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便携式超声波系统是紧急重点照护检验（Points-of-care）所使用的一种功能最强大的诊断工具，这类非侵入性影像工具能够使因地震、台风等自然灾害，或是道路意外事故的受害者迅速地获得急救人员的诊断及治疗。这类便携设备从膝上型到手持式等大小不等、重量为 10 磅以下，并且能够使用电池供电。由于受到新兴超声波市场的普遍接受 ，例如包括医疗急救、局部麻醉及远距照护等，因此近年来发展相当迅速。
便携式超声波系统的重要特质与其他便携设备在尺寸、重量、电池使用时间、成本及效能上都相同。开发便携式超声波系统所面临的主要挑战，是如何在达到可移植性的同时并维持最佳的影像画质。如此在可移植性与效能之间权衡取舍上，使半导体整合度更高、可配置的变化更多元，并且得以使用新型架构。
超声波系统架构
医疗超声波系统将高频率声音能量的脉冲集中发射到人体，然后将回传的信号加以处理，而形成皮下组织的影像。图 1 的超声波系统配置图显示便携式超声波系统的主要组件，转能器数组与波束形成电路共同负责聚集超声波。医疗转能器通常由 8 到 512 个组件组成，其中各个组件通常各自对应一个发射/接收通道。
超声波成像是从波束形成器控制单元开始。发射波束形成器、高电压脉冲器及高电压多任务器形成发射路径，主要负责转能器组件的脉冲激发。转能器组件由压电材质组成，能够将高电压电子脉冲转换成范围介于 1 至 15 MHz 之间的聚集高频率声波。这些声波进入人体，接触不同皮下组织之间的边界时即反射回转能器，然后转换为电子信号。经过转换的电子信号通过发射/接收 (T/R) 开关进入接收路径。T/R 开关则从发射模式切换到接收模式，并防止高电压脉冲损坏用以接收的电子组件。
电子信号经过放大、滤波，然后由模拟前端 (AFE) 转换成数字格式。AFE是由低噪声放大器 (LNA)、电压控制衰减器 (VCA)、可程序增益放大器 (PGA)、抗混迭滤波器 (AAF) 及模拟数字转换器 (ADC) 所组成。LNA 可提供低噪声放大，以达到良好的敏锐度。VCA 及 PGA 是时间增益控制 (TGC) 区块的一部份，可改善系统的动态范围，而且也允许增益随时间而增加，以便在信号通过人体而持续减弱时进行补强，然后对经过放大的信号进行滤波，以改善其信号噪声比 (SNR)。产生的信号会透过 ADC 转换为数字格式，然后由负责接收的波束形成器加以处理。AFE 的效能可大幅提升超声波系统的尺寸、重量、电池使用时间以及影像画质等特性。
超声波系统在功能及效能两方面有许多差异。功能差异化主要取决于系统的数字处理功能。一般而言，主要有三种超声波系统运作模式：1、 B 模式成像可产生用于检查组织结构及器官的灰阶影像；2、 彩色都卜勒模式可产生迭加于 B 模式灰阶影像的彩色影像，色码表示血液的流向及流量；3、 频谱都卜勒模式可提供用户指定位置血液流速分布的滚动显示。
除了这三种运作模式专用的算法，另外还有一些所有传统超声波系统都具备的基本信号处理功能。这些功能包括滤波、侦测、对数压缩及扫描转换。滤波一般为带通滤波，用于减少噪声，并选择使用基本频率 (提供较好的穿透力) 或第二次谐波 (具有更高的分辨率，因为具备较佳的组织区分属性) 进行成像。在超声波处理中，侦测是一种信号封包撷取的过程，通常涉及希伯特转换或使用复合旋转机来解调低通滤波之前的信号。对数压缩可用于使信号顺利进入显示的动态范围内。扫描转换能够将原始数据的坐标系统转换为显示使用的坐标系统，因此能够准确地显示数据。
根据特定的超声波设备，数字处理路径中也可实作其他算法，以撷取更清晰的影像，进而提升诊断能力。这些算法包括匹配滤波、时间频率补偿、回音线平均、斑点噪声抑制、讯框平滑及边缘侦察等。当系统拥有的数字处理能力愈高，处理的灵敏性便可提高，系统产生高画质超声波影像的功能也就愈强。
使模拟前端优化以满足便携式需求
对于便携式超声波系统而言，AFE 组件的低功耗及整合度是电池使用时间及尺寸优化的重要标准。这些要求通常与系统效能相冲突，因此必须两相权衡。
首先必须取舍的是决定 AFE 的通道数量。信道数量愈少，系统便愈小愈精简，并且可达到较长的电池使用时间。然而，信道数减少会造成影像画质降低。一般使用 16 到 64 信道的系统即可在可移植性及影像画质之间取得平衡。如今市面上已经有完全整合式 8 信道及 16 信道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC)。由于这些装置采用较少的组件及较简单的配置，因此其尺寸较小且成本也较低，同时更缩短了上市时程 (见图 2)。
AFE 组件的功耗会直接影响电池的使用寿命。AFE 的整体噪声及线性效能与功耗密切相关。为了达到绝佳的噪声效能，LNA 必须耗散一定程度的功率。高线性或较大的输入信号范围促成了对于较高电源电压的需求，以为避免信号截波，同时维持动态范围效能。由于较高的电源电压会导致较高的功耗，如今便携式超声波系统设计人员得以运用不同程度配置或新型架构使得设计较为弹性，可以优化低功耗及低噪声。如下的例子便能够说明效能及功耗之间的关系。
举例来说，市面上的一些 AFE 产品如今可以提供几种运作模式，以达到噪声/功耗的优化。如此使得系统设计人员能够使用不同程度的配置，达到系统中最佳的功耗/噪声平衡。德州仪器的 AFE5804 是一款具有许多优化噪声/功耗选项的 8 信道AFE。系统设计人员使用缓存器设定其功耗及噪声数。这类 AFE 可以配置为101mW/信道，以取得 1.23nV/rtHz 的全链输入参照噪声 (IRN)，也可以配置为 112mW/信道，以取得 0.89nV/rtHz 的 IRN。
另一个例子是使用新型架构来达到功耗的优化。AFE5851 是一款未整合 LNA 的 16 通道 AFE，这是一种新型的系统架构。最佳解决方案是将 LNA 整合到转能器中，因此，系统的噪声数可以得到极大改善，因为 LNA 之前的信号损耗已被最小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。
5.5nV/rtHz 全链 IRN 的噪声效能由于转能器中整合 LNA 而抵消，因此，这种创新的新型便携式系统架构既可以维持噪声效能，同时又能符合最严格的低功耗要求。
值得一提的是，接收/发射 (T/R) 信号路径中的其他组件也可以减少功耗及尺寸。T/R 开关由防护二极管桥式电路及箝位二极管组成，长久以来都是采用离散式实作的方式。多通道完全整合式 T/R 开关如今可用来将尺寸缩减至最小程度。T/R 开关整合的取舍因素包括插入损耗、电容及串音，这些都是高阶系统中最常见的因素，对于大多数便携式应用而言已经足够。整合式 T/R 开关解决方案可节省 50% 以上的电路板空间，因此在可移植性方面利大于弊。T/R 开关通常会持续开启，以防接收器路径遭受 HV 发射脉冲的损害。与二极管桥式电路相关的偏压电流会不断下降，而影响功耗。可程序偏压电流是调节功耗的一种方法，例如德州仪器的 TX810 是一款整合式 8 通道 6 mm x 6 mm T/R 开关，其中包含 3 位的接口，可用于设定 7mA 范围的偏压电流。超声波系统设计人员可运用这类组合来设定 7 种不同的电流设定，并且可使用断电模式来减少功耗。
对于低负载周期的 B 模式系统功耗而言，HV 脉冲器一般不是关注的重点，但仍然有一些方法可以用来减少发射路径的尺寸及噪声。离散脉冲器可整合到多通道 IC 中，以使用较小及较少的组件来缩小发射路径的尺寸。发射路径的输出为高电压、正极及负极对称脉冲，其前后均为 0V。信号回复 0V 是减少脉冲器导致系统振铃的关键，这称为阻尼功能。德州仪器的 TX734 是一款整合式四通道 ±90V 的脉冲器，采用9 mm x 9mm功能 QFN 主动式阻尼封装，能够减少便携式超声波系统的噪声及尺寸。
数字处理达到可移植性的方法
使得超声波系统的数字处理组件达到可移植性不外乎选择正确的处理组件组合。在便携式系统中，设计人员经常误以为组件愈少愈好，因此会寻找能够达到一切功能的单处理器。事实上，将少数处理组件的处理作业分开而非强迫单处理器完成不适宜的作业，通常可达到较佳的效果。
例如，对于大多数数字处理而言，虽然 FPGA 在功耗及空间方面并非高效率的解决方案，但是低成本的 FPGA 仍然能够取得 AFE 数据、完成波束形成，以及连接到后端处理引擎。在波束形成器之后，最好将其他处理移至数字信号处理器 (DSP)，因为 DSP 的高可程序地实时架构较适合于超声波处理的其他部份，以产生功效较高、面积较小且灵活性较高的系统。
根据超声波系统的功能，可以考虑使用数种 DSP。德州仪器的 TMS320C6455 等高效能 DSP 拥有强大的运算能力，可有效执行所有后端超声波处理作业，而进阶的单芯片系统 (SOC) 具有可执行操作系统 (OS)、人机接口及驱动显示器的高度整合式架构。C6455 可用于各种处理器速度，包括一些系统的高阶 1.2 GHz 版本，以便为这些系统实作额外的算法来提升影像画质或增加功能。对于真正的便携式系统而言，低成本的 FPGA 及单 SoC (例如，德州仪器的 OMAP3530 等) 装置可能是所有必要的处理。在这种情况下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+DSP核心会完成滤波、侦测、对数压缩及扫描转换，而 ARM Cortex-A8 则会运作 OS、图形用户接口 (GUI) 并驱动显示器。
结论
便携式超声波系统的使用率及功能性不断提高。像德州仪器这类半导体公司同时拥有模拟及数字装置产品线，能更有助于开发人员在这方面改进其系统。随着调谐半导体装置的不断出现，便携式超声波系统将变得更小、更实用，引领出更佳的医疗保健装置。
便携式超声波系统的重要特质与其他便携设备在尺寸、重量、电池使用时间、成本及效能上都相同。开发便携式超声波系统所面临的主要挑战，是如何在达到可移植性的同时并维持最佳的影像画质。如此在可移植性与效能之间权衡取舍上，使半导体整合度更高、可配置的变化更多元，并且得以使用新型架构。
超声波系统架构
医疗超声波系统将高频率声音能量的脉冲集中发射到人体，然后将回传的信号加以处理，而形成皮下组织的影像。图 1 的超声波系统配置图显示便携式超声波系统的主要组件，转能器数组与波束形成电路共同负责聚集超声波。医疗转能器通常由 8 到 512 个组件组成，其中各个组件通常各自对应一个发射/接收通道。
超声波成像是从波束形成器控制单元开始。发射波束形成器、高电压脉冲器及高电压多任务器形成发射路径，主要负责转能器组件的脉冲激发。转能器组件由压电材质组成，能够将高电压电子脉冲转换成范围介于 1 至 15 MHz 之间的聚集高频率声波。这些声波进入人体，接触不同皮下组织之间的边界时即反射回转能器，然后转换为电子信号。经过转换的电子信号通过发射/接收 (T/R) 开关进入接收路径。T/R 开关则从发射模式切换到接收模式，并防止高电压脉冲损坏用以接收的电子组件。
电子信号经过放大、滤波，然后由模拟前端 (AFE) 转换成数字格式。AFE是由低噪声放大器 (LNA)、电压控制衰减器 (VCA)、可程序增益放大器 (PGA)、抗混迭滤波器 (AAF) 及模拟数字转换器 (ADC) 所组成。LNA 可提供低噪声放大，以达到良好的敏锐度。VCA 及 PGA 是时间增益控制 (TGC) 区块的一部份，可改善系统的动态范围，而且也允许增益随时间而增加，以便在信号通过人体而持续减弱时进行补强，然后对经过放大的信号进行滤波，以改善其信号噪声比 (SNR)。产生的信号会透过 ADC 转换为数字格式，然后由负责接收的波束形成器加以处理。AFE 的效能可大幅提升超声波系统的尺寸、重量、电池使用时间以及影像画质等特性。
超声波系统在功能及效能两方面有许多差异。功能差异化主要取决于系统的数字处理功能。一般而言，主要有三种超声波系统运作模式：1、 B 模式成像可产生用于检查组织结构及器官的灰阶影像；2、 彩色都卜勒模式可产生迭加于 B 模式灰阶影像的彩色影像，色码表示血液的流向及流量；3、 频谱都卜勒模式可提供用户指定位置血液流速分布的滚动显示。
除了这三种运作模式专用的算法，另外还有一些所有传统超声波系统都具备的基本信号处理功能。这些功能包括滤波、侦测、对数压缩及扫描转换。滤波一般为带通滤波，用于减少噪声，并选择使用基本频率 (提供较好的穿透力) 或第二次谐波 (具有更高的分辨率，因为具备较佳的组织区分属性) 进行成像。在超声波处理中，侦测是一种信号封包撷取的过程，通常涉及希伯特转换或使用复合旋转机来解调低通滤波之前的信号。对数压缩可用于使信号顺利进入显示的动态范围内。扫描转换能够将原始数据的坐标系统转换为显示使用的坐标系统，因此能够准确地显示数据。
根据特定的超声波设备，数字处理路径中也可实作其他算法，以撷取更清晰的影像，进而提升诊断能力。这些算法包括匹配滤波、时间频率补偿、回音线平均、斑点噪声抑制、讯框平滑及边缘侦察等。当系统拥有的数字处理能力愈高，处理的灵敏性便可提高，系统产生高画质超声波影像的功能也就愈强。
使模拟前端优化以满足便携式需求
对于便携式超声波系统而言，AFE 组件的低功耗及整合度是电池使用时间及尺寸优化的重要标准。这些要求通常与系统效能相冲突，因此必须两相权衡。
首先必须取舍的是决定 AFE 的通道数量。信道数量愈少，系统便愈小愈精简，并且可达到较长的电池使用时间。然而，信道数减少会造成影像画质降低。一般使用 16 到 64 信道的系统即可在可移植性及影像画质之间取得平衡。如今市面上已经有完全整合式 8 信道及 16 信道 AFE (LNA+VCA+PGA+AAF+ADC)。由于这些装置采用较少的组件及较简单的配置，因此其尺寸较小且成本也较低，同时更缩短了上市时程 (见图 2)。
AFE 组件的功耗会直接影响电池的使用寿命。AFE 的整体噪声及线性效能与功耗密切相关。为了达到绝佳的噪声效能，LNA 必须耗散一定程度的功率。高线性或较大的输入信号范围促成了对于较高电源电压的需求，以为避免信号截波，同时维持动态范围效能。由于较高的电源电压会导致较高的功耗，如今便携式超声波系统设计人员得以运用不同程度配置或新型架构使得设计较为弹性，可以优化低功耗及低噪声。如下的例子便能够说明效能及功耗之间的关系。
举例来说，市面上的一些 AFE 产品如今可以提供几种运作模式，以达到噪声/功耗的优化。如此使得系统设计人员能够使用不同程度的配置，达到系统中最佳的功耗/噪声平衡。德州仪器的 AFE5804 是一款具有许多优化噪声/功耗选项的 8 信道AFE。系统设计人员使用缓存器设定其功耗及噪声数。这类 AFE 可以配置为101mW/信道，以取得 1.23nV/rtHz 的全链输入参照噪声 (IRN)，也可以配置为 112mW/信道，以取得 0.89nV/rtHz 的 IRN。
另一个例子是使用新型架构来达到功耗的优化。AFE5851 是一款未整合 LNA 的 16 通道 AFE，这是一种新型的系统架构。最佳解决方案是将 LNA 整合到转能器中，因此，系统的噪声数可以得到极大改善，因为 LNA 之前的信号损耗已被最小化了。AFE5851 可以提供 39mW/通道的功耗。
5.5nV/rtHz 全链 IRN 的噪声效能由于转能器中整合 LNA 而抵消，因此，这种创新的新型便携式系统架构既可以维持噪声效能，同时又能符合最严格的低功耗要求。
值得一提的是，接收/发射 (T/R) 信号路径中的其他组件也可以减少功耗及尺寸。T/R 开关由防护二极管桥式电路及箝位二极管组成，长久以来都是采用离散式实作的方式。多通道完全整合式 T/R 开关如今可用来将尺寸缩减至最小程度。T/R 开关整合的取舍因素包括插入损耗、电容及串音，这些都是高阶系统中最常见的因素，对于大多数便携式应用而言已经足够。整合式 T/R 开关解决方案可节省 50% 以上的电路板空间，因此在可移植性方面利大于弊。T/R 开关通常会持续开启，以防接收器路径遭受 HV 发射脉冲的损害。与二极管桥式电路相关的偏压电流会不断下降，而影响功耗。可程序偏压电流是调节功耗的一种方法，例如德州仪器的 TX810 是一款整合式 8 通道 6 mm x 6 mm T/R 开关，其中包含 3 位的接口，可用于设定 7mA 范围的偏压电流。超声波系统设计人员可运用这类组合来设定 7 种不同的电流设定，并且可使用断电模式来减少功耗。
对于低负载周期的 B 模式系统功耗而言，HV 脉冲器一般不是关注的重点，但仍然有一些方法可以用来减少发射路径的尺寸及噪声。离散脉冲器可整合到多通道 IC 中，以使用较小及较少的组件来缩小发射路径的尺寸。发射路径的输出为高电压、正极及负极对称脉冲，其前后均为 0V。信号回复 0V 是减少脉冲器导致系统振铃的关键，这称为阻尼功能。德州仪器的 TX734 是一款整合式四通道 ±90V 的脉冲器，采用9 mm x 9mm功能 QFN 主动式阻尼封装，能够减少便携式超声波系统的噪声及尺寸。
数字处理达到可移植性的方法
使得超声波系统的数字处理组件达到可移植性不外乎选择正确的处理组件组合。在便携式系统中，设计人员经常误以为组件愈少愈好，因此会寻找能够达到一切功能的单处理器。事实上，将少数处理组件的处理作业分开而非强迫单处理器完成不适宜的作业，通常可达到较佳的效果。
例如，对于大多数数字处理而言，虽然 FPGA 在功耗及空间方面并非高效率的解决方案，但是低成本的 FPGA 仍然能够取得 AFE 数据、完成波束形成，以及连接到后端处理引擎。在波束形成器之后，最好将其他处理移至数字信号处理器 (DSP)，因为 DSP 的高可程序地实时架构较适合于超声波处理的其他部份，以产生功效较高、面积较小且灵活性较高的系统。
根据超声波系统的功能，可以考虑使用数种 DSP。德州仪器的 TMS320C6455 等高效能 DSP 拥有强大的运算能力，可有效执行所有后端超声波处理作业，而进阶的单芯片系统 (SOC) 具有可执行操作系统 (OS)、人机接口及驱动显示器的高度整合式架构。C6455 可用于各种处理器速度，包括一些系统的高阶 1.2 GHz 版本，以便为这些系统实作额外的算法来提升影像画质或增加功能。对于真正的便携式系统而言，低成本的 FPGA 及单 SoC (例如，德州仪器的 OMAP3530 等) 装置可能是所有必要的处理。在这种情况下，OMAP3530 中的 TMS320C64x+DSP核心会完成滤波、侦测、对数压缩及扫描转换，而 ARM Cortex-A8 则会运作 OS、图形用户接口 (GUI) 并驱动显示器。
结论
便携式超声波系统的使用率及功能性不断提高。像德州仪器这类半导体公司同时拥有模拟及数字装置产品线，能更有助于开发人员在这方面改进其系统。随着调谐半导体装置的不断出现，便携式超声波系统将变得更小、更实用，引领出更佳的医疗保健装置。
