Kompakte Ultraschallgeräte für die Medizintechnik

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

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Das Transceiver-Powermanagement

Ein wichtiger Aspekt bei solchen hochintegrierten Designs ist die Leistungsaufnahme. Viele dieser Ultraschallsysteme sind transportabel und müssen mindestens eine Stunde lang mit einer Akkuladung auskommen. Die hohe Bestückungsdichte auf den Leiterplatten und die dicht gepackte, jeden Luftstrom behindernde Unterbringung der Platinen im System machen darüber hinaus auch die Entwärmung zu einem Problem. Da die Ultraschall-Transceiver einen erheblichen Anteil an der Verlustleistung des Gesamtsystems haben, sollte ihnen beim Systemdesign intensive Beachtung gewidmet werden.

In den letzten zehn Jahren ist es gelungen, die Leistungsaufnahme von Ultraschall-Empfängern zu halbieren. Integrierte Empfängerlösungen, die den LNA, den VGA, den AAF und den ADC enthalten und weniger als 150 mW pro Kanal aufnehmen, sind heute nichts Ungewöhnliches mehr. Diese Empfänger der neuen Generation bieten überdies flexiblere Power-Control-Funktionen, die dem Anwender das Abwägen zwischen Leistungsaufnahme und Leistungsfähigkeit ermöglichen und für Phasen ohne Bildgebungsaufgaben stromsparende Schlummer-Betriebsarten mit kurzen Aufweckzeiten unterstützen.

Dennoch gibt es durchaus Raum für künftige Verbesserungen. Zum Beispiel nimmt der T/R-Umschalter mehr als 80 mW pro Kanal auf, denn es ist ein beträchtlicher Bias-Strom erforderlich, um den Durchlasswiderstand der Dioden zu reduzieren und das angestrebte Rauschverhalten zu erzielen. Hierdurch zieht diese Funktion fast so viel Leistung wie der gesamte übrige Empfänger. Proprietäre, integrierte T/R-Umschalter neuerer Bauart, wie man sie beispielsweise in dem erwähnten Transceiver-Baustein MAX2082 findet, bringen es bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 15 mA pro Kanal auf deutlich bessere Rauschwerte als diskrete Designs.

Rauschverhalten und Miniaturisierung

Es leuchtet ein, dass das Erzielen eines hohen Integrationsgrads und einer geringen Verlustleistung zu den Herausforderungen beim Design portabler Ultraschallsysteme gehört. Weniger offensichtlich sind dagegen einige Leistungsaspekte, die mit der Miniaturisierung solcher Geräte zusammenhängen.

Minimieren des In-Band-Rauschens: Ultraschallsysteme sind extrem empfindlich gegen abgestrahltes und leitungsgeführtes In-Band-Rauschen sowie Störbeeinflussungen im Bereich zwischen 2 und 15 MHz. Das Eigenrauschen eines einzelnen Kanals beträgt möglicherweise nur 1 nV/√Hz. In einem typischen 128-Kanal-System kann ein unerwünschtes, auf alle Kanäle wirkendes Signal, je nach der Strahlformungsverzögerung zwischen den Kanälen, einen Verarbeitungsgewinn von bis zu 21 dB haben. Demzufolge ist es möglich, dass ein an allen Kanälen liegendes In-Band-Rauschsignal von nur 0,09 nV/√Hz zu sichtbaren Bildartefakten führt.

Diese Phänomene treten so häufig auf, dass man sie allgemein als ‚Flash-Light-Artefakte‘ bezeichnet, denn sie ähneln einem Lichtkegel in der Mitte eines Phased-Array-Bilds, wo das System den höchsten Verarbeitungsgewinn für ein identisches (Stör-)Signal an allen Eingängen erzeugt. Derart schwache Signale können ohne weiteres von unterschiedlichen gestrahlten oder leitungsgeführten Störquellen im System hervorgerufen werden.

Designer von Ultraschallsystemen sind sehr bemüht, digitale Schaltungen mit hohem Störaufkommen von empfindlichen analogen Schaltungen mechanisch zu trennen und abzuschirmen und etwaige Erdschleifen zu kontrollieren. Leider eröffnet sich den Entwicklern portabler Ultraschallsysteme nicht der Luxus, diese Schaltungen wirklich mechanisch trennen zu können, und selbst das Abschirmen kann sich in Anbetracht der beengten Platzverhältnisse und der hohen Wärmedichte der meisten Leiterplatten problematisch gestalten.

Aus diesem Grund kommen Probleme mit In-Band-Rauschen in diesen Designs äußerst häufig vor. Dies gilt insbesondere bei großer räumlicher Nähe zu störintensiven Einplatinen-PCs, die oft für viele Rechen- und Display-Aufgaben in diesen Systemen verwendet werden. Es ist deshalb besonders wichtig, der Erdung und Abschirmung bereits in einer frühen Phase des Designs gebührende Aufmerksamkeit zu schenken, denn es kann sehr schwierig und zeitaufwändig sein, diese hochintegrierten Designs später während der Prototyp-Erprobung abzuändern.

Minimieren von Niederfrequenzstörungen: Niederfrequente Tonfrequenzstörungen können in vielen Fällen ein Problem sein, dessen Lösung größere Schwierigkeiten bereitet. Zur Messung des Blutflusses mit Ultraschallsystemen wird die geringfügige, durch den Doppler-Effekt hervorgerufene Frequenzverschiebung des reflektierten Ultraschallsignals gemessen. Jegliche niederfrequente Modulation des gesendeten oder des empfangenen Signals durch stationäre Objekte erzeugt Rausch-Seitenbänder, die die interessierenden Doppler-Signale verfälschen (Bild 5) oder unerwünschte ‚Töne‘ in den Doppler-Spektren hervorrufen können. In gepulsten Doppler-Anwendungen muss das Verhältnis zwischen der Sendeleistung und dem Rauschen mit 1 kHz Offset größer als 140 dBc/Hz sein. Im CWD-Betrieb sind die Anforderungen mit 155 dBc/Hz sogar noch größer.

Solche niederfrequenten Störungen können viele Ursachen haben. Die stärksten Quellen sind meist niederfrequente Störungen aus der Stromversorgung, die eine ganz Reihe von Doppler-Problemen hervorrufen können. Zum Beispiel können solche Störungen zu Jitter auf digitalen Sende- und Empfangstakten führen, was den Dynamikbereich des Empfängers beeinträchtigen oder unerwünschte Doppler-Töne erzeugen kann. Ebenso können niederfrequente Störungen auf den verstärkungsbestimmenden Signalen von VGAs entstehen, was zu einer Modulation starker, von Gewebe reflektierten Signalen führen und schwache benachbarte Dopplersignale überlagern kann.

Stromversorgungsstörungen im Audiospektrum lassen sich nur durch eine aktive Regelung der Stromversorgungen wirksam eindämmen. In den größeren, auf Rollwagen installierten Systemen der Vergangenheit waren ineffiziente Linearregler auf das gesamte System verteilt, um die Störpegel auf den Versorgungsleitungen wirksam in Schach zu halten. Bei leichter transportablen Geräten dagegen kommt diese Art der Problemlösung häufig nicht in Frage.

Die Ingenieure müssen deshalb mehrere dezentrale Schaltnetzteile einsetzen, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Leider können durch diese Art der Regelung beträchtliche abgestrahlte oder leitungsgeführte In-Band-Schaltstörungen entstehen, die man selbst mit geeigneten Bypass-Maßnahmen nur schwierig in den Griff bekommt.

Spektrale Doppler-Anwendungen sind besonders anfällig gegen Störbeeinflussungen dieser Art, denn die diskreten Schaltfrequenzen können Töne im Doppler-Spektraldisplay hervorrufen und sind ein häufig vorkommendes Artefakt in Systemen dieser Art. Eine Möglichkeit, dafür zu sorgen, dass solche Störungen nicht sichtbar werden, besteht in der Synchronisation der Schaltreglerfrequenzen zum Mastertakt des Systems.

Die Schaltstörungen lassen sich dann leichter aus den interessierenden Doppler-Frequenzbändern heraushalten, und gleichzeitig kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Der Verwendung von Schaltreglern sollte in diesen Entwürfen große Aufmerksamkeit gewidmet werden, um die Leistungsaufnahme gering zu halten und das Entstehen schwierig zu beseitigender Doppler-Artefakte zu vermeiden.

Wohin zukünftige Entwicklungen führen

Entwickler sind sich einig, dass der Entwurf tragbarer Ultraschallsysteme erhebliche Herausforderungen birgt. Die beengten Platzverhältnisse, das Powermanagement bei immer kleineren Abmessungen und die Forderung nach immer mehr Leistungsfähigkeit werfen ständig neue, gewichtige Probleme auf. Die Ingenieure sind somit gefordert, mit viel Überlegung analoge, hochintegrierte IC-Lösungen einzusetzen, die das geforderte Leistungsniveau bieten. Sie müssen sich außerdem auf die notwendigen Maßnahmen beim Systemdesign einstellen und diese anwenden, um die gängigen störungsbedingten Probleme, mit denen diese äußerst kompakten Designs zwangsläufig behaftet sind, zu vermeiden. //

* John Scampini ist als Executive Director in der Industrial Communications and Ultrasound Business Unit von Maxim Integrated in San Jose, USA tätig.