Brunner Eberhard, Analog Devices Ltd
מבוא
כאשר מתכננים את המעגלים החזיתיים של אולטרסאונד יש לשקול הרבה שקלולי תמורות. פרמטרי הביצועים ברכיבים של המעגלים החזיתיים משפיעים על ביצועי האבחנה – ולהפך, התצורה והמטרות של המערכת משפיעות על בחירת הרכיבים.
חשוב שהמתכננים יבינו את המיפרטים שיש להם חשיבות מיוחדת, את ההשפעה שלהם על ביצועי המערכת וכיצד הם מושפעים משקלול תמורות בתכנון של המעגלים המוכללים – מבחינת ההכללה והטכנולוגיה של תהליך המוליך למחצה – שיגבילו את אפשרויות התכנון של המשתמש. מודעות לשיקולים האלה תעזור למתכנן להשיג את החלוקה המועילה ביותר של המערכת. נתחיל בסקירה כללית של המערכת ברמה העליונה ולאחריה תיאור מפורט יותר כיצד מערכות אולטרסאונד פועלות.
מבוא למערכת
מכשירי אולטרסאונד רפואיים הם ממכשירי עיבוד האותות המתוחכמים ביותר שנמצאים בשימוש נרחב כיום. כמו בכל מכשיר מורכב, יש שקלולי תמורות רבים ביישום בגלל דרישות ביצועים, פיזיקה ועלות. נחוצה הבנה מסוימת ברמת המערכת כדי להעריך באופן מלא את הפונקציות ורמות הביצועים הרצויות של המעגל המוכלל החזיתי, במיוחד לגבי: מגבר הרעש הנמוך (LNA), מגבר קיזוז שבח זמן (TGC) והממירים אנלוגי לספרתי (ADC).
בחזית של האולטרסאונד, כמו במערכות אלקטרוניות מתוחכמות רבות אחרות, אותם הרכיבים שמעבדים אותות אנלוגיים הם רכיבי מפתח בקביעת הביצועים של כלל המערכת. המאפיינים של רכיבי החזית מגדירים את המגבלות של ביצועי המערכת. אחרי שרעש ועיוות הוכנסו, כמעט בלתי אפשרי לסלק אותם. זאת, כמובן, בעיה כללית בכל שרשרת קליטה של עיבוד אותות, אולטרסאונד או אלחוטית.
מעניין לחשוב שאולטרסאונד הוא בעצם מערכת מכ”ם או סונאר, אבל הוא פועל במהירויות ששונות מהם בסדרי גודל. מבחינת הרעיון מערכת אולטרסאונד טיפוסית כמעט זהה למערכות המכ”ם עם מערך מבוקר מופע שנמצאות במטוסים צבאיים ומסחריים, ובאוניות צבאיות. מכ”ם פועל בתחום הגיגה-הרץ (GHz), סונר בתחום הקילו-הרץ (kHz) ואולטרסאונד בתחום המגה-הרץ (MHz). מתכנני אולטרסאונד אימצו והרחיבו את העיקרון של אלומות מנחות באמצעות מערכים מבוקרי מופע, שהמציאו מתכננים של מערכות מכ”ם. כיום מערכות אלה כוללות ציוד עיבוד אותות מהמתחוכם ביותר שיש.
- איור 1. תרשים בלוקים של מערכת אולטרסאונד
איור 1 מראה תרשים מפושט של מערכת אולטרסאונד. בכל המערכות האלה יש מתמר רב-רכיבי בקצהו של כבל ארוך יחסית (כשני מטר). הכבל, שמכיל בין 48 ל-256 כבלים מיקרו קואקסיאלים, הוא אחד החלקים היקרים ביותר במערכת. ברוב המערכות יש מספר ראשי חיישנים עם מתמרים (הנקראים גם ידיות – ידית היא יחידה שכוללת את רכיבי המתמר ומחוברת למערכת באמצעות כבל) שונים שאפשר לחבר למערכת, וזה מאפשר למפעיל לבחור את המתמר המתאים לקבלת תמונה אופטימלית. הידיות נבחרות באמצעות ממסרי מתח גבוה (HV), שמוסיפים קיבולים טפיליים גדולים לקיבולים של הכבל.
מרבב/מפלג HV משמש בחלק מהמערכים להפחתת המורכבות של חומרת השידור והקליטה, אבל על חשבון הגמישות. המערכות הגמישות ביותר הן אלו עם מערך מבוקר מופע ויוצר אלומה דיגיטלי – הן גם נוטות להיות המערכות היקרות ביותר, בגלל הצורך בבקרה אלקטרונית מלאה בכל הערוצים. אולם, המעגלים המוכללים החזיתיים החדישים שקיימים היום, כמו מגבר השבח המשתנה AD8332 והממיר אנלוגי לדיגיטלי 12 סיביות AD9238 מפחיתים בקביעות את העלות לערוץ, כך שבקרה אלקטרונית מלאה על כל הרכיבים מוכנסת עכשיו אפילו למערכות הזולות עד בינוניות.
בצד של המשדר (Tx), יוצר האלומה Tx קובע את תבנית ההשהיה ומחרוזת הפולסים שקובעים את נקודת המוקד הרצויה של השידור. לאחר מכן הפלטים של יוצר האלומה מוגברים על ידי מגברי שידור HV שמפעילים את המתמר. מגברים אלה יכולים להיות מבוקרים על ידי ממירים דיגיטלי לאנלוגי (DAC) כדי לעצב את הפולסים המשודרים להעברת אנרגיה טובה יותר אל רכיבי המתמר. בדרך כלל משתמשים באזורי מיקוד שידור מרובים – כלומר, השדה שיש לדמות מועמק על ידי מיקוד אנרגיית השידור בנקודות יותר ויותר עמוקות בגוף. הסיבה העיקרית לאזורים מרובים היא שאנרגיית השידור צריכה להיות גדולה יותר בשביל נקודות שנמצאות עמוק יותר בגוף, בגלל הניחות של האות כשהוא נע לתוך הגוף (וכשהוא חוזר).
בצד הקולט (Rx), יש מתג T/R (שידור/ קליטה), בדרך כלל גשר דיודות, שחוסם את פולסי המתח הגבוה של Tx. אחריו באים מגבר רעש נמוך (LNA) ומגבר או מגברי שבח משתנה (VGA), המיישמים קיזוז שבח זמן (TGC) ולפעמים גם פונקציות שינוי צורה (אפודיזציה) (יצירת “חלונות” מרחביים כדי להפחית אונות צד בקרן). בקרת שבח זמן – שמגדילה את השבח לאותות מנקודות עמוקות יותר בגוף (שמגיעים לכן מאוחר יותר) – היא בשליטת המפעיל ומשמשת לשמירה על אחידות התמונה.
אחרי ההגברה, מתבצעת יצירת האלומה, המיושמת בצורה אנלוגית (ABF) או דיגיטלית (DBF). במערכות מודרניות זה בדרך כלל דיגיטלי, פרט לעיבוד גל דופלר רציף, שהטווח הדינמי שלו עדיין גדול מכדי שאפשר יהיה לעבד אותו דרך אותו הערוץ של התמונה. לבסוף, אלומות ה-Rx עוברות עיבוד כדי להציג תמונה בגווני אפור, שכבת זרימת צבע על התמונה הדו-מימדית ו/או פלט דופלר.
אתגרים במערכות אולטרסאונד
כדי להבין עד הסוף את האתגרים באולטרסאונד וההשפעה שלהם על הרכיבים החזיתיים, חשוב לזכור מה מנסים להשיג במכשיר הדימות הזה. ראשית, הוא אמור לתת ייצוג מדויק של האיברים הפנימיים של גוף האדם, ושנית, באמצעות עיבוד אותות דופלר, המכשיר צריך לקבוע תנועה בתוך הגוף (לדוגמה, זרימת דם). מהמידע הזה רופא יכול להסיק מסקנות על התפקוד התקין של שסתום לב או כלי דם.
אופני רכישה
באולטרסאונד יש שלושה אופני רכישה עיקרים: אופן B (תמונה בגווני אפור, דו מימדית), אופן F (דימות דופלר או זרימת צבע) ואופן D (דופלר ספקטרלי). אופן B יוצר את התמונה הרגילה בגווני אפור. אופן F הוא שכבת צבע על התצוגה של אופן B המראה זרימת דם. אופן D הוא תצוגת דופלר שעשויה להראות מהירויות של זרימות דם והתדירות שלהן. (יש גם אופן M, שמציג ציר זמן של מצב B בודד).
תדרי הפעולה של אולטרסאונד רפואי הם בטווח 1-40, כשמכשירי דימות חיצוני משתמשים בדרך כלל בתדרים בטווח 1-15, ואילו מכשירי לב וכלי דם משתמשים בתדרים עד 40. תדרים גבוהים יותר הם בעיקרון רצויים יותר, משום שהם מאפשרים רזולוציה גבוהה יותר, אבל הניחות בגלל הרקמות מגביל את הגובה האפשרי של התדר עבור מרחק חדירה נתון. אולם, אי אפשר להגדיל את התדר של האולטרסאונד באופן שרירותי כדי לקבל רזולוציה טובה יותר, משום שהניחות של האות הוא בערך 1 dB/cm/MHz. כלומר, לאות אולטרסאונד בתדר 10 ועומק חדירה של 5 ס”מ, האות עבר במסלול הלוך וחזור ניחות של x2x10 = 100dB! כדי להתמודד עם טווח דינמי רגעי של בסביבות 60 בכל מיקום, הטווח הדינמי הנדרש יהיה 160 (טווח מתח דינמי של מאה מיליון לאחד!). טווחים דינמיים בסדר גודל כזה אי אפשר להשיג באופן ישיר. לכן צריך לשלם את המחיר של מערכת מאוד מתוחכמת ולהחליף בתמורה משהו בחזית – עומק חדירה (שמוגבל על ידי תקנות הבטיחות בגלל הספק השידור המירבי המותר) או הרזולוציה של התמונה (שימוש בתדר אולטרסאונד נמוך יותר).
הטווח הדינמי הגדול של האותות הנקלטים מציג את האתגר הקשה ביותר. המעגלים החזיתיים צריכים להיות בו-זמנית עם רעש נמוך ועם יכולת לטפל באותות גדולים – דרישות שמוכרות לכל מי שמנוסה בדרישות של תקשורת. חוסר התאמה של כבלים והפסד מוסיפים ישירות לסיפרת הרעש (NF) של המערכת. לדוגמה, אם ההפסד של הכבל בתדר מסוים הוא 2, סיפרת הרעש מוגרעת ב-2. זה אומר שלמגבר הראשון אחרי הכבל צריכה להיות סיפרת רעש שנמוכה ב-2 ממה שצריך עם כבל ללא אובדן. דרך פוטנציאלית לעקוף את הבעיה הזאת היא
