Minimalizacja szumów za pomocą regulatorów prądu stałego w systemach ultradźwiękowych

Szumy są czynnikiem ograniczającym parametry działania w systemach medycznych i innych systemach ultradźwiękowych. Oczywiście proste określenie „szumy” obejmuje wiele różnych rodzajów. Niektóre z nich są nieodłącznie związane ze środowiskiem medycznym i pacjentem, podczas gdy inne mają charakter elektroniczny. Dominujące szumy wywoływane przez pacjenta nazywane są „szumami plamkowymi” i są w dużej mierze spowodowane niejednorodnością tkanek i narządów pacjenta. Na szumy wywołane przez pacjenta projektanci obwodów niewiele mogą poradzić, natomiast mogą zrobić wiele, aby zminimalizować różne źródła i rodzaje szumów elektronicznych.

Do potencjalnych źródeł szumów należą regulatory prądu stałego. Aby zminimalizować szumy, projektanci mogą skorzystać z małych i niskoszumowych regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO), których sprawność ciągle rośnie. Nawet wspomniane regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) często powodują straty mocy na skutek problemów z odprowadzaniem ciepła. Skuteczną alternatywą dla regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO) są regulatory przełączające, jednak urządzenia te charakteryzuje wysoki poziom szumów wynikający z samego zjawiska przełączania. Jeśli projektanci mają w pełni wykorzystać potencjał tych urządzeń, wspomniane szumy należy obniżyć.

Ostatnie innowacje w projektowaniu topologii konwersji mocy pozwoliły zmniejszyć poziomy wspomnianych szumów, co doprowadziło do poprawy balansu pomiędzy szumami i sprawnością. Na przykład: monolityczne regulatory przełączające dużej mocy mogą efektywnie zasilać cyfrowe układy scalone zapewniając niskoszumowe szyny prądu stałego, wysoką sprawność i minimalne wymagania dotyczące przestrzeni.

W niniejszym artykule omówiono krótko wyzwania związane z technologiami ultradźwiękowymi. W dalszej jego części zaprezentowano grupy miniaturowych układów scalonych z technologią Silent Switcher firmy Analog Devices i wykorzystano regulator LT8625S jako znakomity przykład ilustrujący, że opisywane innowacyjne regulatory przełączające pozwalają zrealizować wiele celów, stawianych przez odbiorniki o jednocyfrowym napięciu i prądzie w zakresie poniżej 10A, niezbędnych w ultrasonografii wysokiej jakości. Kolejne przykłady układów scalonych z technologią Silent Switcher pokazują bogactwo oferty.

W przypadku technologii ultradźwiękowych mamy do czynienia z unikalnymi problemami ze ścieżką sygnałową

Zasada działania obrazowania ultradźwiękowego jest prosta, ale opracowanie systemu obrazowania o wysokich parametrach działania wymaga znacznej wiedzy z zakresu projektowania, wielu specjalistycznych komponentów oraz zwrócenia uwagi na niuanse (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Wysokiego poziomu schemat blokowy systemu ultrasonograficznego zdradza złożoność wdrażania systemu opartego na prostej zasadzie fizycznej. (Źródło ilustracji: Analog Devices).

System obrazowania wykorzystuje układ przetworników piezoelektrycznych, do których przesyłane są impulsy w celu wytworzenia fali akustycznej. Wiele nowych systemów posiada nawet 256 takich przetworników, a każdy z nich wymaga niezależnego sterowania. Zakres nadawanych częstotliwości wynosi od 2 do 20MHz.

Poprzez regulację względnej synchronizacji czasowej przetworników w układzie, przy użyciu zmiennych opóźnień, emitowane impulsy mogą być formowane w wiązki i kierowane w określone miejsca. Wyższe częstotliwości zapewniają dobrą rozdzielczość przestrzenną, ale mają stosunkowo słabą zdolność penetracji, co prowadzi do pogorszenia jakości obrazu. Dla większości systemów wykorzystuje się częstotliwość 5MHz stanowiącą optymalny kompromis.

Po wyemitowaniu impulsu system przełącza się w tryb odbioru i przechwytuje echo impulsu akustycznego, które powstaje, gdy energia fali akustycznej napotyka barierę impedancyjną, np. na granicy między różnymi typami tkanek lub narządów. Opóźnienie czasowe, z jakim echa wracają w stosunku do momentu ich wysłania, dostarcza informacji do obrazowania.

Ze względu na nieuniknione tłumienie sygnału ultradźwiękowego, który przechodzi przez tkankę dwukrotnie - raz w kierunku emisji i raz w drodze powrotnej - zakres dynamiczny odbieranego sygnału jest bardzo szeroki. Może to być nawet zakres od zaledwie kilku mikrowoltów do jednego wolta, co stanowi zakres około 120dB.

Należy zauważyć, że dla sygnału ultradźwiękowego 10MHz i głębokości penetracji 5cm sygnał po podróży w obie strony jest tłumiony o 100dB. W związku z tym, aby obsługiwać chwilowy zakres dynamiczny wynoszący około 60dB w dowolnym miejscu, wymagany zakres dynamiczny wynosiłby 160dB (zakres dynamiczny napięcia 100 milionów do 1).

Może się wydawać, że najprostszym rozwiązaniem radzenia sobie z szerokim zakresem dynamicznym, sygnałami niskiego poziomu i nieodpowiednim stosunkiem sygnału do szumu (SNR) jest właśnie zwiększenie emitowanej mocy przetwornika. Jednak poza oczywistym zapotrzebowaniem na moc, z jakim to się wiąże, istnieją ścisłe ograniczenia temperatury sondy ultradźwiękowej, która styka się ze skórą pacjenta. Maksymalne dopuszczalne temperatury powierzchni przetwornika zostały określone w normie IEC 60601-2-37 (wyd. 2007) i wynoszą odpowiednio 50°C w przypadku gdy przetwornik realizuje transmisję do powietrza i 43°C w przypadku, gdy transmisja odbywa się do odpowiedniego modelu fantomowego ludzkiego ciała.

Ta druga wartość graniczna oznacza, że temperatura skóry (zwykle 33°C) może wzrosnąć maksymalnie o 10°C. W związku z tym konieczne jest nie tylko ograniczenie mocy akustycznej, ale także zminimalizowanie rozpraszania mocy z powiązanych komponentów elektronicznych, w tym regulatorów prądu stałego.

Aby utrzymać względnie stały poziom sygnału i zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu (SNR), stosuje się specjalną formę automatycznej kontroli wzmocnienia (AGC), zwaną kompensacją czasową wzmocnienia (TGC). Wzmacniacz kompensacji czasowej wzmocnienia (TGC) kompensuje wykładnicze tłumienie sygnału, wzmacniając go z wykorzystaniem współczynnika wykładniczego, który jest określany przez czas oczekiwania odbiornika na impuls powrotny.

Należy zauważyć, że istnieją różne rodzaje trybów ultrasonograficznych, co ukazano na ilustracji 2:

• Skala szarości tworzy podstawowy obraz czarno-biały. Widoczne w niej będą artefakty o wielkości zaledwie 1mm.
• Tryby dopplerowskie pozwalają wykryć prędkość obiektu w ruchu, śledząc zmiany częstotliwości sygnału zwrotnego i wyświetlając go w sztucznym kolorze. Służą do badania przepływu krwi lub innych płynów w organizmie. Tryb dopplerowski wymaga przesyłania ciągłej fali do ciała i wykonywania szybkiej transformacji Fouriera (FFT) sygnału zwrotnego.

Ilustracja 2: Obraz w skali szarości (A) i kolorowy obraz dopplerowski (B) zewnętrznych tętnic szyjnych na wysokości rozwidlenia tętnicy szyjnej. Należy pamiętać, że gałęzie tętnicy szyjnej zewnętrznej (gwiazdka, po lewej stronie na dole każdej ilustracji) najlepiej widoczne są na kolorowych zdjęciach dopplerowskich. (CCA: tętnica szyjna wspólna; ICA: tętnica szyjna wewnętrzna i ECA: tętnica szyjna zewnętrzna. (Źródło ilustracji: Radiologic Clinics of North America)

• W trybach żylnych i tętniczych wykorzystywane jest obrazowanie dopplerowskie w połączeniu z trybem skali szarości. Wyświetlają one szczegółowy obraz przepływu krwi w tętnicach i żyłach.

Na uproszczonym schemacie blokowym pominięto niektóre kluczowe elementy, podczas gdy bardziej szczegółowy schemat ujawnia dodatkowe funkcje (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Bardziej szczegółowy schemat blokowy nowoczesnego systemu ultradźwiękowego w większym stopniu uwidacznia jego złożoność, jak również wiele funkcji cyfrowych wbudowanych w projekt. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Po pierwsze, występuje funkcja zasilania. Niezależnie od tego, czy system jest zasilany prądem zmiennym, czy bateryjnie, wymaga on wielu regulatorów prądu stałego do osiągnięcia różnych napięć na szynach. Napięcia te wahają się od kilku woltów dla niektórych funkcji do znacznie wyższych napięć dla przetworników piezoelektrycznych.

Ponadto, ponieważ nowoczesne systemy ultradźwiękowe są w dużej mierze cyfrowe, z wyjątkiem ich analogowych układów front-end dla torów nadawania i odbioru, wyposażone są one w bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) do wdrażania cyfrowo sterowanego procesu formowania wiązek oraz innych funkcji. Wspomniane bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) wymagają stosunkowo dużych prądów dochodzących do 10A.