新技术+新联盟：NS发力超声波医疗领域

■ 记者：韩霜

近几年来，医疗电子引起了人们前所未有的关注，一方面，随着世界人口数目的不断飙升，老龄化问题日益严峻，使得对医疗诊断及护理设备的需求持续上涨；另一方面，随着元器件性能不断地提升以及体积的日益缩减，更多的医疗电子产品开始脱下沉重而硕大的外壳，由此带来的成本和便携优势为医疗电子产品的普及和发展奠定了良好的基础。

PowerWise引领超声系统走入便携时代

在推进医疗电子产品的发展发面，半导体公司做出了相当积极的努力。日前，美国国家半导体公司（NS）宣布推出首款专为便携式超声波系统而设计的8通道超声波发射/接收芯片组——PowerWise。美国国家半导体宣称，该芯片组采用创新电路架构，可以帮助工程师设计出电池寿命更长、且影像分辨率可媲美大型超声波扫描机的便携式超声波系统。

美国国家半导体的这款8通道发射/接收芯片组包括接收系统模拟前端电路（AFE）、发射/接收系统开关、发射系统脉冲发生器及可配置发射系统波束成形器。其高度集成的特性令系统设计师可以利用该芯片组来开发小巧轻盈、影像更清晰、更易据此作出准确诊断的128通道便携式超声波系统。美国国家半导体为这款芯片组提供全套评估套件、参考电路图及设计工具，让客户可以仔细评估芯片性能，并加快产品的上市时间。

该8通道芯片组由4颗芯片组成，芯片间协同工作令芯片组实现高性能及效率。例如，只要重新配置发射系统波束成形器，便可校准电路板走线之间的延迟误差以及脉冲发生器的延迟误差。这样可大幅改善失真情况，而且还可让系统进行第二次谐波成像。发射/接收系统开关也让系统设计师在设计上有更大的灵活性，他们可以为偏压电流灵活地选择不同的设置值，以便在功耗与性能之间做出适当的取舍。

美国国家半导体的模拟前端电路采用独特的架构，在确保影像质量的同时，还可将B模式的功耗尽量降低。这颗模拟前端电路还内置高分辨率的数字可变增益放大器（DVGA）及低功耗的连续时间Sigma-delta (CTSD) 模拟/数字转换器（ADC）。此外，数字可变增益放大器还具有多个传统模拟可变增益放大器所没有的优点，例如，各通道之间可以更好地校准并具有更好的信号频谱性能。连续时间Sigma-delta ADC本身还有砖墙式混叠信号滤除功能。相比之下，采用传统流水线式ADC的模拟前端电路不但功耗较高，而且滤除混叠信号的能力也较低。

此外，美国国家半导体还为便携式超声波系统提供一个全方位的信号路径解决方案，其中包括时钟电路及电源管理芯片。

LM96511：PowerWise 超声波接收系统模拟前端电路

LM96511 模拟前端电路内置8通道的低噪声放大器、数字可变增益放大器、12位 40-50MHz并可支持LVDS数据输出的ADC以及8个解调器，以便支持连续波多普勒(CW Doppler) 波束成形功能。这款模拟前端电路的B模式最低功耗为每通道110mW。此外，这款模拟前端电路的每一通道增益均可相互对准，彼此相差不超过+/-0.06dB (典型值)，可以确保扫描影像的质量更加清晰。内置的连续波多普勒(CW Doppler) 系统的动态范围达161dB/Hz，即使是血液流速极慢的人体器官如肝脏，也可确保准确测量。LM96511模拟前端电路采用大小只有187平方毫米的封装。

LM96530：PowerWise 超声波发射/接收系统开关

LM96530芯片内置8个配备钳位二极管的发射/接收系统开关，并可独立关闭个别通道。这款芯片的输入参考噪声只有 0.5nV/sqrt Hz，而导通电阻则只有16Ω，因此LM96530开关电路可提高系统的接收灵敏度及影像分辨率。这款芯片的封装比分立式解决方案小4倍，有助于缩小电路板体积，控制功能则通过菊链式SPI接口执行，这样可减少设置参数所必要的FPGA输入/输出（I/O）引脚。

LM96550：PowerWise 超声波发射系统脉冲发生器

LM96550芯片内置8个配备阻尼器的脉冲发生器，可以产生+/-50V 的双极脉冲，峰值电流高达2A，而脉冲频率则高达20MHz。LM96550芯片可以连续不断监控芯片温度，并在必要时输出关断逻辑信号，为系统提供过热保护。

LM96570：PowerWise 可配置超声波发射系统波束成形器

LM96570芯片内置的波束成形器只产生很少的信号抖动，其峰峰值抖动比FPGA芯片一向采用的波束成形器低25ps，因此可大幅提高B模式的扫描影像分辨率，同时确保可以测量采用连续波多普勒模式时较慢的血液流速。LM96570 芯片可以精简电路板的线路布局，以便系统设计师可以将这款芯片直接放置于脉冲发生器的旁边。相比之下，若将FPGA的输入/输出引脚（I/O）连接至脉冲发生器，则须解决常见的路径选择问题。

开发工具

美国国家半导体提供全套开发套件，其中包括内含硬件和软件的全套 WaveVision 5 数据采集分析系统，以及可以支持编程和控制功能且简便易用的 GUI接口。

与西门子合力推动超声波技术的发展

近日，美国国家半导体公司还与西门子医疗解决方案公司结成战略联盟以推动超声波技术的发展，让新一代的超声波成像系统不但能显示更高质量的影像，还能添加3D/4D成像功能，并实现更低的功耗。

该战略联盟将西门子公司先进的超声波技术和美国国家半导体公司高能效模拟技术结合在一起。美国国家半导体将与西门子公司密切合作，为其提供领先的电源管理、信号路径和换能器等技术。而基于此次的合作，西门子公司将能够生产影像更清晰、能效更高的具有突破性的新一代超声波系统。两家公司希望通过此次合作最终为医疗用超声波系统在操作效率、诊断可靠性和扫描简易性上确立新的技术标准。

西门子医疗公司设备业务部首席执行官 Norbert Gaus 博士表示：“多年来，我们一直大力推动新一代超声波成像技术的发展。由于数据传输量不断飙升以及对产品便携性需求的增长，因此新开发的超声波系统必须同时兼顾能源效率及系统性能。我们视美国国家半导体为战略联盟，期望他们可以在模拟技术方面助我们一臂之力，实现我们的梦想。”

美国国家半导体主要市场板块及业务发展部高级副总裁 Mike Polacek 先生表示：“这是一个很理想的联盟，因为两家公司都可通过合作增强各自的竞争优势。西门子公司的世界级医疗设备早已闻名于世。该公司的新一代超声波系统在引进美国国家半导体的高性能技术、芯片组及子系统级解决方案后，将会进一步提升其性能。我们都希望通过合作来成就更大的事业。”



图1 8通道超声波发射/接收芯片组