過轉換的電子訊號通過發射/接收 (T/R) 開關進入接收路徑。T/R 開關則從發射模式切換到接收模式，並防止高電壓脈衝損壞用以接收的電子元件。
電子訊號經過放大、濾波，然後由類比前端 (AFE) 轉換成數位格式。AFE是由低雜訊放大器 (LNA)、電壓控制衰減器 (VCA)、可程式增益放大器 (PGA)、抗混疊濾波器 (AAF) 及類比數位轉換器 (ADC) 所組成。LNA 可提供低雜訊放大，以達到良好的敏銳度。VCA 及 PGA 是時間增益控制 (TGC) 區塊的一部份，可改善系統的動態範圍，而且也允許增益隨時間而增加，以便在訊號通過人體而持續減弱時進行補強，然後對經過放大的訊號進行濾波，以改善其訊號雜訊比 (SNR)。產生的訊號會透過 ADC 轉換為數位格式，然後由負責接收的波束形成器加以處理。AFE 的效能可大幅提升超音波系統的尺寸、重量、電池使用時間以及影像畫質等特性。
超音波系統在功能及效能兩方面有許多差異。功能差異化主要取決於系統的數位處理功能。一般而言，主要有三種超音波系統運作模式：1、 B 模式成像可產生用於檢查組織結構及器官的灰階影像；2、 彩色都卜勒模式可產生疊加於 B 模式灰階影像的彩色影像，色碼表示血液的流向及流量；3、 頻譜都卜勒模式可提供使用者指定位置血液流速分佈的滾動顯示。
除了這三種運作模式專用的演算法，另外還有一些所有傳統超音波系統都具備的基本訊號處理功能。這些功能包括濾波、偵測、對數壓縮及掃描轉換。濾波一般為帶通濾波，用於減少雜訊，並選擇使用基本頻率 (提供較好的穿透力) 或第二次諧波 (具有更高的解析度，因為具備較佳的組織區分屬性) 進行成像。在超音波處理中，偵測是一種訊號封包擷取的過程，通常涉及希伯特轉換或使用複合旋轉機來解調低通濾波之前的訊號。對數壓縮可用於使訊號順利進入顯示的動態範圍內。掃描轉換能夠將原始資料的座標系統轉換為顯示使用的座標系統，因此能夠準確地顯示資料。
根據特定的超音波設備，數位處理路徑中也可實作其他演算法，以擷取更清晰的影像，進而提升診斷能力。這些演算法包括匹配濾波、時間頻率補償、迴音線平均、斑點雜訊抑制、訊框平滑及邊緣偵察等。當系統擁有的數位處理能力愈高，處理的靈敏性便可提高，系統產生高畫質超音波影像的功能也就愈強。
使類比前端最佳化以滿足可攜式需求
對於可攜式超音波系統而言，AFE 元件的低功耗及整合度是電池使用時間及尺寸最佳化的重要標準。這些要求通常與系統效能相衝突，因此必須兩相權衡。
首先必須取捨的是決定 AFE 的通道數量。通道數量愈少，系統便愈小愈精簡，並且可達到較長的電池使用時間。然而，通道數減少會造成影像畫質降低。一般使用 16 到 64 通道的系統即可在可攜性及影像畫質之間取得平衡。如今市面上已經有完全整合式 8 通道及 16 通道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC)。由於這些裝置採用較少的元件及較簡單的配置，因此其尺寸較小且成本也較低，同時更縮短了上市時程 (見圖 2)。
圖 2. 可攜式超音波系統較高的整合度及新型架構
AFE 元件的功耗會直接影響電池的使用壽命。AFE 的整體雜訊及線性效能與功耗密切相關。為了達到絕佳的雜訊效能，LNA 必須耗散一定程度的功率。高線性或較大的輸入訊號範圍促成了對於較高電源電壓的需求，以為避免訊號截波，同時維持動態範圍效能。由於較高的電源電壓會導致較高的功耗，如今可攜式超音波系統設計人員得以運用不同程度配置或新型架構使得設計較為彈性，可以最佳化低功耗及低雜訊。如下的例子便能夠說明效能及功耗之間的關係。
舉例來說，市面上的一些 AFE 產品如今可以提供幾種運作模式，以達到雜訊/功耗的最佳化。如此使得系統設計人員能夠使用不同程度的配置，達到系統中最佳的功耗/雜訊平衡。德州儀器的 AFE5804 是一款具有許多最佳化雜訊/功耗選項的 8 通道AFE。系統設計人員使用暫存器設定其功耗及雜訊數。這類 AFE 可以配置為101mW/通道，以取得 1.23nV/rtHz 的全鏈輸入參照雜訊 (IRN)，也可以配置為 112mW/通道，以取得 0.89nV/rtHz 的 IRN。
另一個例子是使用新型架構來達到功耗的最佳化。AFE5851 是一款未整合 LNA 的 16 通道 AFE，這是一種新型的系統架構。最佳解決方案是將 LNA 整合到轉能器中，因此，系統的雜訊數可以得到極大改善，因為 LNA 之前的訊號損耗已被最小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。5.5nV/rtHz 全鏈 IRN 的雜訊效能由於轉能器中整合 LNA 而抵消，因此，這種創新的新型可攜式系統架構既可以維持雜訊效能，同時又能符合最嚴格的低功耗要求。
值得一提的是，接收/發射 (T/R) 訊號路徑中的其他元件也可以減少功耗及尺寸。T/R 開關由防護二極體橋式電路及箝位二極體組成，長久以來都是採用離散式實作的方式。多通道完全整合式 T/R 開關如今可用來將尺寸縮減至最小程度。T/R 開關整合的取捨因素包括插入損耗、電容及串音，這些都是高階系統中最常見的因素，對於大多數可攜式應用而言已經足夠。整合式 T/R 開關解決方案可節省 50% 以上的電路板空間，因此在可攜性方面利大於弊。T/R 開關通常會持續開啟，以防接收器路徑遭受 HV 發射脈衝的損害。與二極體橋式電路相關的偏壓電流會不斷下降，而影響功耗。可程式偏壓電流是調節功耗的一種方法，例如德州儀器的 TX810 是一款整合式 8 通道 6 mm x 6 mm T/R 開關，其中包含 3 位元的介面，可用於設定 7mA 範圍的偏壓電流。超音波系統設計人員可運用這類組合來設定 7 種不同的電流設定，並且可使用斷電模式來減少功耗。
對於低負載週期的 B 模式系統功耗而言，HV 脈衝器一般不是關注的重點，但仍然有一些方法可以用來減少發射路徑的尺寸及雜訊。離散脈衝器可整合到多通道 IC 中，以使用較小及較少的元件來縮小發射路徑的尺寸。發射路徑的輸出為高電壓、正極及負極對稱脈衝，其前後均為 0V。訊號回復 0V 是減少脈衝器導致系統振鈴的關鍵，這稱為阻尼功能。德州儀器的 TX734 是一款整合式四通道 ±90V 的脈衝器，採用 9 mmx 9 mm功能 QFN 主動式阻尼封裝，能夠減少可攜式超音波系統的雜訊及尺寸。
數位處理達到可攜性的方法
使得超音波系統的數位處理元件達到可攜性不外乎選擇正確的處理元件組合。在可攜式系統中，設計人員經常誤以為元件愈少愈好，因此會尋找能夠達到一切功能的單一處理器。事實上，將少數處理元件的處理作業分開而非強迫單一處理器完成不適宜的作業，通常可達到較佳的效果。
例如，對於大多數數位處理而言，雖然 FPGA 在功耗及空間方面並非高效率的解決方案，但是低成本的 FPGA 仍然能夠取得 AFE 資料、完成波束形成，以及連接到後端處理引擎。在波束形成器之後，最好將其他處理移至數位訊號處理器 (DSP)，因為 DSP 的高可程式地即時架構較適合於超音波處理的其他部份，以產生功效較高、面積較小且靈活性較高的系統。
根據超音波系統的功能，可以考慮使用數種 DSP。德州儀器的 TMS320C6455 等高效能 DSP 擁有強大的運算能力，可有效執行所有後端超音波處理作業，而進階的單晶片系統 (SOC) 具有可執行作業系統 (OS)、人機介面及驅動顯示器的高度整合式架構。C6455 可用於各種處理器速度，包括一些系統的高階 1.2 GHz 版本，以便為這些系統實作額外的演算法來提升影像畫質或增加功能。對於真正的可攜式系統而言，低成本的 FPGA 及單 SoC (例如，德州儀器的 OMAP3530 等) 裝置可能是所有必要的處理。在這種情況下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+™ DSP核心會完成濾波、偵測、對數壓縮及掃描轉換，而 ARM® Cortex™-A8 則會運作 OS、圖形使用者介面 (GUI) 並驅動顯示器。
結論
可攜式超音波系統的使用率及功能性不斷提高。像德州儀器這類半導體公司同時擁有類比及數位裝置產品線，能更有助於開發人員在這方面改進其系統。隨著調諧半導體裝置的不斷出現，可攜式超音波系統將變得更小、更實用，引領出更佳的醫療保健裝置。
References
· Ali, M., Magee, D., & Dasgupta, U., “Signal Processing Overview of Ultrasound Systems for Medical Imaging” (SPRAB12), Texas Instruments, November 2008.
· Pailoor, Rama & Pradhan, Dev. “Digital Signal Processor (DSP) for Portable Ultrasound” (SPRAB18A), Texas Instruments, December 2008.
· Xu, X., Baier, S., Venkataraman, H., & Udupa, A. “Ultrasound imaging system design reshaped by AFEs,” Video Imaging DesignLine, September 26, 2008.
· View ultrasound system block diagrams, design considerations and related collateral: www.ti.com/ultrasound-ca.
· Download TI’s medical guide and related documents: www.ti.com/medicalguide-ca.
關於作者
Veronica Marques 現任德州儀器醫療及高可靠性產品部業務開發經理，主要負責 TI 醫療裝置類比訊號鏈產品系列的策略方向規劃、業務開發以及定義新產品。Veronica 畢業於美國喬治亞理工學院電子工程研究所，以及美國佛羅里達國際大學電子工程學系。
Mark Nadeski 現任德州儀器醫療成像 DSP 策略行銷經理，主要負責制定醫療成像 DSP 產品部的策略方向、進行市場分析及管理醫療成像 DSP 業務的協力廠商與大學計劃，Mark畢業於美國麻省理工學院電子工程學系，且獲得兩項專利。
