Giới thiệu

Khi thiết kế mạch tiền khuếch đại của máy siêu âm, cần phải xem xét một số sự đánh đổi quan trọng. Các thông số hiệu suất của các thành phần trong mạch tiền khuếch đại ảnh hưởng đến hiệu suất chẩn đoán, và ngược lại. Cấu hình và mục đích của hệ thống cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn linh kiện.

Điều quan trọng là các nhà thiết kế phải hiểu rõ các yêu cầu cụ thể nào là đặc biệt quan trọng, tác động của chúng đến hiệu suất hệ thống và cách các yêu cầu đó bị ảnh hưởng bởi các hạn chế trong thiết kế mạch tích hợp (IC), cả về tích hợp hệ thống và công nghệ sản xuất bán dẫn, vốn hạn chế các lựa chọn thiết kế của người dùng. Nhận thức được những yếu tố này sẽ giúp các nhà thiết kế phân đoạn hệ thống một cách hiệu quả nhất. Chúng ta sẽ bắt đầu với tổng quan cấp cao về hệ thống, tiếp theo là giải thích chi tiết hơn về cách thức hoạt động của hệ thống siêu âm.

Giới thiệu hệ thống

Máy siêu âm y tế là một trong những bộ xử lý tín hiệu phức tạp nhất được sử dụng rộng rãi hiện nay. Giống như các máy móc tinh vi khác, việc chế tạo chúng đòi hỏi một số sự thỏa hiệp do yêu cầu về hiệu năng, nguyên lý vật lý và chi phí. Do đó, hiểu biết ở cấp độ hệ thống là điều cần thiết để nắm bắt thấu đáo chức năng và hiệu năng của các mạch tích hợp (IC) tiền khuếch đại cần thiết, đặc biệt là đối với: bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA); bộ chuyển đổi khuếch đại bù thời gian (TGC); và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC).

Trong các mạch xử lý tín hiệu siêu âm—cũng như nhiều hệ thống điện tử phức tạp khác—các thành phần xử lý tín hiệu tương tự này rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất tổng thể của hệ thống. Đặc tính của các thành phần trong mạch xử lý tín hiệu quyết định giới hạn hiệu suất của hệ thống. Một khi nhiễu và méo tín hiệu xảy ra, chúng hầu như không thể loại bỏ được. Đây là một vấn đề phổ biến trong các mạch xử lý tín hiệu thu, cho dù là hệ thống siêu âm hay hệ thống không dây.

Điều thú vị là sóng siêu âm về bản chất là hệ thống radar hoặc sonar, nhưng hoạt động ở tốc độ khác nhau rất nhiều. Các hệ thống siêu âm điển hình hoạt động dựa trên gần như cùng nguyên tắc với hệ thống radar mảng pha được tìm thấy trên máy bay thương mại và quân sự, cũng như tàu chiến. Radar hoạt động trong dải tần gigahertz, sonar trong dải kilohertz và siêu âm trong dải megahertz. Các nhà thiết kế siêu âm đã điều chỉnh và phát triển thêm các nguyên tắc điều khiển chùm tia bằng cách sử dụng mảng pha, những nguyên tắc ban đầu được các nhà thiết kế radar nghĩ ra. Ngày nay, các hệ thống này tích hợp một số thiết bị xử lý tín hiệu tinh vi nhất hiện có.

Hình 1 trình bày sơ đồ đơn giản của một hệ thống siêu âm. Trong tất cả các hệ thống như vậy, một đầu dò đa thành phần được đặt ở cuối một sợi cáp tương đối dài (khoảng 2 mét). Sợi cáp này bao gồm từ 48 đến 256 sợi vi đồng trục và là một trong những thành phần đắt tiền nhất của hệ thống. Trong hầu hết các hệ thống, người dùng có thể chọn một số đầu dò khác nhau (còn được gọi là tay cầm – tay cầm là bộ phận chứa các phần tử đầu dò và được kết nối với hệ thống thông qua cáp) để kết nối với hệ thống, cho phép họ chọn đầu dò phù hợp nhất để tạo ảnh tối ưu. Việc lựa chọn tay cầm được thực hiện thông qua một rơle cao áp (HV), rơle này bổ sung một điện dung ký sinh lớn vào điện dung của cáp.

Bộ ghép kênh/tách kênh điện áp cao (HV) được sử dụng trong một số hệ thống mảng để đơn giản hóa phần cứng phát và nhận, nhưng điều này lại làm giảm tính linh hoạt. Các hệ thống linh hoạt nhất là bộ tạo chùm tia kỹ thuật số mảng pha, thường cũng là những hệ thống đắt nhất do cần điều khiển hoàn toàn bằng điện tử cho từng kênh. Tuy nhiên, các IC tiền khuếch đại hiện đại như bộ khuếch đại khuếch đại biến đổi (VGA) AD8332 và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 12 bit AD9238 đang liên tục làm giảm chi phí trên mỗi kênh, giúp việc điều khiển hoàn toàn bằng điện tử trở nên khả thi ngay cả trong các hệ thống có chi phí trung bình đến thấp.

Trong pha truyền dẫn (Tx), bộ tạo chùm tia Tx xác định mẫu trễ và chuỗi xung để thiết lập điểm hội tụ truyền dẫn mong muốn. Đầu ra của bộ tạo chùm tia sau đó được khuếch đại bởi bộ khuếch đại truyền dẫn điện áp cao để điều khiển đầu dò. Các bộ khuếch đại này có thể được điều khiển bởi bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) để định hình lại các xung truyền dẫn nhằm cải thiện khả năng truyền năng lượng đến các phần tử của đầu dò. Thông thường, nhiều vùng hội tụ truyền dẫn (vùng) được sử dụng; nghĩa là, diện tích hình ảnh được tăng lên bằng cách tập trung năng lượng truyền dẫn sâu hơn vào bên trong cơ thể. Lý do chính để sử dụng nhiều vùng là vì cần nhiều năng lượng truyền dẫn hơn cho các điểm sâu hơn bên trong cơ thể, vì tín hiệu bị suy giảm khi nó truyền vào (và trở lại) cơ thể.

Ở phía thu (Rx), có một công tắc T/R, thường là cầu diode, có chức năng chặn xung phát điện áp cao (Tx). Bên cạnh đó là một bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) và một hoặc nhiều bộ khuếch đại tăng giảm (VGA), thực hiện bù khuếch đại theo thời gian (TGC) và đôi khi là giảm nhiễu ngang (tạo "cửa sổ" không gian để giảm thiểu nhiễu ngang trong chùm tia). Điều khiển khuếch đại theo thời gian—cung cấp độ khuếch đại cao hơn cho các tín hiệu từ sâu bên trong cơ thể (và đến muộn hơn)—được người dùng điều khiển và được sử dụng để duy trì tính đồng nhất của hình ảnh.

Sau khi khuếch đại tín hiệu, quá trình tạo chùm tia được thực hiện, có thể ở định dạng tương tự (ABF) hoặc kỹ thuật số (DBF). Hầu hết các hệ thống hiện đại sử dụng định dạng kỹ thuật số, ngoại trừ xử lý Doppler sóng liên tục (CW), trong đó dải động quá rộng để xử lý thông qua cùng một kênh với hình ảnh. Cuối cùng, các chùm tia thu (chùm tia Rx) được xử lý để hiển thị hình ảnh đơn sắc, lớp phủ màu trên hình ảnh 2D và/hoặc đầu ra Doppler.

Những thách thức của hệ thống siêu âm.

Để hiểu đầy đủ những thách thức của siêu âm và tác động của nó đến các bộ phận phía trước, cần phải nhớ mục đích của kỹ thuật hình ảnh này. Thứ nhất, nó nhằm mục đích tạo hình ảnh chính xác các cơ quan nội tạng của cơ thể người, và thứ hai, nó nhằm phát hiện các chuyển động bên trong cơ thể (ví dụ: lưu lượng máu) thông qua xử lý tín hiệu Doppler. Từ thông tin này, các bác sĩ có thể đưa ra kết luận về chức năng hoạt động chính xác của van tim hoặc mạch máu.

Chế độ thu thập dữ liệu

Siêu âm có ba chế độ thu thập dữ liệu chính: Chế độ B (hình ảnh đen trắng; 2D); Chế độ F (hình ảnh màu hoặc Doppler; lưu lượng máu); và Chế độ D (phổ Doppler kép). Chế độ B tạo ra hình ảnh đen trắng truyền thống. Chế độ F chồng một hình ảnh màu lên màn hình Chế độ B để hiển thị lưu lượng máu. Chế độ D là màn hình hiển thị Doppler có thể hiển thị vận tốc và tần số của lưu lượng máu. (Ngoài ra còn có Chế độ M, chỉ hiển thị dòng thời gian của Chế độ B.)

Tần số hoạt động của siêu âm y tế dao động từ 1 MHz đến 40 MHz. Các thiết bị hình ảnh bên ngoài thường sử dụng tần số từ 1 MHz đến 15 MHz, trong khi máy siêu âm tim tĩnh mạch sử dụng tần số lên đến 40 MHz. Về nguyên tắc, tần số cao hơn được ưu tiên do độ phân giải cao hơn, nhưng sự suy giảm tín hiệu trong mô giới hạn tần số tối đa có thể sử dụng cho một độ sâu xuyên thấu nhất định. Tuy nhiên, chúng ta không thể tùy ý tăng tần số siêu âm để đạt được độ phân giải cao hơn, vì tín hiệu bị suy giảm khoảng 1 decibel trên mỗi centimet trên mỗi MHz. Nghĩa là, đối với tín hiệu siêu âm 10 MHz và độ sâu xuyên thấu 5 cm, tín hiệu khứ hồi bị suy giảm 5³²³¹⁰ = 100 decibel! Để xử lý dải động tức thời khoảng 60 dB tại bất kỳ vị trí nào, dải động cần thiết phải là 160 dB (dải động là 100 phần triệu của vôn)! Dải động ở mức này không thể đạt được trực tiếp. Do đó, việc xây dựng các hệ thống rất phức tạp sẽ phát sinh chi phí, và cần phải có một số sự đánh đổi ở giai đoạn đầu – hoặc về độ sâu xuyên thấu (bị giới hạn bởi các quy định an toàn do công suất truyền tối đa cho phép) hoặc độ phân giải hình ảnh (bằng cách sử dụng tần số siêu âm thấp hơn).

Dải động rộng của tín hiệu nhận được là thách thức lớn nhất. Mạch tiền khuếch đại phải có độ nhiễu rất thấp và khả năng xử lý đồng thời các tín hiệu có cường độ lớn, một yêu cầu quen thuộc với những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực truyền thông. Sự không tương thích và tổn hao cáp làm tăng trực tiếp tỷ số tín hiệu trên nhiễu (NF) của hệ thống. Ví dụ, nếu tổn hao cáp ở một tần số cụ thể là 2 dB, thì NF sẽ giảm đi 2 dB. Điều này có nghĩa là bộ khuếch đại đầu tiên sau cáp phải có NF thấp hơn 2 dB so với yêu cầu đối với cáp không tổn hao. Một giải pháp khả thi là đặt bộ khuếch đại bên trong tay cầm của bộ chuyển đổi; tuy nhiên, có những hạn chế đáng kể về kích thước và công suất. Hơn nữa, nhu cầu che chắn chống lại các xung điện áp cao khiến giải pháp này khó thực hiện.

Một thách thức khác là sự không khớp trở kháng âm giữa phần tử chuyển đổi và cơ thể. Sự không khớp trở kháng âm này đòi hỏi phải sử dụng các lớp điều biến trở kháng (tương tự như cách mạch RF điều chỉnh trở kháng bằng điện) để truyền năng lượng hiệu quả. Thông thường, điều này bao gồm một số lớp điều biến trở kháng phía trước phần tử chuyển đổi trong tay cầm, tiếp theo là thấu kính, và sau đó là một lớp gel kết dính. Lớp gel này giúp tạo ra sự tiếp xúc âm tốt với cơ thể, vì không khí là một chất phản xạ âm rất tốt.

Một khía cạnh quan trọng khác của mạch thu là khả năng phục hồi nhanh chóng sau khi quá tải. Mặc dù các công tắc T/R được thiết kế để bảo vệ mạch thu khỏi các xung lớn, nhưng ngay cả các xung nhỏ thoát ra khỏi công tắc cũng có thể đủ để gây quá tải cho mạch đầu vào. Khả năng phục hồi quá tải kém khiến mạch thu "không hoạt động" cho đến khi phục hồi, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của việc chụp ảnh da.

Cách tạo ảnh siêu âm—Chế độ B.

Hình 2 minh họa cách tạo ra các ảnh quét khác nhau trong bốn loại quét. Ảnh được khoanh trong hình chữ nhật thể hiện hình ảnh sẽ xuất hiện trên màn hình. Chuyển động cơ học của một đầu dò đơn (theo hướng mũi tên chỉ định) được hiển thị ở đây để giúp hiểu rõ hơn về quá trình tạo ảnh, nhưng cùng loại ảnh này có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một hàng đầu dò tuyến tính mà không cần chuyển động cơ học. Trong ví dụ quét tuyến tính, đầu dò di chuyển theo chiều ngang. Đối với mỗi dòng quét (dòng được hiển thị trong hình), một xung Tx được gửi đi, và các tín hiệu phản xạ từ các độ sâu khác nhau được ghi lại và chuyển đổi thành ảnh quét để hiển thị trên màn hình video. Phương pháp di chuyển của đầu dò đơn trong quá trình chụp ảnh xác định hình dạng của ảnh, hình dạng này được chuyển đổi trực tiếp thành hình dạng của hàng đầu dò tuyến tính; nghĩa là, đối với quét tuyến tính, hàng đầu dò là một đường thẳng, trong khi đối với quét cong, hàng đầu dò là hình lõm.

Các bước cần thiết để chuyển đổi từ hệ thống đầu dò đơn cơ học sang hệ thống điện tử có thể được giải thích dễ dàng bằng cách xem xét quá trình quét tuyến tính trong Hình 2. Nếu một phần tử đầu dò được chia thành nhiều mảnh nhỏ, và mỗi phần tử được kích thích lần lượt và tín hiệu phản xạ từ vật thể được ghi lại, ta sẽ thu được một hình ảnh hình chữ nhật như hình minh họa. Tuy nhiên, lúc này không cần phải di chuyển phần tử đầu dò nữa. Từ đó, có thể thấy rằng quá trình quét cong có thể được thực hiện từ một mảng tuyến tính lõm, và quá trình quét theo hình quạt được thực hiện từ một mảng tuyến tính lồi.

Mặc dù ví dụ trên mô tả những nguyên tắc cơ bản của hình ảnh siêu âm B-mode, các hệ thống hiện đại sử dụng nhiều hơn một phần tử đồng thời để tạo ra đường quét. Điều này cho phép thay đổi khẩu độ của hệ thống. Thay đổi khẩu độ tương tự như thay đổi vị trí tiêu điểm trong quang học, giúp tạo ra hình ảnh sắc nét hơn. Hình 3 cho thấy cách thực hiện điều này đối với mảng tuyến tính và mảng pha. Sự khác biệt chính là trong mảng pha, tất cả các phần tử được sử dụng đồng thời, trong khi ở mảng tuyến tính chỉ một phần nhỏ trong tổng số phần tử của mảng được sử dụng. Sử dụng ít phần tử hơn có lợi thế là tiết kiệm phần cứng điện tử nhưng làm tăng thời gian chụp ảnh trong một khu vực nhất định. Mảng pha khác biệt vì hình dạng giống như miếng bánh của chúng cho phép các đầu dò rất nhỏ chụp ảnh các khu vực lớn ở khoảng cách xa. Đó là lý do tại sao đầu dò mảng pha là đầu dò được lựa chọn trong các ứng dụng như chụp ảnh tim, phải xử lý các khoảng gian sườn nhỏ đòi hỏi phải chụp ảnh những trái tim lớn hơn nhiều.

Sự kích thích trong mảng được truyền dọc theo một đường quét, được xác định bởi cấu hình độ trễ của chuỗi xung dự định đến đồng thời tại điểm tiêu cự. Các xung (Hình 3) được biểu diễn bằng "các đường lượn sóng" trên trục thời gian thẳng đứng phía trên mảng (màu được tô bóng), với thời gian tăng dần theo chiều dọc từ bề mặt mảng. Mảng bước tuyến tính trong Hình 3 truyền sự kích thích được định hình đến một nhóm các phần tử (lỗ), sau đó dịch chuyển các lỗ bằng cách thêm các phần tử dẫn đầu và giảm các phần tử theo sau. Ở mỗi bước, một đường quét (chùm tia) được tạo ra từ sự đến đồng thời của các xung. Trong một mảng pha, tất cả các bộ chuyển đổi hoạt động đồng thời. Trong ví dụ được hiển thị, các đường tối là các đường quét hiển thị dữ liệu phản xạ được tạo ra bởi mẫu xung đại diện.

So sánh tạo chùm tia tương tự và tạo chùm tia kỹ thuật số.

Trong các hệ thống siêu âm tạo chùm tia tương tự (ABF) và tạo chùm tia số (DBF), các xung nhận được phản xạ từ một điểm tiêu cự cụ thể dọc theo chùm tia được lưu trữ cho mỗi kênh. Sau đó, chúng được sắp xếp theo trình tự thời gian và kết hợp một cách mạch lạc, cải thiện hiệu quả xử lý không gian vì nhiễu của mỗi kênh là độc lập. Hình ảnh có thể được xây dựng dưới dạng một chuỗi các mức tương tự bị trễ bởi một dây trễ tương tự, được kết hợp và số hóa sau khi kết hợp (ABF), hoặc được số hóa bằng cách lấy mẫu các mức tương tự càng gần các phần tử đầu dò càng tốt, lưu trữ chúng trong bộ nhớ (FIFO), và sau đó số hóa chúng (DBF).

Hình 4 và 5 lần lượt thể hiện sơ đồ khối cơ bản của hệ thống ABF và DBF. Cả hai loại hệ thống đều yêu cầu khớp kênh hoàn hảo. Lưu ý rằng cả hai hệ thống đều cần bộ khuếch đại có độ lợi thay đổi (VGA) và điều này vẫn sẽ cần thiết trong trường hợp kỹ thuật số cho đến khi có bộ chuyển đổi ADC với dải động đủ rộng với giá cả hợp lý và công suất đủ thấp. Lưu ý rằng hệ thống hình ảnh ABF chỉ cần một bộ chuyển đổi ADC tốc độ cao, độ phân giải cao, trong khi hệ thống DBF cần nhiều bộ chuyển đổi ADC tốc độ cao, độ phân giải cao. Bộ khuếch đại logarit đôi khi được sử dụng trong hệ thống ABF để nén dải động trước khi gửi đến bộ chuyển đổi ADC.

Dải động

Trong mạch tiền khuếch đại, mức độ nhiễu của LNA quyết định khả năng xử lý tín hiệu yếu của nó. Tuy nhiên, đồng thời, đặc biệt là trong quá trình xử lý tín hiệu Doppler CW, LNA cũng phải có khả năng xử lý các tín hiệu rất mạnh. Do đó, việc tối đa hóa dải động của LNA là rất quan trọng (thông thường, không thể thực hiện bất kỳ thao tác lọc nào trước LNA do hạn chế về nhiễu). Lưu ý rằng các điều kiện tương tự áp dụng cho bất kỳ bộ thu nào trong các ứng dụng truyền thông; mạch gần ăng-ten nhất cũng không mang lại nhiều lợi thế lọc, vì vậy điều cần thiết là phải quản lý dải động rộng nhất có thể.

Siêu âm Doppler sóng liên tục (CW Doppler) có dải động rộng nhất trong tất cả các tín hiệu của hệ thống siêu âm – trong chế độ CW, một sóng sin được phát liên tục bởi một nửa đầu dò trong khi nửa còn lại thu tín hiệu. Có xu hướng cao tín hiệu phát (Tx) bị rò rỉ sang phía thu (Rx), và cũng có sự phản xạ mạnh từ các bộ phận cố định và gần bề mặt của cơ thể có xu hướng gây nhiễu quá trình kiểm tra, chẳng hạn như dòng máu tĩnh mạch sâu, đi kèm với tín hiệu Doppler rất yếu.

Hiện nay, công nghệ tạo chùm tia kỹ thuật số (DBF) không thể xử lý tín hiệu Doppler sóng liên tục (CW) thông qua đường dẫn hình ảnh chính (chế độ B) và Doppler xung (PW) (chế độ F). Do đó, các hệ thống tạo chùm tia tương tự (ABF) được sử dụng để xử lý Doppler CW, như thể hiện trong Hình 1, trong đó ABF cung cấp dải động rộng hơn. Tất nhiên, mục tiêu cuối cùng trong siêu âm DBF là xử lý tất cả các chế độ thông qua chuỗi DBF (với chi phí hợp lý), và nhiều nghiên cứu đang được tiến hành về các phương pháp để đạt được mục tiêu đó.

Năng lượng

Do hệ thống siêu âm yêu cầu số lượng kênh lớn, nên công suất tiêu thụ của tất cả các thành phần đầu vào—từ các bộ chuyển mạch T/R, LNA, VGA và ADC đến mạch kỹ thuật số của bộ tạo chùm tia—là một yêu cầu quan trọng. Như đã đề cập ở trên, luôn có xu hướng tăng dải động của các thành phần đầu vào để cuối cùng tất cả các chế độ siêu âm có thể được tích hợp vào một bộ tạo chùm tia duy nhất. Xu hướng này sẽ dẫn đến tăng công suất hệ thống. Tuy nhiên, cũng cần phải liên tục giảm kích thước của hệ thống siêu âm, với xu hướng giảm công suất tiêu thụ. Công suất trong các mạch kỹ thuật số có xu hướng giảm theo điện áp, nhưng điều này không nhất thiết đúng đối với các mạch tương tự và mạch tín hiệu hỗn hợp. Hơn nữa, xét đến việc "khoảng dự trữ" tương tự bị giảm có xu hướng làm giảm dải động, sẽ có giới hạn về mức điện áp cung cấp có thể giảm xuống thấp đến mức nào mà vẫn duy trì được dải động mong muốn.