Como melhorar a qualidade da imagem do sistema de ultrassom usando fontes com ruído ultra baixo

A tecnologia de ultrassom, uma ferramenta não invasiva amplamente utilizada em diagnósticos médicos e outras aplicações, passou de imagens estáticas para dinâmicas e de apresentação em preto e branco para imagens Doppler coloridas. Essas melhorias importantes são em grande parte devidas à introdução da tecnologia de ultrassom digital. Embora esses avanços tenham aumentado a eficácia e a versatilidade da imagem de ultrassom, é igualmente importante que esses sistemas ofereçam melhor qualidade de imagem através de avanços no head-end da sonda de ultrassom, e no front-end analógico (AFE) que aciona a sonda e captura os sinais de retorno.

Um dos impedimentos para alcançar essa melhor qualidade de imagem é o ruído, por isso, o objetivo do projeto é aumentar a relação sinal/ruído (SNR) do sistema. Isso pode ser conseguido, em parte, pelo tratamento do ruído devido às várias trilhas de fornecimento de energia no sistema. Note que tal ruído não é uma entidade única e simples. Em vez disso, ele tem várias características e atributos que determinam como ele acaba impactando no desempenho do sistema.

Este artigo analisará o princípio básico da imagem de ultrassom e, em seguida, focalizará diferentes fatores que afetam a qualidade da imagem, principalmente o ruído das fontes de alimentação. Ele usará dispositivos reguladores CC/CC da Analog Devices como exemplos de componentes para fontes de alimentação que podem melhorar muito a SNR e outros aspectos do desempenho do sistema de ultrassom.

Noções básicas de imagens de ultrassom

O conceito é simples: gerar um pulso acústico agudo e depois "escutar" seu eco de reflexão ao encontrar obstáculos ou várias interfaces entre órgãos e suas diferentes impedâncias acústicas. Ao realizar essas sequências de pulso-retorno repetidamente, as reflexões podem ser usadas para criar uma imagem das superfícies refletoras.

Para a maioria dos modos de ultrassom, a matriz de transdutores piezoelétricos envia um número limitado de ciclos de onda (normalmente dois a quatro) como um pulso. A frequência dessas ondas em cada ciclo normalmente fica na faixa de 2,5 a 14 megahertz (MHz). O conjunto é controlado usando técnicas de beamforming analógico para uma antena de RF de matriz em fase, de modo que o pulso de ultrassom geral pode ser focalizado e direcionado para criar uma varredura. O transdutor então muda para o modo de recepção para sentir o retorno das ondas refletidas de dentro do corpo.

Observe que a relação tempo de transmissão/recepção é normalmente de cerca de 1%/99%, com uma frequência de repetição de pulso geralmente entre 1 e 10 quilohertz (kHz). Cronometrando o pulso desde sua transmissão até os ecos recebidos e conhecendo a velocidade com que a energia de ultrassom se propaga através do tecido corporal, é possível calcular a distância entre o transdutor e o órgão ou interface que reflete a onda. A amplitude das ondas de retorno determina o brilho dos pixels atribuídos ao reflexo na imagem de ultrassom, após um considerável pós-processamento digital.

Compreendendo os requisitos do sistema

Apesar da simplicidade conceitual do princípio subjacente, um sistema de ultrassom completo e de alta qualidade de imagem é um dispositivo complicado (Figura 1). O desempenho final do sistema é grandemente determinado pelo transdutor e pelo front-end analógico (AFE), enquanto o pós-processamento do sinal refletido digitalizado permite que os algoritmos melhorem a situação.

Não é de se surpreender que os vários tipos de ruído do sistema sejam parte dos fatores limitantes na qualidade da imagem e no desempenho, mais uma vez análogo à consideração da taxa de erro de bit (BER) versus a SNR nos sistemas de comunicação digital.

Figura 1: Um sistema completo de imagens de ultrassom é uma combinação complexa de uma quantidade significativa de funcionalidades analógicas, digitais, de potência e de processamento; o AFE determina os limites do desempenho do sistema. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Há um comutador de transmissão/recepção (T/R) entre a matriz de transdutores piezoelétricos e a eletrônica ativa. O papel desse comutador é evitar que os sinais de transmissão de alta tensão que acionam o transdutor atinjam e danifiquem o AFE do lado de recepção de baixa tensão. Depois que a reflexão recebida é amplificada e condicionada, ela é passada para o conversor analógico-digital (ADC) do AFE, onde é digitalizada e passa por um processamento e aprimoramento de imagem baseado em software.

Cada um dos diferentes modos de imagem de um sistema de ultrassom tem requisitos diferentes para a faixa dinâmica — e, portanto, da SNR — ou requisitos de ruído:

• Para o modo de imagem em preto e branco, é necessária uma faixa dinâmica de 70 decibéis (dB); o ruído de fundo é importante, pois impacta a profundidade máxima na qual o menor eco de ultrassom pode ser visto no campo distante. Isso é chamado de penetração, uma das características-chave do modo preto e branco.
• Para o modo doppler de onda pulsada (PWD), é necessária uma faixa dinâmica de 130 dB.
• Para o modo doppler de onda contínua (CWD), é necessária 160 dB. Observe que o ruído 1/f é particularmente importante para os modos PWD e CWD, pois ambas as imagens incluem o elemento de espectro de baixa frequência abaixo de 1 kHz, e o ruído de fase afeta o espectro de frequência Doppler acima de 1 kHz.

Esses requisitos não são fáceis de atender. Como a frequência do transdutor de ultrassom é tipicamente de 1 MHz a 15 MHz, ele será afetado por qualquer ruído de frequência de chaveamento dentro dessa faixa. Se houver frequências de intermodulação dentro dos espectros PWD e CWD (de 100 Hz a 200 kHz), os espectros de ruído perceptíveis aparecerão nas imagens Doppler, o que é inaceitável no sistema de ultrassom. Para o máximo desempenho do sistema e qualidade de imagem (clareza, alcance dinâmico, falta de especulação de imagem e outros valores de mérito), é importante observar as fontes que causam a perda de qualidade do sinal e degradação da SNR.

O primeiro é óbvio: devido à atenuação, os retornos dos tecidos e órgãos mais profundos do corpo (como os rins) são muito mais fracos do que os dos próximos ao transdutor. Portanto, o sinal refletido "recebe um ganho" da AFE de modo que ele ocupe o máximo possível da faixa de entrada da AFE. Para isso, é utilizada uma função de controle de ganho automático (AGC). Essa função AGC é semelhante à usada em sistemas sem fio onde a AGC avalia a força do sinal recebido de RF sem fio (RSS) e compensa dinamicamente suas mudanças aleatórias e imprevisíveis em um intervalo de dezenas de decibéis.

No entanto, a situação é diferente na aplicação do ultrassom do que para um link sem fio. Em vez disso, a atenuação do caminho é conhecida aproximadamente, assim como a velocidade de propagação da energia acústica — 1.540 metros por segundo (m/s) em tecidos moles, ou cerca de cinco vezes mais rápida do que a propagação no ar, cerca de 330 m/s — e, portanto, a taxa de atenuação também é conhecida.

Com base nesse conhecimento, a AFE usa um amplificador de ganho variável (VGA) que é disposto como um amplificador de compensação de ganho de tempo (TGC). O ganho desse VGA é linear-em-dB e é configurado de tal forma que uma tensão de controle de rampa linear-versus-tempo aumenta o ganho-versus-tempo para compensar, em grande parte, a atenuação. Isso maximiza a SNR e o uso da faixa dinâmica da AFE.

Tipos de ruídos e como tratá-los

Embora o ruído do sinal no corpo e o induzido pelo paciente esteja além do controle do projetista do sistema de ultrassom, o ruído interno do sistema deve ser gerenciado e controlado. Para isso, é importante entender os tipos de ruído, seu impacto e o que pode ser feito para reduzi-los. As principais áreas de preocupação são o ruído do regulador de chaveamento, o ruído branco devido à cadeia de sinais, clock e alimentação, e o ruído relacionado ao layout.

• Ruído do regulador de chaveamento: a maioria dos reguladores de chaveamento usa um resistor simples para definir a frequência de chaveamento. A tolerância inevitável do valor nominal desse resistor introduz diferentes frequências de chaveamento e harmônicas como se fossem frequências de diferentes reguladores independentes se misturando e modulando mutuamente. Considere que mesmo uma resistência de tolerância curta com uma imprecisão de 1% resulta em uma frequência harmônica de 4 kHz em um regulador de 400 kHz CC/CC, tornando as harmônicas mais difíceis de controlar.

Uma solução melhor é selecionar um CI regulador de chaveamento com um recurso de sincronização implementado através de uma conexão SYNC em um dos pinos de seu invólucro. Usando esse recurso, um clock externo pode distribuir um sinal para os vários reguladores de modo que todos eles mudem na mesma frequência e fase. Isso elimina a mistura das frequências nominais e dos produtos harmônicos associados.

Por exemplo, o LT8620 é um regulador abaixador de chaveamento monolítico síncrono de alta eficiência e alta velocidade que aceita uma ampla faixa de tensão de entrada de até 65 volts e consome apenas 2,5 microamperes (μA) de corrente quiescente (Figura 2). Sua operação de baixa ondulação "Burst Mode" permite alta eficiência até correntes de saída muito baixas enquanto mantém a ondulação de saída abaixo de 10 milivolts (mV) de pico a pico. Um pino SYNC permite a sincronização estabelecida pelo usuário para um clock externo de 200 kHz a 2,2 MHz.

Figura 2: o regulador abaixador de chaveamento de alta eficiência LT8620 inclui um pino SYNC para que seu clock possa ser sincronizado com outros clocks do sistema, minimizando os efeitos de intermodulação do clock. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Outra técnica é usar um regulador de chaveamento que emprega um clock de espectro espalhado aleatório para espalhar a interferência eletromagnética gerada (EMI) por uma banda mais larga, baixando seu valor de pico em qualquer frequência específica. Embora essa seja uma solução atraente para algumas aplicações que são menos críticas para SNR e mais preocupadas em atender aos requisitos de EMI, ela introduz incertezas nas harmônicas resultantes que serão criadas em um espectro mais amplo, tornando-as mais difíceis de controlar. Por exemplo, um espalhamento de frequência de chaveamento de 20% para consideração EMI resulta em frequências harmônicas entre zero e 80 kHz em uma fonte de alimentação de 400 kHz. Assim, embora essa abordagem para baixar os "picos" de EMI possa ajudar a cumprir os mandatos regulatórios relevantes, pode ser contraproducente para as necessidades especiais de SNR de projetos de ultrassom.

Reguladores de chaveamento com frequência constante ajudam a evitar esse problema. A família de reguladores de voltagem Silent Switcher da ADI e os reguladores μMódulo apresentam chaveamento com frequência constante. Ao mesmo tempo, eles oferecem desempenho EMI com técnicas de espectro espalhado selecionáveis, para proporcionar excelente resposta de transientes sem introduzir as incertezas associadas ao espectro espalhado.

A família de reguladores Silent Switcher também não está limitada apenas aos reguladores de menor potência. Por exemplo, o LTM8053 é um regulador abaixador de 40 V_IN (máximo), 3,5 A contínuo e 6 A de pico que inclui um controlador de chaveamento, interruptores de alimentação, um indutor e todos os componentes de suporte. Somente os capacitores de entrada e saída do filtro são necessários para terminar o projeto (Figura 3). Suporta uma faixa de tensão de saída de 0,97 a 15 volts e uma faixa de frequência de chaveamento de 200 kHz a 3 MHz, cada uma definida por um único resistor.

Figura 3: O LTM8053, parte da família Silent Switcher, pode fornecer 3,5 A contínuo/6 A de corrente de pico; aceita uma entrada de 3,4 a 40 volts e pode fornecer uma saída com uma ampla faixa de 0,97 a 15 volts. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O invólucro exclusivo do LTM8053 ajuda a manter a EMI baixa, junto com uma saída de corrente mais alta. Um invólucro flip-chip de pilar de cobre em um regulador µMódulo Silent Switcher ajuda a reduzir a indutância parasitária e otimizar os picos e o tempo morto, permitindo um projeto de alta densidade e uma grande capacidade de corrente em um invólucro pequeno (Figura 4). Se for necessária mais corrente, vários dispositivos LT8053 podem ser conectados em paralelo.

Figura 4: O LTM8053 (e outros dispositivos Silent Switcher) integram um flip-chip de pilar de cobre, permitindo um projeto de alta densidade e grande capacidade de corrente em um invólucro pequeno, minimizando a indutância parasitária. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A tecnologia e a topologia da linha Silent Switcher não se limitam a reguladores de saída única. O LTM8060 é um regulador μMódulo Silent Switcher de 40 V_IN de quatro canais com uma matriz de saída configurável de 3 A (Figura 5). Ele opera até 3 MHz e tem invólucro BGA (ball grid array) compacto (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm) sobremoldado.

Figura 5: O LTM8060 é uma matriz configurável μMódulo de quatro canais com saída de 3 A/canal em um invólucro compacto medindo apenas 11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Um dos aspectos interessantes desse dispositivo de quatro canais é que suas saídas podem ser colocadas em paralelo em diferentes configurações para atender diferentes necessidades de corrente de carga, até no máximo 12 A (Figura 6).

Figura 6: As quatro saídas de 3 A do LTM8060 podem ser organizadas em diferentes configurações paralelas para atender às exigências das trilhas CC da aplicação. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Em resumo, os reguladores Silent Switcher oferecem muitos benefícios com relação ao ruído, harmônicas e desempenho térmico (Figura 7).

Figura 7: Aqui são mostrados os principais atributos da família de reguladores Silent Switcher em relação a importantes perspectivas de projeto. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• Ruído branco: há também muitas fontes de ruído branco em um sistema de ultrassom, o que leva a ruídos de fundo e "manchas" na imagem. Esse ruído vem principalmente da cadeia de sinais, do clock e da alimentação. A adição de um regulador de queda baixa (LDO) no pino de alimentação de um componente analógico sensível pode resolver isso.

Os reguladores LDO de última geração da ADI, como o LT3045, apresentam um nível de ruído ultrabaixo de cerca de 1 microvolt (μV) rms (10 Hz a 100 kHz), e fornecem uma saída de corrente de até 500 mA a uma queda de tensão típica de 260 mV (Figura 8). A corrente quiescente de operação é nominalmente 2,3 mA e cai para muito menos que 1 μA no modo de desligamento. Outros LDOs de baixo ruído estão disponíveis para cobrir as correntes de 200 mA a 3 A.

Figura 8: os reguladores LDO LT3045 se destacam por seu ruído ultrabaixo de cerca de 1 μV rms em uma faixa de corrente de 200 mA a 3 A. (Fonte da imagem: Analog Devices)

• Layout da placa: na maioria dos layouts de placas pci, há um conflito entre as trilhas de sinais de alta corrente das fontes de alimentação chaveadas e as trilhas de sinais adjacentes de baixo nível, já que o ruído das primeiras pode se acoplar ao das segundas. Esse ruído de chaveamento é normalmente gerado pela "malha quente" criada pelo capacitor de entrada, MOSFET superior, MOSFET inferior e indutâncias parasitárias devido à fiação, roteamento e colagem.

A solução padrão é adicionar um circuito snubber para reduzir a emissão eletromagnética, mas isso diminui a eficiência. A arquitetura Silent Switcher melhora o desempenho e mantém a alta eficiência mesmo em uma alta frequência de chaveamento, criando uma malha quente oposta (chamada de "splitting") usando emissões bidirecionais, reduzindo a EMI em cerca de 20 dB (Figura 9).

Figura 9: ao estabelecer uma "malha quente" oposta que divide o caminho do fluxo de corrente, o Silent Switcher reduz significativamente a EMI em cerca de 20 dB. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Eficiência versus ruído

Pode parecer que se houver um trade-off entre ruído da fonte de alimentação versus eficiência potencial, deve prevalecer a necessidade de ruído ultrabaixo na aplicação do ultrassom. Afinal de contas, alguns milliwatts a mais de dissipação não devem ser um fardo tão grande quando se vê o nível do sistema como um todo. Além disso, por que não aumentar a energia pulsada pelo transdutor para aumentar a força do sinal de pulso e, assim, o SNR refletido?

Mas essa troca tem outra complicação: o auto-aquecimento da sonda digital portátil que contém o transdutor, o excitador do elemento piezoelétrico, o AFE e outros circuitos eletrônicos. Parte da energia elétrica da sonda é dissipada no elemento piezoelétrico, lente e material de suporte, causando assim o aquecimento do transdutor. Junto com o desperdício de energia acústica na cabeça do transdutor, isso resultará em aquecimento e um aumento de temperatura na sonda.

Há um limite para a temperatura máxima admissível da superfície do transdutor. A norma IEC 60601-2-37 (Rev 2007) restringe essa temperatura a 50 °C quando o transdutor está transmitindo para o ar, e 43 °C quando está transmitindo para um fantasma adequado (um simulador de corpo padrão); esse último limite implica que a pele (normalmente a 33 °C) pode ter um aquecimento máximo de 10 °C. Assim, o aquecimento do transdutor é uma consideração significativa no projeto de transdutores complexos. Esses limites de temperatura podem efetivamente restringir a saída acústica que pode ser empregada, independentemente da potência CC disponível.

Conclusão

A imagem de ultrassom é uma ferramenta de imagem médica amplamente utilizada, inestimável, não invasiva e sem riscos. Embora o princípio básico seja conceitualmente simples, projetar um sistema de imagem eficaz requer uma quantidade significativa de circuitos complexos, juntamente com vários reguladores CC para alimentar seus vários subcircuitos. Esses reguladores e a fonte associada devem ser eficientes, mas também devem ter ruído muito baixo, devido ao requisitos extremos de SNR e alcance dinâmico sobre a energia do sinal acústico refletido. Como mostrado, os LDOs e os CIs Silent Switcher da Analog Devices atendem a esses requisitos sem comprometer o espaço, a EMI ou outros atributos-chave.

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