כיצד לשפר את איכות התמונה של מערכת אולטרסאונד באמצעות ספקי-כוח עם רעש אולטרה-נמוך

טכנולוגיית אולטרסאונד, כלי לא-פולשני בשימוש נרחב באבחון רפואי ויישומים אחרים, התקדמה מתמונות סטטיות לדינמיות, ומהצגה בשחור-לבן לתמונות דופלר צבעוניות. השיפורים החשובים הללו הם במידה רבה הודות להכנסת טכנולוגיית אולטרסאונד דיגיטלית. אמנם חידושים אלו הגדילו את היעילות והוורסאטיליות של דימות אולטרסאונד, אך חשוב באותה מידה למערכות אלו להציע איכות תמונה משופרת באמצעות חידושים בקצה בחון האולטרסאונד ובקצה-הקדמי האנלוגי (AFE) הדוחפים את הבחון וקולטים את האותות החוזרים.

אחד המכשולים להשגת איכות תמונה משופרת זו הוא רעש, ולכן מטרת התכן היא לשפר את יחס האות לרעש (SNR) של המערכת. ניתן להשיג זאת באופן חלקי על ידי התמודדות עם הרעש הנובע מפסי הספקת-הכוח השונים במערכת. שימו לב שרעש כזה אינו ישות אחת ופשוטה. במקום זאת, יש לו תכונות ומאפיינים שונים הקובעים כיצד הוא משפיע בסופו של דבר על ביצועי המערכת.

מאמר זה יבחן את העיקרון הבסיסי של דימות אולטרסאונד, ולאחר מכן יתמקד בגורמים שונים המשפיעים על איכות התמונה, בעיקר הרעש מספקי הכוח. המאמר ישתמש בהתקני מייצבי DC-DC של Analog Devices כדוגמאות לרכיבי ספקי-כוח היכולים לשפר מאוד את ה-SNR והיבטים אחרים של ביצועי מערכת אולטרסאונד.

יסודות דימות אולטרסאונד

הרעיון הוא פשוט: יוצרים פולס אקוסטי חד, ואז "מקשיבים" להד החוזר שלו כאשר הוא נתקל במכשולים או ממשקים שונים בין האיברים והאימפדנסים האקוסטיים השונים שלהם. על ידי ביצוע רצפי החזרות פולסים אלה שוב ושוב, ניתן להשתמש בהחזרות ליצירת תמונה של המשטחים המחזירים.

עבור רוב אופני האולטרסאונד, מערך המתמרים הפייזואלקטריים שולח מספר מוגבל של מחזורי גל (בדרך כלל שניים עד ארבעה) כפולס. התדר של גלים אלו בכל מחזור הוא בדרך כלל בתחום של 2.5 עד 14 מגה-הרץ (MHz‏). המערך מבוקר באמצעות טכניקות של יצירת אלומה הדומות לאנטנת RF‏ Phased Array‏, כך שניתן למקד ולבקר את פולס האולטרסאונד הכולל ליצירת סריקה. לאחר מכן, המתמר (Transducer) עובר לאופן קליטה כדי לחוש את הגלים המוחזרים מתוך הגוף.

שימו לב שיחס תזמון שידור/קליטה הוא בדרך כלל כ-1%/99%, עם תדר חזרת פולס בין 1 ל-10 קילו-הרץ (kHz) בדרך כלל. על סמך מדידת זמן הפולס משידורו ועד לקליטת ההד, ועם ידיעת המהירות בה מתפשטת אנרגיית האולטרסאונד דרך רקמת הגוף, ניתן לחשב את המרחק מהמתמר לאיבר או לממשק המחזיר את הגל. אמפליטודת הגלים החוזרים קובעת את בהירות הפיקסלים המוקצים להחזרות בתמונת האולטרסאונד, לאחר עיבוד דיגיטלי משמעותי.

הבנת דרישות המערכת

למרות הפשטות הרעיונית של העיקרון הבסיסי, מערכת דימות אולטרסאונד שלמה ומתקדמת היא התקן מסובך (איור 1). הביצועים האולטימטיביים של המערכת נקבעים במידה רבה על ידי המתמר והקצה-קדמי אנלוגי (AFE), בעוד שהעיבוד שלאחריהם של האות המוחזר הדיגיטלי מאפשר לאלגוריתמים שיפורים נוספים.

באופן לא מפתיע, רעש מערכת מסוגים שונים הוא אחד הגורמים המגבילים את איכות התמונה והביצועים, שוב בדומה לקצב שגיאות הביטים (BER) לעומת SNR במערכות תקשורת דיגיטליות.

איור 1: מערכת דימות אולטרסאונד שלמה היא שילוב מורכב של כמות משמעותית של פונקציונליות אנלוגית, דיגיטלית, הספק ועיבוד; ה-AFE מגדיר את גבולות ביצועי המערכת. (מקור התמונה: Analog Devices)

קיים מתג שידור/קליטה (T/R) בין מערך המתמרים הפייזואלקטריים לבין האלקטרוניקה האקטיבית. תפקידו של מתג זה הוא למנוע מאותות שידור במתח גבוה הדוחפים את המתמר מלהגיע ולפגוע ב-AFE בצד הקליטה במתח נמוך. לאחר שהאות המוחזר הנקלט מוגבר ומאוכשר, הוא מועבר לממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC) של ה-AFE, שם הוא עובר דיגיטציה ועיבוד ושיפור תמונה מבוססי-תוכנה.

לכל אחד מאופני הדימות השונים של מערכת אולטרסאונד יש דרישות שונות עבור התחום הדינמי - ובהתאם גם לדרישות SNR - או לרעש:

• עבור אופן תמונה בשחור-לבן נדרש תחום דינמי של 70 דציבלים (dB); רצפת הרעש חשובה מכיוון שהיא משפיעה על העומק המקסימלי שבו ניתן לראות את הד האולטרסאונד החלש ביותר בשדה הרחוק. זה נקרא חדירה, אחד ממאפייני המפתח של אופן שחור-לבן.
• עבור אופן דופלר גל פולסים (PWD) נדרש תחום דינמי של dB‏ 130‏.
• עבור אופן דופלר גל רצוף (CWD‏) יש צורך ב-dB‏ 160‏. שימו לב שרעש f‏/1‏ הוא חשוב במיוחד עבור אופני PWD ו-CWD, מכיוון ששתי התמונות הללו כוללות את אלמנט הספקטרום בתדר נמוך מתחת ל-kHz‏ 1‏, ורעש הפאזה משפיע על ספקטרום תדר הדופלר הגבוה מ-kHz‏ 1‏.

לא קל לעמוד בדרישות אלו. מכיוון שתדר מתמר האולטרסאונד הוא בדרך כלל מ-1 מגה-הרץ עד 15 מגה-הרץ, הוא יושפע מכל רעש של תדר מיתוג בתחום זה. אם יש תדרי אינטרמודולציה בתוך הספקטרום של PWD ו-CWD (מ-100 הרץ עד 200 קילו-הרץ), ספקטרום הרעש הברור יופיע בתמונות הדופלר, דבר שאינו מתקבל על הדעת במערכת האולטרסאונד. עבור ביצועי המערכת ואיכות התמונה המקסימליים (בהירות, תחום דינמי, היעדר כתמים בתמונה וספרות האיכות האחרות), חשוב לבחון את המקורות שגורמים לאיבוד איכות האות ולירידה ב-SNR.

הראשון ברור: עקב הניחות, ההחזרים מרקמות ואיברים עמוקים יותר בגוף (כגון כליות) חלשים הרבה יותר מאלה הקרובים למתמר. לכן האות החוזר "מוגבר" על ידי ה-AFE כך שהוא תופס כמה שיותר מתחום הכניסה של ה-AFE. לשם כך משתמשים בפונקציית בקרת הגבר אוטומטית (AGC). פונקציית AGC זו דומה לזו המשמשת במערכות אלחוט שבהן ה-AGC מעריך את עוצמת האות הנקלט (RSS) של RF אלחוט ומפצה באופן דינמי על השינויים האקראיים והבלתי-צפויים שלו על פני תחום של עשרות דציבלים.

עם זאת, המצב שונה ביישום האולטרסאונד מאשר בקישור אלחוט. במקום זאת, ניחות הנתיב ידוע בקירוב, וכך גם מהירות התפשטות האנרגיה האקוסטית - 1540 מטר לשנייה (m/s‏) ברקמה רכה, או בערך פי חמישה ממהירות ההתפשטות באוויר של כ-330 מטר לשנייה - ולפיכך קצב הניחות ידוע גם כן.

על בסיס ידע זה, ה-AFE משתמש במגבר עם הגבר-משתנה (VGA) המתפקד כמגבר פיצוי הגבר-זמן (TGC‏). הגבר ה-VGA זה הוא ליניארי ב-dB ומוגדר כך שמתח בקרה ליניארי-לעומת-הזמן מגדיל את ההגבר-לעומת-הזמן כדי לפצות במידה רבה על הניחות. זה ממקסם את ה-SNR ואת השימוש בתחום הדינמי של ה-AFE.

סוגי הרעש וכיצד לטפל בהם

למרות שרעש האות בתוך-הגוף והמושרה על ידי המטופל אינם בשליטתו של מתכנן מערכת האולטרסאונד, יש לנהל ולבקר את רעש המערכת הפנימי. לשם כך חשוב להבין את סוגי הרעש, השפעתם ומה ניתן לעשות כדי להפחית אותם. התחומים הבעייתיים העיקריים הם רעש המייצב הממותג; רעש לבן עקב שרשרת האותות, השעון והספקת-הכוח; והרעש הקשור לפריסת המעגלים.

• רעש המייצב הממותג: מרבית המייצבים הממותגים משתמשים בנגד פשוט כדי להגדיר את תדר המיתוג. הטולרנס הבלתי-נמנע של הערך הנומינלי של נגד זה מציג תדרי מיתוג והרמוניות שונות כאשר התדרים של מייצבים עצמאיים שונים מתערבבים וגורמים למודולציה-צולבת אחד עם השני. קחו בחשבון שגם נגד עם טולרנס צר עם אי-דיוק של 1% גורם לתדר הרמוניות של 4 קילו-הרץ במייצב DC-DC של 400 קילו-הרץ, ההופך את ההרמוניות לקשות יותר לבקרה.

פתרון טוב יותר הוא לבחור IC של מייצב ממותג עם מאפיין סינכרון הממומש באמצעות חיבור SYNC על אחד מפיני המארז שלו. באמצעות מאפיין זה, שעון חיצוני יכול לפלג אות למייצבים השונים כך שכולם ממתגים באותם תדר ופאזה. זה מבטל את הערבוב בין התדרים הנומינליים לבין תוצרי ההרמוניות הנלווים.

לדוגמה, ה-LT8620 הוא מייצב ממותג מוריד-מתח מונוליתי סינכרוני במהירות גבוהה ועם נצילות גבוהה, המקבל תחום מתחי כניסה רחב של עד 65 וולט וצורך רק 2.5 מיקרו-אמפר (μA) של זרם רגיעה (איור 2). פעולת "אופן פרץ (Burst‏)" עם האדווה הנמוכה שלו מאפשרת נצילות גבוהה עד לזרמי יציאה נמוכים ביותר תוך שמירה על אדוות יציאה של מתחת ל-10 מילי-וולט (mV) שיא-לשיא. פין SYNC מאפשרת סינכרון מבוסס-משתמש לשעון חיצוני מ-200 קילו-הרץ עד 2.2 מגה-הרץ.

איור 2: המייצב הממותג מוריד-מתח עם נצילות גבוהה LT8620 כולל פין SYNC כך שניתן לסנכרן את השעון שלו עם שעוני מערכת אחרים, תוך מזעור השפעות האינטרמודולציה של השעון. (מקור התמונה: Analog Devices)

טכניקה נוספת היא שימוש במייצב ממותג המשתמש בשעון Spread Spectrum‏ אקראי כדי לפזר את ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI) הנוצרות על פני פס-תדרים רחב יותר, ולהוריד את ערך השיא שלו בכל תדר ספציפי. למרות שזהו פתרון אטרקטיבי עבור יישומים מסוימים שהם פחות קריטיים ל-SNR ויותר עוסקים בעמידה בדרישות ה-EMI, הוא מכניס אי-ודאות בהרמוניות הנוצרות על פני ספקטרום רחב יותר המקשות על הבקרה שלהם. לדוגמה, פריסת תדר מיתוג של 20% לטובת שיקולי EMI גורמת לתדרים הרמוניים בין אפס ל-80 קילו-הרץ בספק-כוח של 400 קילו-הרץ. לכן, בעוד שגישה זו להורדת "שיאים" של EMI עשויה לסייע בעמידה בדרישות הרגולטוריות הרלוונטיות, היא עשויה לגרום לתוצאה הפוכה עבור צורכי ה-SNR המיוחדים של תכני אולטרסאונד.

מייצבים ממותגים עם תדר קבוע עוזרים למנוע בעיה זו. למשפחת מייצבי מתח Silent Switcher‏ ומייצבי μModule‏ של ADI‏ יש מיתוג בתדר-קבוע. יחד עם זאת, הם מציעים ביצועי EMI עם טכניקות Spread Spectrum‏ ניתנות-לבחירה, כדי לספק היענות טרנזיינטים מעולה מבלי להכניס את אי-הוודאות הקשורה ב-Spread Spectrum‏.

גם משפחת המייצבים Silent Switcher אינה מוגבלת רק למייצבים בהספק נמוך יותר. לדוגמה, ה-LTM8053‏ הוא _IN‏V‏ 40‏ (מקסימום), A‏ 3.5‏ רצוף, A‏ 6‏ שיא, מייצב מוריד-מתח הכולל בקר מיתוג, מתגי הספק, משרן וכל הרכיבים התומכים. כדי להשלים את התכן יש צורך רק בקבלי מסנן כניסה ויציאה (איור 3). הוא תומך בתחום מתחי יציאה בין 0.97 עד 15 וולט, ובתחום תדרי מיתוג של 200 קילו-הרץ עד 3 מגה-הרץ, כשכל אחד מוגדר על-ידי נגד יחיד.

איור 3: ה-LTM8053 ממשפחת Silent Switcher יכול לספק זרם רצוף של A‏ 3.5‏ וזרם שיא של A‏ 6‏; הוא מקבל כניסה של 3.4 עד 40 וולט ויכול לספק יציאות בתחום רחב של 0.97 עד 15 וולט. (מקור התמונה: Analog Devices)

המארז הייחודי של ה-LTM8053 עוזרת לשמור על EMI נמוך ביחד עם יציאת זרם גבוה יותר. מארז Flip-Chip‏ עמוד נחושת במייצב µModule‏ Silent Switcher‏ מסייע להפחית את ההשראות הפרזיטית ולמטב שיאים וזמן מת, ומאפשר תכן בצפיפות גבוהה ויכולת זרם גבוה במארז קטן (איור 4). אם יש צורך ביותר זרם, ניתן לחבר מספר התקני LT8053‏ במקביל.

איור 4: ה-LTM8053 (והתקני Silent Switcher אחרים) משלבים Flip-Chip‏ עמוד נחושת, המאפשר תכן בצפיפות גבוהה ויכולת זרם גבוה במארז קטן תוך מזעור השראות פרזיטית. (מקור תמונה: Analog Devices)

הטכנולוגיה והטופולוגיה של קו Silent Switcher אינן מוגבלות למייצבים עם יציאה-יחידה. ה-LTM8060‏ הוא מייצב μModule‏ Silent Switcher‏ _IN‏V‏ 40‏ עם ארבעה ערוצים ועם מערך יציאה A‏ 3‏ ניתן-להגדרה (איור 5). הוא פועל עד 3 מגה-הרץ והוא ארוז ב-Ball Grid Array‏ (BGA) יצוק וקומפקטי (11.9 מ"מ × 16 מ"מ × 3.32 מ"מ).

איור 5: ה-LTM8060 הוא מערך ניתן-להגדרה μModule עם ארבעה ערוצים ועם יציאה של A‏ 3‏לכל ערוץ במארז קומפקטי בגודל של 11.9 מ"מ × 16 מ"מ × 3.32 מ"מ בלבד. (מקור התמונה: Analog Devices)

אחד ההיבטים המעניינים של התקן ארבעה-ערוצים זה הוא שניתן לחבר את היציאות שלו במקביל בתצורות שונות כדי להתאים לצרכים שונים של זרם עומס, עד למקסימום של A‏ 12‏ (איור 6).

איור 6: ניתן לסדר את ארבעת יציאות A‏ 3‏ של ה-LTM8060 בתצורות מקביליות שונות כדי להתאים לדרישות פסי DC של היישום. (מקור התמונה: Analog Devices)

לסיכום, מייצבי Silent Switcher מציעים יתרונות רבים מבחינת רעש, הרמוניות וביצועים תרמיים (איור 7).

איור 7: מוצגות תכונות המפתח של משפחת Silent Switcher‏ של מייצבים ביחס להיבטי תכנון חשובים. (מקור התמונה: Analog Devices)

• רעש לבן: ישנם גם מקורות רעש לבן רבים במערכת אולטרסאונד, המובילים לרעש רקע ו"כתמים" בתמונה. רעש זה מגיע בעיקר משרשרת האותות, השעון והספקת-הכוח. הוספת מייצב עם מפל-מתח נמוך (LDO) בפין הספקת-הכוח של רכיב אנלוגי רגיש יכולה לפתור זאת.

למייצבי LDO של הדור-הבא של ADI, כגון LT3045, יש רמת רעש אולטרה-נמוכה של כ-1 מיקרו-וולט (μV‏) rms‏ (10 הרץ עד 100 קילו-הרץ), ומספקים יציאת זרם של עד mA‏ 500‏ עם מפל-מתח טיפוסי של mV‏ 260‏ (איור 8). זרם הרגיעה הנומינלי בפעולה הוא mA‏ 2.3‏ והוא יורד נמוך הרבה יותר מ-μA‏ 1‏ באופן כיבוי. קיימים מייצבי LDO‏ עם רעש נמוך אחרים זמינים עבור כיסוי זרמים מ-mA‏ 200‏ עד A‏ 3‏.

איור 8: מייצבי LT3045 LDO ידועים ברעש האולטרה-נמוך שלהם של כ- μV‏ 1‏ בתחום הזרמים מ-mA‏ 200‏ עד A‏ 3‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

• פריסת הלוח: ברוב פריסות לוחות PCB‏ יש קונפליקט בין הפסים המוליכים של אותות עם זרם גבוה מספקי-כוח ממותגים לבין הפסים המוליכים הסמוכים של אותות עם זרם ברמה נמוכה, מאחר ורעש מהראשון יכול להיצמד לתוך השני. רעש מיתוג זה נוצר בדרך כלל על ידי "חוג חם" שנוצר על ידי קבל הכניסה, MOSFET צד-עליון, MOSFET צד-תחתון, והשראויות פרזיטיות עקב חיווט, ניתוב והתקשרות.

הפתרון הסטנדרטי הוא הוספת מעגל מגביל זרם (Snubber‏) כדי להפחית את הפליטה האלקטרומגנטית, אך זה מקטין את הנצילות. ארכיטקטורת Silent Switcher משפרת את הביצועים ושומרת על נצילות גבוהה גם בתדר מיתוג גבוה על ידי יצירת חוג חם הפוך (המכונה "פיצול") באמצעות פליטות דו-כיווניות תוך הפחתת EMI בכ-dB‏ 20‏-(איור 9).

איור 9: על ידי כינון "חוג חם" מנוגד המפצל את נתיב זרימת הזרם, ה-Silent Switcher מוריד משמעותית את ה-EMI בכ-dB‏ 20‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

נצילות לעומת רעש

ניתן היה לחשוב שאם יש צורך בפשרות בין רעשי ספק-הכוח לבין נצילות פוטנציאלית, הדרישה לרעש אולטרה-נמוך ביישומי אולטרסאונד תגבר. אחרי הכול, עוד כמה מיליוואטים של פיזור לא אמורים להכביד כל כך ברמת "התמונה הגדולה" של המערכת. יתרה מכך, מדוע לא להגדיל את אנרגיית הפולסים של המתמר כדי להגדיל את עוצמת אות הפולס ובכך את ה-SNR החוזר?

אבל לפשרה הזו יש סיבוך נוסף: ההתחממות-העצמית בבחון הדיגיטלי המוחזק ביד ומכיל את המתמר, דוחף האלמנט הפייזואלקטרי, AFE ומעגלים אלקטרוניים אחרים. חלק מהאנרגיה החשמלית של הבחון מתפזר באלמנט הפייזואלקטרי, בעדשה ובחומר הציפוי האחורי, ובכך גורם לחימום המתמר. ביחד עם אנרגיה אקוסטית המבוזבזת בראש המתמר, זה יגרום לחימום ולעליית הטמפרטורה בבחון.

קיימת הגבלה על טמפרטורת פני השטח המקסימלית המותרת של המתמר. תקן IEC‏ ‎60601-2-37‏ (Rev 2007) מגביל טמפרטורה זו ל-50°C כאשר המתמר משדר לתוך אוויר, ו-43°C בעת שידור לתוך פנטום מתאים (סימולטור גוף סטנדרטי); המגבלה האחרונה משמעותה שניתן לחמם את העור (בדרך כלל ב-33°C) ב-10°C לכל היותר. לפיכך, התחממות המתמר היא שיקול תכנוני משמעותי במתמרים מורכבים. מגבלות טמפרטורה אלו עשויות להגביל למעשה את היציאה האקוסטית שניתן להשתמש בה, ללא תלות בהספק DC זמין.

סיכום

דימות אולטרסאונד הוא כלי דימות רפואי בשימוש נרחב, רב ערך, לא-פולשני וללא-סיכון. למרות שהעיקרון הבסיסי פשוט מבחינה קונספטואלית, תכנון מערכת דימות יעילה דורש כמות משמעותית של מעגלים מורכבים, ביחד עם מספר מייצבי DC כדי להזין את תת-המעגלים השונים שלה. מייצבים אלו וההספק הקשור איתם חייבים להיות יעילים, אך גם להיות בעלי רעש נמוך ביותר עקב דרישות ה-SNR הקיצוני והתחום הדינמי מאנרגיית האות האקוסטי המוחזר. כפי שהוצג, LDOs ו-Silent Switcher ICs של Analog Devices‏ עומדים בדרישות אלו מבלי להתפשר על מקום, EMI או תכונות מפתח אחרות.

תוכן קשור

1. Maxim/Analog Devices, מדריך למידה 4696 "סקירה כללית של מערכות דימות אולטרסאונד והרכיבים החשמליים הנדרשים עבור התת-פונקציות העיקריות"
2. Analog Devices‏, "טכנולוגיית ™Silent Switcher של Analog Devices‏" (סרטון)
3. Analog Devices‏, "מייצבי LDO‏ ו-μModule‏ Silent Switcher‏ עם רעש נמוך משפרים את הרעש ואיכות התמונה של האולטרסאונד"
4. Analog Devices‏, "התקני Silent Switcher‏ הם שקטים ופשוטים"