Verbesserung der Bildqualität von Ultraschallsystemen durch den Einsatz von Netzteilen mit ultraniedrigem Rauschen

Die Ultraschalltechnologie, ein weit verbreitetes nicht-invasives Instrument in der medizinischen Diagnostik und anderen Anwendungen, hat sich von statischen zu dynamischen Bildern und von Schwarz-Weiß-Darstellungen zu Farbdoppler-Bildern entwickelt. Diese wichtigen Verbesserungen sind weitgehend auf die Einführung der digitalen Ultraschalltechnologie zurückzuführen. Während diese Fortschritte die Effektivität und Vielseitigkeit der Ultraschallbildgebung erhöht haben, ist es für diese Systeme ebenso wichtig, eine verbesserte Bildqualität durch Fortschritte bei der Ultraschallsonde am Kopfende und dem analogen Frontend (AFE) zu bieten, das die Sonde ansteuert und die reflektierten Signale erfasst.

Eines der Hindernisse bei der Erzielung dieser verbesserten Bildqualität ist das Rauschen, weshalb das Entwicklungsziel darin besteht, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Systems zu erhöhen. Dies kann zum Teil dadurch erreicht werden, dass das durch die verschiedenen Stromversorgungsschienen im System verursachte Rauschen beseitigt wird. Beachten Sie, dass es sich bei diesem Rauschen nicht um eine einzige, einfache Einheit handelt. Stattdessen hat sie verschiedene Merkmale und Eigenschaften, die bestimmen, wie sie sich letztlich auf die Systemleistung auswirkt.

Dieser Artikel befasst sich mit dem Grundprinzip der Ultraschallbildgebung und geht dann auf verschiedene Faktoren ein, die die Bildqualität beeinträchtigen, vor allem auf das Rauschen der Stromversorgungskomponenten. Es werden DC/DC-Regler von Analog Devices als Beispiele für Stromversorgungskomponenten verwendet, die das SNR und andere Aspekte der Leistung von Ultraschallsystemen erheblich verbessern können.

Grundlagen der Ultraschallbildgebung

Das Konzept ist einfach: Man erzeugt einen scharfen Schallimpuls und „lauscht“ dann auf dessen Echo (Reflexion), wenn er auf Hindernisse oder verschiedene Schnittstellen zwischen Organen und deren unterschiedlichen akustischen Impedanzen trifft. Durch wiederholte Durchführung dieser Impuls-Reflexion-Sequenzen können die Reflexionen genutzt werden, um ein Bild der reflektierenden Oberflächen zu erstellen.

Bei den meisten Ultraschallarten sendet die Anordnung der piezoelektrischen Wandler eine begrenzte Anzahl von Wellenzyklen (in der Regel zwei bis vier) als Impuls. Die Frequenz dieser Wellen in jedem Zyklus liegt in der Regel im Bereich von 2,5 bis 14 Megahertz (MHz). Das Array wird über Strahlformungstechniken analog zu einer Phased-Array-HF-Antenne gesteuert, so dass der Gesamt-Ultraschallimpuls fokussiert und gesteuert werden kann, um einen Scan zu erstellen. Der Transducer schaltet dann in den Empfangsmodus, um die Rückkehr der reflektierten Wellen aus dem Körperinneren zu erfassen.

Das Zeitverhältnis zwischen Senden und Empfangen beträgt in der Regel etwa 1 %/99 %, wobei die Impulsfolgefrequenz in der Regel zwischen 1 und 10 Kilohertz (kHz) liegt. Durch die Zeitmessung des Pulses von der Aussendung bis zum Empfang des Echos und die Kenntnis der Geschwindigkeit, mit der sich die Ultraschallenergie durch das Körpergewebe ausbreitet, lässt sich die Entfernung zwischen dem Transducer und dem Organ oder der Schnittstelle, die die Welle reflektiert, berechnen. Die Amplitude der zurückkehrenden Wellen bestimmt die Helligkeit der Pixel, die der Reflexion im Ultraschallbild zugeordnet sind, nach einer umfangreichen digitalen Nachbearbeitung.

Verstehen der Systemanforderungen

Trotz der konzeptionellen Einfachheit des zugrunde liegenden Prinzips ist ein komplettes High-End-Ultraschall-Bildgebungssystem ein kompliziertes Gerät (Abbildung 1). Die endgültige Performance des Systems wird weitgehend durch den Wandler und das analoge Frontend (AFE) bestimmt, während die Nachbearbeitung des digitalisierten reflektierten Signals Algorithmen zur Verbesserung der Situation ermöglicht.

Es überrascht nicht, dass verschiedene Arten von Systemrauschen einer der begrenzenden Faktoren für die Bildqualität und -leistung sind, wiederum analog zur Betrachtung der Bitfehlerrate (BER) gegenüber dem SNR in digitalen Kommunikationssystemen.

Abbildung 1: Ein komplettes Ultraschall-Bildgebungssystem ist eine komplexe Kombination aus einer beträchtlichen Anzahl von analogen, digitalen, Leistungs- und Verarbeitungsfunktionen; die AFE definiert die Grenzen der Systemleistung. (Bildquelle: Analog Devices)

Zwischen der piezoelektrischen Wandleranordnung und der aktiven Elektronik befindet sich ein Sende-/Empfangsschalter (T/R). Die Aufgabe dieses Schalters besteht darin, zu verhindern, dass die den Wandler antreibenden Hochspannungs-Sendesignale den empfangsseitigen mit niedriger Spannung betriebenen AFE erreichen und beschädigen. Nachdem die empfangene Reflexion verstärkt und aufbereitet wurde, wird sie an den Analog/Digital-Wandler (ADC) des AFE weitergeleitet, wo sie digitalisiert und einer softwarebasierten Bildverarbeitung und -aufbereitung unterzogen wird.

Jeder der verschiedenen Bildgebungsmodi eines Ultraschallsystems stellt unterschiedliche Anforderungen an den Dynamikbereich und damit an das SNR bzw. an das Rauschen:

• Für den Schwarz-Weiß-Bildmodus ist ein Dynamikbereich von 70 Dezibel (dB) erforderlich; das Grundrauschen ist wichtig, da es sich auf die maximale Tiefe auswirkt, in der das kleinste Ultraschallecho im Fernfeld zu sehen ist. Dies wird als Penetration bezeichnet, eines der Hauptmerkmale des Schwarz-Weiß-Modus.
• Für den Pulswellen-Doppler-Modus (PWD) ist ein Dynamikbereich von 130 dB erforderlich.
• Für den Dauerstrich-Doppler-Modus (CWD) werden 160 dB benötigt. Beachten Sie, dass das 1/f-Rauschen für die PWD- und CWD-Modi besonders wichtig ist, da diese beiden Bilder das niederfrequente Spektrumselement unterhalb von 1 kHz enthalten und das Phasenrauschen das Doppler-Frequenzspektrum oberhalb von 1 kHz beeinträchtigt.

Diese Anforderungen sind nicht leicht zu erfüllen. Da die Frequenz des Ultraschallwandlers typischerweise zwischen 1 MHz und 15 MHz liegt, wird er von jedem Schaltfrequenzrauschen innerhalb dieses Bereichs beeinflusst. Wenn innerhalb der PWD- und CWD-Spektren (zwischen 100 Hz und 200 kHz) Intermodulationsfrequenzen vorhanden sind, erscheinen in den Doppler-Bildern offensichtliche Rauschspektren, was für das Ultraschallsystem nicht akzeptabel ist. Für eine maximale Systemleistung und Bildqualität (Klarheit, Dynamikbereich, fehlende Bildflecken und andere Leistungsmerkmale) ist es wichtig, die Quellen zu untersuchen, die einen Verlust der Signalqualität und eine Verschlechterung des SNR verursachen.

Die erste ist offensichtlich: Aufgrund der Dämpfung sind die Reflexionen von Geweben und Organen, die tiefer im Körper liegen (z. B. Nieren), viel schwächer als die von denjenigen, die sich in der Nähe des Transducers befinden. Daher wird das reflektierte Signal vom AFE „verstärkt“, so dass es einen möglichst großen Teil des Eingangsbereichs des AFE ausfüllt. Hierfür wird eine automatische Verstärkungsregelung (AGC) verwendet. Diese AGC-Funktion ähnelt der Funktion, die in drahtlosen Systemen verwendet wird, wo die AGC die drahtlose HF-Empfangsstärke (RSS) bewertet und deren zufällige, unvorhersehbare Änderungen über eine Spanne von mehreren Dutzend Dezibel dynamisch ausgleicht.

Allerdings ist die Situation bei der Ultraschallanwendung anders als bei einer drahtlosen Verbindung. Stattdessen ist die Pfaddämpfung annähernd bekannt, ebenso wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallenergie - 1540 Meter pro Sekunde (m/s) in weichem Gewebe, also etwa fünfmal schneller als die Ausbreitung in Luft mit etwa 330 Metern pro Sekunde - und damit ist auch die Dämpfungsrate bekannt.

Auf der Grundlage dieses Wissens verwendet der AFE einen Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA), der als Zeit-Verstärkungs-Kompensator (TGC) angeordnet ist. Die Verstärkung dieses VGA ist linear (in dB) und so konfiguriert, dass eine linear zeitlich ansteigende Steuerspannung die Verstärkung über der Zeit erhöht, um die Dämpfung weitgehend zu kompensieren. Dies maximiert den SNR und die Ausnutzung des Dynamikbereichs des AFE.

Rauschtypen und wie man sie bekämpft

Obwohl das körpereigene und patienteninduzierte Signalrauschen außerhalb der Kontrolle des Entwicklers des Ultraschallsystems liegt, muss das interne Systemrauschen gesteuert und kontrolliert werden. Dazu ist es wichtig, die verschiedenen Rauschtypen und ihre Auswirkungen zu kennen und zu wissen, wie man sie reduzieren kann. Die wichtigsten Bereiche sind das Rauschen der Schaltregler, das weiße Rauschen der Signalkette, der Taktgeber und der Stromversorgung sowie das Layout-Rauschen.

• Schaltregler-Rauschen: Die meisten Schaltregler verwenden einen einfachen Widerstand zur Einstellung der Schaltfrequenz. Die unvermeidliche Toleranz des Nennwerts dieses Widerstands führt zu unterschiedlichen Schaltfrequenzen und Oberschwingungen, da sich die Frequenzen verschiedener unabhängiger Regler vermischen und gegenseitig überlagern. Bedenken Sie, dass selbst ein Widerstand mit enger Toleranz und einer Ungenauigkeit von 1 % zu einer Oberwellenfrequenz von 4 kHz in einem 400-kHz-DC/DC-Regler führt, wodurch die Oberwellen schwerer zu kontrollieren sind.

Eine bessere Lösung ist die Auswahl eines Schaltregler-ICs mit einer Synchronisationsfunktion, die über einen SYNC-Anschluss an einem der Gehäusestifte implementiert ist. Mit dieser Funktion kann ein externer Taktgeber ein Signal an die verschiedenen Regler verteilen, so dass sie alle mit der gleichen Frequenz und Phase schalten. Dadurch wird die Vermischung der Nennfrequenzen und der damit verbundenen Oberwellenprodukte vermieden.

Der LT8620 zum Beispiel ist ein hocheffizienter, schneller, synchroner monolithischer Abwärtsschaltregler, der einen weiten Eingangsspannungsbereich bis 65 Volt akzeptiert und nur 2,5 Mikroampere (μA) Ruhestrom verbraucht (Abbildung 2). Sein „Burst Mode“-Betrieb mit geringer Welligkeit ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad bis hin zu sehr niedrigen Ausgangsströmen, während die Ausgangswelligkeit unter 10 Millivolt (mV) Spitze-Spitze liegt. Ein SYNC-Pin ermöglicht die benutzerdefinierte Synchronisierung mit einem externen Takt von 200 kHz bis 2,2 MHz.

Abbildung 2: Der hocheffiziente Abwärtsschaltregler LT8620 verfügt über einen SYNC-Pin, so dass seine Taktung mit anderen Systemtakten synchronisiert werden kann, wodurch Takt-Intermodulationseffekte minimiert werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Eine andere Technik ist die Verwendung eines Schaltreglers, der mit einer zufälligen Spreizung des Taktspektrums arbeitet, um die erzeugte elektromagnetische Störung (EMI) über ein breiteres Band zu verteilen und so den Spitzenwert bei einer bestimmten Frequenz zu senken. Dies ist zwar eine attraktive Lösung für einige Anwendungen, die weniger SNR-kritisch und mehr auf die Einhaltung der EMI-Anforderungen ausgerichtet sind, führt aber zu Unsicherheiten bei den resultierenden Oberwellen, die über ein breiteres Spektrum erzeugt werden und damit schwerer zu kontrollieren sind. Beispielsweise führt eine Schaltfrequenzspreizung von 20 % für die EMI-Betrachtung zu Oberschwingungsfrequenzen zwischen null und 80 kHz in einem 400-kHz-Netzteil. Dieser Ansatz zur Verringerung von EMI-„Spitzen“ kann zwar dazu beitragen, einschlägige behördliche Auflagen zu erfüllen, kann aber für die besonderen SNR-Anforderungen von Ultraschalldesigns kontraproduktiv sein.

Mit Schaltreglern mit konstanter Frequenz lässt sich dieses Problem vermeiden. Die Silent-Switcher-Spannungsregler und μModulregler von ADI schalten mit konstanter Frequenz. Gleichzeitig bieten sie eine EMI-Performance mit auswählbaren Spreizspektrumsverfahren, um ein hervorragendes Einschwingverhalten ohne die mit dem Spreizspektrum verbundenen Unsicherheiten zu gewährleisten.

Die Silent-Switcher-Reglerfamilie ist auch nicht nur auf Regler mit geringerer Leistung beschränkt. Der LTM8053 ist beispielsweise ein Abwärtsregler für 40 V_IN (maximal), 3,5 A Dauerstrom und 6 A Spitzenstrom, der einen Schaltregler, Leistungsschalter, eine Induktivität und alle unterstützenden Komponenten enthält. Nur die Eingangs- und Ausgangsfilterkondensatoren werden benötigt, um das Design zu vervollständigen. Er unterstützt einen Ausgangsspannungsbereich von 0,97 bis 15 Volt und einen Schaltfrequenzbereich von 200 kHz bis 3 MHz, die jeweils über einen einzigen Widerstand eingestellt werden.

Abbildung 3: Der LTM8053 aus der Silent-Switcher-Familie kann einen Dauerstrom von 3,5 A/6 A Spitzenstrom liefern; er akzeptiert einen Eingang von 3,4 bis 40 Volt und kann einen Ausgang über einen weiten Bereich von 0,97 bis 15 Volt liefern. (Bildquelle: Analog Devices)

Das einzigartige Gehäuse des LTM8053 trägt dazu bei, dass die EMI niedrig bleibt und gleichzeitig ein höherer Ausgangsstrom erzielt wird. Ein Kupfersäulen-Flip-Chip-Gehäuse in einem Silent-Switcher-µModule-Regler trägt zur Verringerung der parasitären Induktivität und zur Optimierung der Spike- und Totzeit bei und ermöglicht ein Design mit hoher Dichte und hoher Strombelastbarkeit in einem kleinen Gehäuse (Abbildung 4). Wenn mehr Strom benötigt wird, können mehrere LT8053 parallel geschaltet werden.

Abbildung 4: Der LTM8053 (und andere Silent Switcher-Bauteile) integriert einen Kupfer-Pillar-Flip-Chip, der eine hohe Dichte und hohe Stromstärke in einer kleinen Verpackung ermöglicht und gleichzeitig die parasitäre Induktivität minimiert. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Technologie und Topologie der Silent-Switcher-Reihe ist nicht auf Regler mit einem Ausgang beschränkt. Der LTM8060 ist ein Vierkanal-Silent-Switcher-μModul-Regler für 40 V_IN und einem konfigurierbaren 3A-Ausgangsarray (Abbildung 5). Er arbeitet mit bis zu 3 MHz und ist in einem kompakten (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm), umspritzten Ball-Grid-Array (BGA) untergebracht.

Abbildung 5: Der LTM8060 ist ein konfigurierbares Vierkanal-μModul-Array mit 3A/Kanal-Ausgang in einem kompakten Gehäuse von nur 11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm. (Bildquelle: Analog Devices)

Einer der interessanten Aspekte dieses Vierkanal-Bausteins ist, dass seine Ausgänge in verschiedenen Konfigurationen parallel geschaltet werden können, um verschiedenen Laststromanforderungen gerecht zu werden, bis zu einem Maximum von 12 A (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die vier 3A-Ausgänge des LTM8060 können in verschiedenen Parallelkonfigurationen angeordnet werden, um die Anforderungen der Anwendung an die Gleichstromschiene zu erfüllen. (Bildquelle: Analog Devices)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Silent-Switcher-Regler viele Vorteile in Bezug auf Rauschen, Oberwellen und thermische Leistung bieten (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Hauptmerkmale der Silent-Switcher-Reglerfamilie in Bezug auf wichtige Entwurfsaspekte sind dargestellt. (Bildquelle: Analog Devices)

• Weißes Rauschen: Auch in einem Ultraschallsystem gibt es viele Quellen für weißes Rauschen, was zu Hintergrundrauschen und Bildflecken führt. Dieses Rauschen stammt hauptsächlich aus der Signalkette, dem Taktgeber und der Stromversorgung. Das Hinzufügen eines Reglers mit niedrigem Spannungseinbruch (LDO) am Power-Pin einer empfindlichen analogen Komponente kann hier Abhilfe schaffen.

Die LDO-Regler der nächsten Generation von ADI, wie z. B. der LT3045, zeichnen sich durch einen extrem niedrigen Rauschpegel von etwa 1 Mikrovolt (μV) effektiv (10 Hz bis 100 kHz) aus und liefern einen Ausgangsstrom von bis zu 500 mA bei einem typischen Spannungseinbruch von 260 mV (Abbildung 8). Der Ruhestrom im Betrieb beträgt nominell 2,3 mA und sinkt im Abschaltmodus auf deutlich unter 1 μA. Weitere rauscharme LDOs sind für Ströme von 200 mA bis 3 A erhältlich.

Abbildung 8: Die LDO-Regler LT3045 zeichnen sich durch ein extrem geringes Rauschen von ca. 1 μV effektiv über einen Strombereich von 200 mA bis 3 A aus (Bildquelle: Analog Devices)

• Platinenlayout: Bei den meisten Platinenlayouts besteht ein Konflikt zwischen den Hochstrom-Signalleitungen von den Schaltnetzteilen und den angrenzenden Niederpegel-Signalleitungen, da Rauschen von den Ersteren in die Letzteren einkoppeln kann. Dieses Schaltrauschen wird in der Regel durch die „heiße Schleife“ erzeugt, die durch den Eingangskondensator, den Top-Side-MOSFET, den Bottom-Side-MOSFET und durch parasitäre Induktivitäten aufgrund von Verdrahtung, Routing und Bonding entsteht.

Die Standardlösung besteht darin, eine Dämpfungsschaltung hinzuzufügen, um die elektromagnetische Emission zu reduzieren, was jedoch die Effizienz verringert. Die Silent-Switcher-Architektur verbessert die Leistung und sorgt auch bei hohen Schaltfrequenzen für einen hohen Wirkungsgrad, indem sie eine entgegengesetzte heiße Schleife (das so genannte „Splitting“) mit bidirektionalen Emissionen erzeugt und so die EMI um etwa 20 dB reduziert (Abbildung 9).

Abbildung 9: Durch die Einrichtung einer entgegengesetzten „heißen Schleife“, die den Stromflusspfad aufspaltet, reduziert der Silent Switcher die EMI um etwa 20 dB. (Bildquelle: Analog Devices)

Wirkungsgrad versus Rauschen

Wenn es einen Kompromiss zwischen Stromversorgungsrauschen und potenzieller Effizienz gibt, sollte die Notwendigkeit eines extrem niedrigen Rauschens bei der Ultraschallanwendung überwiegen. Schließlich sollten ein paar Milliwatt mehr Verlustleistung auf der „großen“ Systemebene keine so große Belastung darstellen. Warum sollte man nicht auch die vom Wandler gepulste Energie erhöhen, um die Stärke des Pulssignals und damit den reflektierten SNR zu steigern?

Dieser Kompromiss ist jedoch mit einer weiteren Komplikation verbunden: der Selbsterhitzung der digitalen Sonde, die den Wandler, den Treiber für das piezoelektrische Element, das AFE und andere elektronische Schaltungen enthält. Ein Teil der elektrischen Energie der Sonde wird in das piezoelektrische Element, die Linse und das Trägermaterial abgeleitet, was zu einer Erwärmung des Wandlers führt. Zusammen mit der verschwendeten Schallenergie im Transducer führt dies zu einer Erwärmung und einem Temperaturanstieg an der Sonde.

Es gibt einen Grenzwert für die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Transducers. Die IEC-Norm 60601-2-37 (Rev. 2007) beschränkt diese Temperatur auf 50 °C, wenn der Transducer in Luft sendet, und auf 43 °C, wenn er in ein geeignetes Phantom (einen Standard-Körpersimulator) sendet; die letztgenannte Grenze bedeutet, dass die Haut (normalerweise 33 °C) um höchstens 10 °C erwärmt werden kann. Daher ist die Erwärmung des Transducers ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion komplexer Transducer. Diese Temperaturgrenzen können die nutzbare akustische Leistung unabhängig von der verfügbaren Gleichstromleistung effektiv einschränken.

Fazit

Die Ultraschallbildgebung ist ein weit verbreitetes, wertvolles, nicht-invasives und risikofreies Instrument der medizinischen Bildgebung. Obwohl das Grundprinzip konzeptionell einfach ist, erfordert die Entwicklung eines effektiven Bildgebungssystems eine beträchtliche Menge an komplexen Schaltungen sowie mehrere Gleichstromregler zur Versorgung der verschiedenen Teilschaltungen. Diese Regler und die damit verbundene Leistung müssen effizient, aber auch sehr rauscharm sein, da die reflektierte akustische Signalenergie einen extremen SNR und Dynamikbereich erfordert. Wie gezeigt, erfüllen die LDOs und Silent-Switcher-ICs von Analog Devices diese Anforderungen ohne Kompromisse bei Platzbedarf, EMI oder anderen wichtigen Eigenschaften.

Verwandte Inhalte

1. Maxim/Analog Devices, Tutorial 4696, „Überblick über Ultraschall-Bildgebungssysteme und die für die wichtigsten Unterfunktionen erforderlichen elektrischen Komponenten“ (Englisch)
2. Analog Devices, „Silent Switcher™-Technologie von Analog Devices“ (Video, Englisch)
3. Analog Devices, „Rauscharme Silent-Switcher-μModule und LDO-Regler verbessern Ultraschallrauschen und Bildqualität“ (Englisch)
4. Analog Devices, „Silent-Switcher-Komponenten sind leise und einfach“ (Englisch)