本應用筆記討論了MAX11905 ADC在超聲成像系統(tǒng)中的應用。它還討論了ADC所需的性能，以便為人體血液的速度測量提供最佳結果。

介紹

近年來，超聲接收器的性能有了顯著提高。這些先進的技術得益于高信噪比（SNR）和低功耗ADC技術，使用戶能夠使用高分辨率20位或更高ADC，如MAX11905。此外，低輸入電壓噪聲密度放大器可用于驅動這些ADC，并與它們配對以提供最佳性能。當這些高SNR ADC與低噪聲驅動器放大器耦合時，總SNR和總諧波失真（THD）將得到極大改善。新的高信噪比和低THDADC顯著增強了醫(yī)療超聲系統(tǒng)中的CWD性能。本應用筆記概述了如何使用超聲測量血流量，并討論了CWD超聲系統(tǒng)應用中使用的ADC為實現所需成像解決方案所需的性能。

概述

圖1顯示了超聲成像系統(tǒng)的典型框圖。該系統(tǒng)通常由換能器、高壓多路復用、高壓發(fā)射器、圖像路徑接收器、數字波束成形器、波束成形數字信號處理和顯示處理組成。相控陣超聲系統(tǒng)可以生成內部器官和結構的圖像，測量CWD部分的血流量，并通過將聲能傳輸到體內并接收和處理返回的反射來提供高度準確的血流速度信息。毫無疑問，超聲成像是最常執(zhí)行和最可靠的醫(yī)學成像程序之一，包括使用CWD測量血流，CWD連續(xù)分析從換能器發(fā)射并反射回來的超聲波。然后可以根據滴管效應計算血流速度，類似于雷達速度探測器中使用的技術，并由治安官員用來確定車輛的移動速度。

圖1.超聲成像系統(tǒng)的典型框圖。

多普勒效應

根據眾所周知的多普勒效應，聲波或光波從聲源傳播的頻率與它們到達觀察者的頻率之間存在明顯的差異，這是由觀察者和波源的相對運動產生的。當超聲波源靜止時，檢測到的頻率與發(fā)射頻率相同。但是，如果波源在運動中，則觀察到的頻率會發(fā)生變化。如果觀察者向靜態(tài)源移動，則會檢測到頻率增加。同樣，如果觀察者遠離靜態(tài)源，則會看到頻率降低。然后可以根據該頻率的變化計算速度，如公式1所示，該公式在治安官員廣泛用于檢查移動車輛速度的速度檢測器中實現。有關更多信息，請參閱多普勒效應。

VH= fD× C / （2 × fT）

其中，

VH： 車速

fD： 多普勒頻移頻率

C： 光

速 fT：發(fā)射頻率

基于這種著名的多普勒效應的相同技術也用于超聲醫(yī)療應用，例如CWD，這是大多數心臟和通用超聲成像系統(tǒng)中可用的方法，用于精確測量通常在心臟中發(fā)現的血流速度。多普勒效應是一種非常靈敏和準確的運動探測器。因此，它不僅可以用于研究血流，還可以用于測量組織運動。CWD的工作原理是超聲波的持續(xù)發(fā)射和接收，這可以通過兩個專用于發(fā)送和接收超聲波信號的換能器元件來實現，如圖1所示。此外，多普勒圖像也是實時生成的，這使得它們對超聲應用非常有用。

對于醫(yī)療應用，變送器的來源是超聲波，而不是等式2所示的光。

VB= fD× Vs/ （2 × fT）

其中，

VB： 血流速度

fD： 多普勒頻移頻率

VS： 超聲波

速度 fT：發(fā)射頻率

VS= 1540米/秒和華氏度T= 2MHz至18MHz是典型的已知值。因此，一旦獲得多普勒頻移頻率，就可以確定血流速度VB。MAX11905專門設計用于測量這種頻率偏移。

例如，如果 VS=1540米/秒，FT=2MHz 和 fD=500Hz （由MAX11905 ADC測量），血流速度測定如下：

VB= fD× VS/ （2 × fT）

VB= 500 × 1540 / （2 × 2 × 106）

VB= 19.25厘米/秒

使用MAX11905進行精密頻率測量

CWD接收器通常采用圖1所示的兩種方式之一。在一種方法中，高性能超聲系統(tǒng)通常在低噪聲放大器（LNA）輸出端提取接收到的CWD信號。然后，使用本振（LO）頻率等于發(fā)射頻率的復數混頻器對信號進行波束成形，并將其混頻到基帶進行處理。I/Q LO的相位可以逐通道調整，以改變接收到的CWD信號的相位。然后對這些混頻器的輸出信號求和，帶通濾波，并由ADC轉換。由此產生的基帶波束成形信號頻率范圍通常為100Hz至50kHz。因此，采用該輸入頻率范圍設計的ADC（如MAX11905）可以接受高于100KHz的輸入頻率，用于對I和Q CWD信號進行數字化處理。這些ADC需要以下特性才能獲得最佳性能：

精密測量：為了精確測量頻率，需要具有16位分辨率或更高分辨率且采樣速率至少為最大信號頻率10倍的ADC，例如MAX11905 20位、1.6Msps ADC。此外，為了提供最佳的輸入信號調理，使用高速和低噪聲放大器（如MAX4430）來驅動ADC。

低功耗：超聲CWD接收器是便攜式的，如圖2所示。此外，一個典型的系統(tǒng)有多達幾百個發(fā)射器和接收器。因此，低功耗非常重要。

高動態(tài)范圍：ADC需要較大的動態(tài)范圍來處理來自移動組織的大多普勒信號和來自血液的較小信號。此外，人體非線性過程產生的諧波信號，特別是二次諧波信號很強。因此，ADC必須能夠抑制這些諧波。

高信噪比：ADC需要高信噪比來平衡人體中的高信號衰減。

小尺寸：超聲CWD接收器是便攜式的。因此，尺寸確實很重要。

MAX11905專門設計用于滿足這五個要求，使其成為可靠、精密超聲應用的理想ADC。

MAX11905為20位、1.6Msps、單通道、全差分逐次逼近寄存器（SAR）ADC，內置基準緩沖器。該器件采用超低功耗設計，可直接隨采樣速率進行縮放，在 1.6Msps 時僅 9mW，如圖 3 所示。此外，該ADC還提供出色的靜態(tài)和動態(tài)性能，高SNR約為98.4dB，低THD約為-123dB，如圖4所示。此外，MAX11905采用4mm x 4mm小封裝。

圖3.MAX11905電流消耗與采樣速率的關系

圖4.MAX11905 THD性能維護應用

結論

為了準確測量醫(yī)療超聲系統(tǒng)中的血流量，需要MAX11905等精密ADC。該器件具有20位分辨率和1.6Msps的高采樣率，專門設計用于精確捕獲和測量來自CWD接收器的頻率信號。此外，MAX11905 ADC可接受大于100KHz的輸入信號頻率，可提供出色的靜態(tài)和動態(tài)性能，設計用于接受全差分輸入信號，以提供所需的高SNR。此外，MAX11905具有極低的功耗和小封裝，這對于便攜式醫(yī)療系統(tǒng)至關重要。

審核編輯：郭婷