מכשיר אולטרה סאונד קומפקטי ע”י אינטגרציה אנלוגית מתקדמת

John Scampini, Maxim Integrated

במהלך העשור האחרון, הציוד הרפואי לדימות באולטרה-סאונד עבר מהפכה. הפיתוחים בתחום האלקטרוניקה המשולבת אפשרו ליצרני הציוד לשפר באופן משמעותי את הניידות והכדאיות הכלכלית של הכלי הרפואי הזה, שפעם משקלו היה מאות קילוגרמים, ואפשר היה לנייד אותו רק בעזרת עגלה, והיום, ניתן לקבלו במארז שגודלו כשל מחשב נייד. למותר לציין שההשפעה על הקהילייה הרפואית ועל המטופלים עצומה. מכשיר האולטרה-סאונד משמש היום בארצות המתקדמות בנקודת הטיפול שבה נמצא הנבדק, עובדה המפחיתה עלויות ומשפרת את התוצאות, ונושאת תחזית מבטיחה ביותר.

הדרך לפיתוח פתרונות דימות קומפקטיים כאלו לא הייתה קלה. במאמר זה נאיר כמה מהאתגרים המשמעותיים ביותר שעמדו בפני מתכנני הציוד, בהם הפיכת המערכות לניידות יותר, ליקרות פחות ולבעלות ביצועים גבוהים יותר.

דימות ברמה גבוהה
מתכנני מכשירי אולטרה-סאונד חייבים למקם, במקום קטן שעומד לרשותם, מספר רב של מקמ”שי אולטרה-סאונד להפקת תמונה באיכות גבוהה. וזו אינה משימה פשוטה. במערכות מהשורה הראשונה יש 128 מקמ”שים כאלו, או יותר.
איור 1 מציג תרשים בלוקים טיפוסי של מקמ”ש אולטרה-סאונד. להפקת תמונה באולטרה-סאונד, משדרי המקמ”שים הפועלים במתח גבוה מחוללים אותות דופק (פולסים) במתח גבוה מתוזמנים כראוי, על מנת לעורר את יחידות מתמר האולטרה-סאונד ולחולל שידור אקוסטי ממוקד. האנרגיה האקוסטית שמגיעה משידור זה ושמוחזרת על ידי אי רציפויות בעכבות (אקוסטיות) בגוף של המטופל, מתקבלת על ידי אותן יחידות, ומנותבת חזרה ליחידת המקלט של המקמ”ש.
המקלט מורכב ממתג TR (שידור/קליטה), מגבר בעל רעש נמוך (LNA), מגבר עם הגבר משתנה (VGA), מסנן נגד קיפול תדרים
(Anti-Alias-AAF) וממיר מאנלוגי לספרתי (ADC). כל יחידת מקמ”ש מחוברת למגבר LNA דרך מתג TR שמגן על כניסת מגבר LNA מפני אותות השידור במתח גבוה. מגבר LNA עצמו מספק הגבר התחלתי קבוע, כדי להביא לאופטימום את ביצועי הרעש של המקלט. מגבר VGA משמש לפיצוי ניחות אותות האולטרה-סאונד שמתרחש בגוף, אשר מקטין את דרישות הטווח הדינמי העומדות בפני ממיר ADC שבא אחריו. מסנן AAF בנתיב הקליטה מונע מיפוי של כל רעש תדר גבוה שמעבר לתדרי הדימות המרביים הרגילים, שעלול להתבצע על ידי ממיר ADC בפס הקליטה. האותות שעברו הגברה ודיגיטיזציה מוצגים ומסוכמים במעצב האלומה הספרתי של מערכת האולטרה-סאונד, על מנת ליצור אות ממוקד של אלומה מעוצבת שנקלטה. האות הספרתי משמש להפקת תמונות דו-ממדיות ומידע דופלר במצב אותות דופק.
אחרי מגבר LNA, יש במקלט גם נתיב נפרד של מעצב אלומה/מקלט מסוג דופלר גל רציף (CWD). במצב CWD, דרישות הטווח הדינמי מהמקלט חמורות מאוד, והן מעבר לטווח של נתיב האות שבמגבר VGA וממיר ADC. את עיצוב אלומת CWD אפשר לקבל על ידי ערבול האותות הנקלטים עם אותות של מתנדים מקומיים (LO) בעלי מופע (פאזה) מתאים וסיכום אותות פס הבסיס שהתקבלו. כתוצאה מכך, בלוק המקלט CWD מורכב ממערבלי I/Q אנלוגיים בטווח דינמי גבוה וממחוללי מתנדים מקומיים ניתנים לתכנות.
האתגר בשלב התכנון הוא להציב 128 מקמ”שים אופייניים במארז שגודלו כשל מחשב אישי.
יצרני המעגלים המשולבים (IC) האנלוגיים נענו לאתגר זה עם פתרונות משולבים ברמה גבוהה מאוד. די שכיח למצוא כיום שמיניית מקלטים שכוללים LNA, VGA, AAF ו-ADC במארזים בגודל 10×10 מ”מ. כמו כן, קיימים היום מחוללי אותות דופק (pulser) למתח גבוה, נתונים במארז יחיד, ב-4 וב-8 ערוצים, בגודל 10×10 מ”מ.
באיור 2 נראה MAX2082 – שמיניית מקמ”שים המשמשת בפתרון מתקדם ביותר של מכשיר אולטרה-סאונד משולב. הוא כולל מקמ”ש מלא, מתג TR, קבלי צימוד ומחוללי אותות דופק למתח גבוה, שנתונים בשלוש רמות, במארז יחיד בגודל 10×23 מ”מ. המקמ”ש חוסך חיסכון ניכר במקום, מקטין את זמן הייצור ומפחית עלויות כוללות של המערכת.
החיסכון במקום שנובע ממקמ”ש משולב כזה יכול להיות דרמטי. מתג TR כשלעצמו מציג חיסכון משמעותי. במערכת בת 128 ערוצים החיסכון מתבטא ביותר מ-1000 חלקים דיסקרטיים שמיועדים לפונקצית מתג TR, בלבד.

ניהול הספקי מקמ”ש
ההספק מהווה אף הוא אתגר משמעותי בתכנונים משולבים ברמה גבוהה כזו. רבות מבין מערכות האולטרה-סאונד הן ניידות, ועליהן לפעול באמצעות סוללה במשך שעה או יותר, לפני טעינה נוספת. ניהול חום גם הוא בעייתי מפני שצפיפות הרכיבים גבוהה מאוד והמעגלים המודפסים יכולים להיות קרובים מאוד זה לזה, כשהם מותירים מעט מאוד מקום לזרימת אוויר. מקמ”שי האולטרה-סאונד מהווים חלק משמעותי של תקציב הספק המערכת כולה, ולכן, מצדיקים תשומת לב מיוחדת לתכנון.
ההספק של מקלט האולטרה-סאונד הצטמצם למחציתו במהלך 10 השנים האחרונות, ופתרונות של מקלטים במעגלים משולבים, אשר כוללים LNA, VGA, AAF ו-ADC שצורכים פחות מ-150 מילי-וואט לערוץ, אינם נדירים כלל.
שיפורים עתידיים עומדים בפתח, כגון אלו שבמתג TR, שלהם נדרשים 80 מילי-וואט לערוץ, עבור זרם המיקדם של הדיודות, כדי לעמוד בביצועי הרעש הנחוצים. תכנוני מתג TR קנייניים במוצרים כדוגמת המקמ”ש MAX2082 מספקים ביצועי רעש טובים יותר מהתכנונים הדיסקרטיים, ומשתמשים בפחות מ-15 מילי-וואט לערוץ.

הקטנת רעש בתוך הפס
במערכות אולטרה-סאונד יש רגישות רבה להפרעות ולרעש בקרינה ובהולכה בטווח שבין 2 מגה-הרץ ל-15 מגה-הרץ. רגישות הכניסה של ערוץ יחיד יכולה להיות נמוכה ולהגיע עד 1 ננו-וולט לשורש הרץ. במערכות בנות 128 ערוצים אות בלתי רצוי, שפועל על כל הכניסות, יכול להיות בעל הגבר עיבוד (processing gain) שמגיע עד 21dB, בתלות בהשהיה בין הערוצים של עיצוב האלומה. אות רעש קטן, של 0.09 ננו-וולט לשורש הרץ, שפועל על כל הכניסות, הופך לממצא שווא (artifact) בתמונה. ממצאי שווא אלו, שמכונים “הבזקים”, מופיעים במרכז התמונה, שם הגבר המערכת הוא הגבוה ביותר עבור אותות כניסה משותפים.
המתכננים משתדלים מאוד להפריד באופן פיסי את המעגלים האנלוגיים הרגישים מהמעגלים הספרתיים הרועשים, לסכך אותם ולשלוט בלולאות הארקה. במערכות אולטרה-סאונד ניידות, לא קיימת האפשרות של הפרדה פיסית והסיכוך הבעייתי, בהינתן המרחב המצומצם וצפיפות החום של חלק מהמעגלים. לכן, בעיות הרעש נפוצות ביותר בתכנונים כאלה, וחשוב במיוחד להפנות תשומת לב להארקה ולסיכוך בשלב מוקדם בתהליך התכנון. ביצוע שינויי תכנון בשלב מתקדם עלול להיות קשה ביותר ולגזול זמן רב.

הקטנת רעש אודיו למינימום
רעש אודיו בתדר נמוך הוא בעיה קשה יותר לפתרון. זרימת הדם מאובחנת במערכות אולטרה-סאונד באמצעות מדידת היסט דופלר קטן בתדירות האות המוחזר. כל אפנון בתדר נמוך באות המשודר או הנקלט יפיק רעש שיכול לשבש את אותות הדופלר האלו או יפיק “צלילים” בלתי רצויים. ביישומי דופלר הפועלים באותות דופק, יחס האות המשודר לרעש ב-1 קילו הרץ צריך להיות יותר מ-140dBc/Hz וביישומי CWD יותר מ-155dBc/Hz.
מכל מקורות הרעש בתדר נמוך, המקור הגדול והנפוץ ביותר הוא ספק כוח בתדר נמוך, שעלול לגרום לשורת בעיות הקושרות בדופלר. הוא עלול ליצור ריצוד (jitter) באותות השעון של השידור והקליטה, אשר יכול להגביל את הטווח הדינמי של המקלט וליצור אותות דופלר בלתי רצויים. הספק עלול ליצור גם רעש בתדר נמוך באותות הבקרה של הגבר מגבר VGA, שעלול לאפנן אותות שנקלטים מרקמות נייחות ולאפס אותות חלשים סמוכים.
את הרעש שמגיע מספק כוח, אפשר להקטין באופן יעיל רק על ידי ייצוב פעיל של הספק. בעבר השתמשו באופן נפוץ במייצבי מתח ליניאריים עבור מערכות נישאות על עגלה, כדי לשלוט במקור של הרעש הזה. פתרון זה אינו מתאים למערכות יותר ניידות. לכן, המתכננים צריכים להשתמש באופן מבוזר במייצבים ממותגים, על מנת לשפר את הנצילות. ואולם, פתרון כזה עלול ליצור רעש מיתוג רב בת”ר (RF) בהולכה ובקרינה, שקשה מאוד לשלוט בו. מערכות דופלר ספקטרליות רגישות במיוחד לרעש כזה. אחת הדרכים לפתרון היא להבטיח שתדירות מיתוג המייצבים תהיה מסונכרנת עם אות השעון הראשי במערכת. כך אפשר לקבוע שרעש המיתוג יימצא מחוץ לפסי אותות דופלר, תוך כדי קבלת נצילות גבוהה.

והעתיד?
בתכנוני מערכות אולטרה-סאונד ניידות יש צורך להשתמש במעגלים משולבים אנלוגיים באינטגרציה גבוהה, שפועלים בהספק נמוך ועומדים בדרישות הביצועים. היתרונות הטמונים במערכות אלו, בעלות הניידות הגבוהה יותר, השפיעו השפעה חיובית על הרפואה ברחבי העולם. סביר מאוד להניח שמגמה זו תימשך, כל עוד הפתרונות האנלוגיים במעגלים משולבים באינטגרציה גבוהה ימשיכו להתפתח ולהופיע בשוק.
חברת MAXIM מיוצגת ע”י טרייטק