Come migliorare la qualità delle immagini dei sistemi a ultrasuoni con l'uso di alimentatori a bassissimo rumore

La tecnologia a ultrasuoni, uno strumento non invasivo ampiamente utilizzato nella diagnostica medica e in altre applicazioni, è passata da immagini statiche a immagini dinamiche e da presentazioni in bianco e nero a immagini Doppler a colori. Questi importanti miglioramenti sono in gran parte dovuti all'introduzione della tecnologia ecografica digitale. Se da un lato questi progressi hanno aumentato l'efficacia e la versatilità dell'imaging a ultrasuoni, dall'altro è altrettanto importante che questi sistemi offrano una migliore qualità dell'immagine grazie ai progressi della testata della sonda a ultrasuoni e del front-end analogico (AFE) che pilota la sonda e acquisisce i segnali di ritorno.

Uno degli ostacoli al raggiungimento di questa migliore qualità dell'immagine è il rumore, quindi l'obiettivo del progetto è quello di aumentare il rapporto segnale/rumore (SNR) del sistema. Questo obiettivo può essere raggiunto in parte affrontando il problema del rumore dovuto ai vari rail di alimentazione del sistema. Si noti che tale rumore non è un'entità unica e semplice. Al contrario, ha diverse caratteristiche e attributi che determinano l'impatto finale sulle prestazioni del sistema.

Questo articolo illustra il principio di base dell'imaging a ultrasuoni, per poi concentrarsi sui diversi fattori che influenzano la qualità dell'immagine, in primo luogo il rumore degli alimentatori. Utilizzerà i dispositivi di regolazione c.c./c.c. di Analog Devices come esempi di componenti di alimentazione che possono migliorare notevolmente l'SNR e altri aspetti delle prestazioni del sistema a ultrasuoni.

Nozioni di base sull'imaging a ultrasuoni

Il concetto è semplice: generare un impulso acustico acuto, quindi "ascoltare" la sua eco riflessa quando incontra ostacoli o varie interfacce tra gli organi e le loro diverse impedenze acustiche. Eseguendo ripetutamente queste sequenze impulso-ritorno, le riflessioni possono essere utilizzate per creare un'immagine delle superfici riflettenti.

Per la maggior parte delle modalità di ultrasuoni, l'array di trasduttori piezoelettrici invia un numero limitato di cicli d'onda (in genere da due a quattro) come impulso. La frequenza di queste onde in ogni ciclo è solitamente compresa tra 2,5 e 14 MHz. L'array è controllato tramite tecniche di formazione del fascio analoghe a quelle di un'antenna RF a schiera di fase, in modo che l'impulso ultrasonico complessivo possa essere focalizzato e indirizzato per creare una scansione. Il trasduttore passa quindi alla modalità di ricezione per rilevare il ritorno delle onde riflesse dall'interno del corpo.

Si noti che il rapporto di temporizzazione trasmissione/ricezione è tipicamente di circa 1%-99%, con una frequenza di ripetizione degli impulsi solitamente compresa tra 1 e 10 kHz. Cronometrando l'impulso dalla sua trasmissione agli echi ricevuti e conoscendo la velocità con cui l'energia degli ultrasuoni si propaga attraverso il tessuto corporeo, è possibile calcolare la distanza dal trasduttore all'organo o all'interfaccia che riflette l'onda. L'ampiezza delle onde di ritorno determina la luminosità dei pixel assegnati al riflesso nell'immagine ecografica, dopo una considerevole post-elaborazione digitale.

Comprendere i requisiti di sistema

Nonostante la semplicità concettuale del principio di base, un sistema completo di imaging a ultrasuoni di fascia alta è un dispositivo complesso (Figura 1). Le prestazioni finali del sistema sono in gran parte determinate dal trasduttore e dal front-end analogico (AFE), mentre la post-elaborazione del segnale riflesso digitalizzato consente agli algoritmi di migliorare la situazione.

Non sorprende che il rumore di sistema sia uno dei fattori che limitano la qualità e le prestazioni dell'immagine, analogamente alla considerazione del tasso di errore di bit (BER) rispetto all'SNR nei sistemi di comunicazione digitale.

Figura 1: Un sistema completo di imaging a ultrasuoni è una combinazione complessa di una quantità significativa di funzionalità analogiche, digitali, di potenza e di elaborazione; l'AFE definisce i limiti prestazionali del sistema. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Tra l'array di trasduttori piezoelettrici e l'elettronica attiva è presente un interruttore di trasmissione/ricezione (T/R). Il ruolo di questo interruttore è quello di impedire che i segnali di trasmissione ad alta tensione che pilotano il trasduttore raggiungano e danneggino l'AFE a bassa tensione sul lato di ricezione. Dopo essere stata amplificata e condizionata, la riflessione ricevuta passa al convertitore analogico/digitale (ADC) dell'AFE, dove viene digitalizzata e sottoposta a un'elaborazione e a un miglioramento dell'immagine basata su software.

Ciascuna delle diverse modalità di imaging di un sistema a ultrasuoni ha requisiti diversi per quanto riguarda la gamma dinamica e quindi l'SNR o i requisiti di rumore:

• Per la modalità di immagine in bianco e nero, è richiesta una gamma dinamica di 70 dB; il rumore di fondo è importante in quanto influisce sulla profondità massima a cui è possibile vedere l'eco ecografica più piccola nel campo lontano. Si tratta della cosiddetta penetrazione, una delle caratteristiche principali della modalità in bianco e nero.
• Per la modalità Doppler a onde impulsive (PWD), è richiesta una gamma dinamica di 130 dB.
• Per la modalità Doppler a onda continua (CWD) sono necessari 160 dB. Si noti che il rumore 1/f è particolarmente importante per le modalità PWD e CWD, poiché entrambe le immagini includono l'elemento dello spettro a bassa frequenza inferiore a 1 kHz, mentre il rumore di fase influisce sullo spettro di frequenza Doppler superiore a 1 kHz.

Questi requisiti non sono facili da soddisfare. Poiché la frequenza del trasduttore a ultrasuoni è tipicamente compresa tra 1 e 15 MHz, sarà influenzata da qualsiasi rumore di frequenza di commutazione all'interno di questo intervallo. Se sono presenti frequenze di intermodulazione all'interno degli spettri PWD e CWD (da 100 Hz a 200 kHz), nelle immagini Doppler appariranno evidenti spettri di rumore, il che è inaccettabile nel sistema a ultrasuoni. Per ottenere le massime prestazioni del sistema e la qualità dell'immagine (nitidezza, gamma dinamica, assenza di disturbi e altre cifre di merito), è importante esaminare le sorgenti che causano la perdita di qualità del segnale e deteriorano l'SNR.

La prima è ovvia: a causa dell'attenuazione, i segnali di ritorno dai tessuti e dagli organi più profondi del corpo (come i reni) sono molto più deboli di quelli provenienti dagli elementi vicini al trasduttore. Pertanto, il segnale riflesso viene "guadagnato" dall'AFE in modo da occupare la maggior parte possibile dell'intervallo di ingresso dell'AFE. A tal fine, viene utilizzata una funzione di controllo automatico del guadagno (AGC). Questa funzione è simile a quella utilizzata nei sistemi wireless, dove l'AGC valuta l'intensità del segnale ricevuto (RSS) e compensa dinamicamente le sue variazioni casuali e imprevedibili nell'arco di decine di decibel.

Tuttavia, nell'applicazione a ultrasuoni la situazione è diversa da quella di un collegamento wireless. Qui, l'attenuazione del percorso è nota approssimativamente, così come la velocità di propagazione dell'energia acustica (circa 540 m/s nei tessuti molli, o circa cinque volte superiore alla propagazione nell'aria a circa 330 m/s), quindi anche il tasso di attenuazione è noto.

Sulla base di queste conoscenze, l'AFE utilizza un amplificatore a guadagno variabile (VGA) disposto come amplificatore di compensazione a guadagno temporale (TGC). Il guadagno di questo VGA è lineare in dB ed è configurato in modo tale che una tensione di controllo a rampa lineare rispetto al tempo aumenti il guadagno rispetto al tempo per compensare in larga misura l'attenuazione. In questo modo si massimizza l'SNR e l'utilizzo della gamma dinamica dell'AFE.

Tipi di rumore e come affrontarli

Sebbene il rumore del segnale indotto dal corpo e dal paziente esuli dal controllo del progettista del sistema a ultrasuoni, il rumore interno del sistema deve essere gestito e controllato. Per questo è importante capire i tipi di rumore, il loro impatto e le misure da adottare per ridurli. Le aree d'interesse principali sono il rumore del regolatore a commutazione, il rumore bianco dovuto alla catena di segnali, al clock e all'alimentazione e il rumore legato al layout.

• Rumore del regolatore a commutazione: la maggior parte dei regolatori a commutazione utilizza un semplice resistore per impostare la frequenza di commutazione. L'inevitabile tolleranza del valore nominale di questo resistore introduce frequenze di commutazione e armoniche diverse, poiché le frequenze dei diversi regolatori indipendenti si mescolano e si modulano reciprocamente. Si consideri che anche un resistore a tolleranza stretta con una imprecisione dell'1% comporta una frequenza armonica di 4 kHz in un regolatore c.c./c.c. da 400 kHz, rendendo le armoniche più difficili da controllare.

Una soluzione migliore consiste nello scegliere un CI di regolazione a commutazione con una funzione di sincronizzazione implementata tramite una connessione SYNC su uno dei pin del contenitore. Grazie a questa funzione, un clock esterno può distribuire un segnale ai vari regolatori in modo che commutino tutti alla stessa frequenza e fase. In questo modo si elimina il mischiamento delle frequenze nominali e dei prodotti armonici associati.

Ad esempio, LT8620 è un regolatore a commutazione monolitico sincrono step-down ad alta efficienza e alta velocità che accetta un ampio intervallo della tensione di ingresso fino a 65 V e consuma solo 2,5 μA di corrente di quiescenza (Figura 2). Il funzionamento Burst Mode a basso ripple permette alta efficienza fino a correnti di uscita molto basse pur mantenendo il ripple di uscita sotto 10 mV picco-picco. Il pin SYNC consente la sincronizzazione con un clock esterno da 200 kHz a 2,2 MHz.

Figura 2: L'efficientissimo regolatore di commutazione step-down LT8620 include un pin SYNC che consente di sincronizzare il suo clock con altri clock di sistema, riducendo al minimo gli effetti di intermodulazione del clock. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un'altra tecnica consiste nell'utilizzare un regolatore a commutazione che impiega un clock casuale a divisione di spettro per distribuire l'interferenza elettromagnetica (EMI) generata su una banda più ampia, abbassando il valore di picco a qualsiasi frequenza specifica. Sebbene questa sia una soluzione interessante per alcune applicazioni meno critiche dal punto di vista dell'SNR e più interessate a soddisfare i requisiti EMI, introduce incertezze nelle armoniche risultanti che si creerebbero su uno spettro più ampio, rendendole più difficili da controllare. Ad esempio, una distribuzione della frequenza di commutazione del 20% per tenere conto delle EMI comporta frequenze armoniche tra zero e 80 kHz in un alimentatore da 400 kHz. Pertanto, se da un lato questo approccio per ridurre i "picchi transitori" di EMI può contribuire a soddisfare i requisiti normativi, dall'altro può essere controproducente per le particolari esigenze legate all'SNR dei progetti a ultrasuoni.

I regolatori a commutazione con frequenza costante aiutano a evitare questo problema. La famiglia di regolatori di tensione Silent Switcher e di regolatori μModule di ADI è caratterizzata da una commutazione a frequenza costante. Allo stesso tempo, offrono prestazioni EMI con tecniche di divisione di spettro selezionabili, per fornire un'eccellente risposta transitoria senza introdurre le incertezze associate alla divisione di spettro.

La famiglia di regolatori Silent Switcher non si limita solo ai regolatori a bassa potenza. Ad esempio, LTM8053 è un regolatore step-down da 40 V_IN (massimo), 3,5 A continui, 6 A di picco, che include un controller di commutazione, interruttori di alimentazione, un induttore e tutti i componenti ausiliari. Solo i condensatori di filtro in ingresso e uscita sono necessari per completare il progetto (Figura 3). Supporta una tensione di uscita compresa tra 0,97 e 15 V e una frequenza di commutazione da 200 kHz a 3 MHz, ciascuna impostata da un singolo resistore.

Figura 3: LTM8053 della famiglia Silent Switcher è in grado di erogare 3,5 A di corrente continua/6 A di picco, accetta un ingresso da 3,4 a 40 V e può fornire un'uscita in un ampio intervallo da 0,97 a 15 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'esclusivo contenitore in cui alloggia LTM8053 contribuisce a mantenere basse le EMI e a garantire una maggiore corrente di uscita. Un contenitore flip-chip in colonna di rame in un regolatore µModule Silent Switcher aiuta a ridurre l'induttanza parassita e a ottimizzare i tempi morti e di picco, per una progettazione ad alta densità e una grande capacità di corrente in un contenitore di dimensioni compatte (Figura 4). Se è necessaria una corrente maggiore, è possibile collegare in parallelo più dispositivi LT8053.

Figura 4: LTM8053 (e gli altri dispositivi Silent Switcher) integrano un flip-chip in colonna di rame, che consente la progettazione ad alta densità e una grande capacità di corrente in un contenitore compatto, riducendo al minimo l'induttanza parassita. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La tecnologia e la topologia della linea Silent Switcher non si limitano ai regolatori a uscita singola. LTM8060 è un regolatore μModule Silent Switcher da 40 V_IN a quattro canali con un array di uscite di 3 A configurabile (Figura 5). Funziona fino a 3 MHz ed è alloggiato in un compatto contenitore BGA (Ball Grid Array) sovrastampato di di 11,9 × 16 × 3,32 mm.

Figura 5: LTM8060 è un array μModule configurabile a quattro canali con uscita a 3 A/canale in un contenitore compatto di soli 11,9 × 16 × 3,32 mm. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Uno degli aspetti interessanti di questo dispositivo a 4 canali è che le sue uscite possono essere disposte in parallelo in diverse configurazioni per soddisfare le diverse esigenze di corrente di carico, fino a un massimo di 12 A (Figura 6).

Figura 6: Le quattro uscite da 3 A di LTM8060 possono essere disposte in diverse configurazioni in parallelo per soddisfare i requisiti della linea c.c. dell'applicazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In sintesi, i regolatori Silent Switcher offrono molti vantaggi in termini di rumore, armoniche e prestazioni termiche (Figura 7).

Figura 7: Gli attributi principali della famiglia di regolatori Silent Switcher sono rappresentati in relazione a importanti prospettive di progettazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

• Rumore bianco: in un sistema a ultrasuoni sono presenti anche molte sorgenti di rumore bianco, che causano rumore di fondo e "disturbi" nell'immagine. Questo rumore proviene principalmente dalla catena di segnali, dal clock e dall'alimentazione. L'aggiunta di un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) sul pin di alimentazione di un componente analogico sensibile può risolvere il problema.

I regolatori LDO di nuova generazione di ADI, come LT3045, presentano un livello di rumore bassissimo, pari a circa 1 μV rms (da 10 Hz a 100 kHz) e forniscono un'uscita di corrente fino a 500 mA con una tensione di caduta di tensione tipica di 260 mV (Figura 8). La corrente di quiescenza di funzionamento nominale è pari a 2,3 mA e scende a molto meno di 1 μA in modalità di spegnimento. Sono disponibili altri LDO a basso rumore per intervalli di corrente da 200 mA a 3 A.

Figura 8: I regolatori LDO LT3045 sono noti per il loro bassissimo rumore, pari a circa 1 μV rms su un intervallo di corrente compreso tra 200 mA e 3 A. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

• Layout della scheda: nella maggior parte dei layout delle schede CS, si verifica un conflitto tra le tracce di segnali ad alta corrente provenienti dagli alimentatori a commutazione e le tracce di segnali adiacenti a basso livello, in quanto il rumore proveniente dalle prime può accoppiarsi alle seconde. Questo rumore di commutazione è solitamente generato dal cosiddetto "anello caldo" creato dal condensatore di ingresso, dal MOSFET sul lato superiore, dal MOSFET sul lato inferiore e dalle induttanze parassite dovute al cablaggio, alla stesura e all'incollaggio.

La soluzione standard consiste nell'aggiungere un circuito snubber per ridurre l'emissione elettromagnetica, ma questo riduce l'efficienza. L'architettura Silent Switcher migliora le prestazioni e mantiene un'elevata efficienza anche a una frequenza di commutazione elevata creando un anello caldo opposto (chiamato "splitting") utilizzando emissioni bidirezionali, riducendo le EMI di circa 20 dB (Figura 9).

Figura 9: Stabilendo un "anello caldo" opposto che divide il percorso del flusso di corrente, il Silent Switcher riduce significativamente le EMI di circa 20 dB. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Efficienza e rumore

Se si dovesse scendere a un compromesso tra il rumore dell'alimentazione e l'efficienza potenziale, si potrebbe concludere che la necessità di un rumore bassissimo nell'applicazione a ultrasuoni dovrebbe prevalere. Dopotutto, qualche milliwatt di dissipazione in più non dovrebbe essere un peso così grande a livello di sistema. Inoltre, perché non aumentare l'energia impulsiva dal trasduttore per aumentare l'intensità del segnale dell'impulso e quindi l'SNR riflesso?

Ma questo compromesso comporta un'altra complicazione: l'autoriscaldamento della sonda digitale palmare che contiene il trasduttore, il driver dell'elemento piezoelettrico, l'AFE e altri circuiti elettronici. Parte dell'energia elettrica della sonda viene dissipata nell'elemento piezoelettrico, nella lente e nel materiale di supporto, causando il riscaldamento del trasduttore. Oltre allo spreco di energia acustica nella testa del trasduttore, si verificherà il riscaldamento e un aumento della temperatura della sonda.

Esiste un limite alla temperatura superficiale massima consentita del trasduttore. Lo standard IEC 60601-2-37 (Rev. 2007) limita questa temperatura a 50 °C quando il trasduttore trasmette in aria e a 43 °C quando trasmette in un fantoccio adeguato (un simulatore corporeo standard); quest'ultimo limite implica che la pelle (tipicamente a 33 °C) può essere riscaldata al massimo di 10 °C. Pertanto, il riscaldamento del trasduttore è una considerazione importante nella progettazione di trasduttori complessi. Questi limiti di temperatura possono effettivamente limitare l'uscita acustica utilizzabile, indipendentemente dalla potenza c.c. disponibile.

Conclusione

L'imaging a ultrasuoni è uno strumento medico ampiamente utilizzato, prezioso, non invasivo e privo di rischi. Sebbene il principio di base sia concettualmente semplice, la progettazione di un sistema di imaging efficace richiede una quantità significativa di circuiti complessi, oltre a diversi regolatori c.c. per alimentare i vari sottocircuiti. Questi regolatori e la potenza associata devono essere efficienti, ma anche a bassissimo rumore a causa degli estremi requisiti di SNR e gamma dinamica dell'energia del segnale acustico riflesso. Come mostrato, gli LDO e i circuiti integrati Silent Switcher di Analog Devices soddisfano questi requisiti senza compromettere lo spazio, le EMI o altri attributi chiave.

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1. Maxim/Analog Devices, Tutorial 4696, "Panoramica dei sistemi di imaging a ultrasuoni e dei componenti elettrici necessari per le principali sottofunzioni" (in inglese).
2. Analog Devices, "Tecnologia Silent Switcher™ di Analog Devices" (video, in inglese)
3. Analog Devices, "μModule Silent Switcher a basso rumore e regolatori LDO migliorano il rumore degli ultrasuoni e la qualità delle immagini" (in inglese).
4. Analog Devices, "I dispositivi Silent Switcher sono semplici e silenziosi" (in inglese).