האם מכשירי הסריקה עומדים להפוך למוצרי צריכה?

מאת: ז’אן–היין ברדרס

מכשירי סטטוסקופ משמשים זה מכבר כמוצרי צריכה בקרב רופאים ואנשי רפואה אחרים ונראה שאנו עדים כעת למגמה דומה שעוברת על מכשירי האולטרה סאונד. תעשיית האלקטרוניקה הפכה את השילוב של ביצועים ברמה גבוהה עם פונקציות של אותות מעורבים ברמת השבב למציאות, ובכך סייעה ליצרני ההתקנים להקטין את גודלם של מכשירי סריקת האולטרה סאונד, להפחית את פיזור ההספק ולהקטין את המחירים שלהם. בעקבות מגמה זו, אפשר להתלבט כעת בשאלה האם מכשירי האולטרה סאונד הופכים להיות כלי הצריכה של הדור הבא עבור רופאים ואנשי רפואה אחרים?

מערכות דימות משמשות כיום בתחום הרפואה בשכיחות רבה יותר מאשר שימשו בעבר לצורך ביצוע כהלכה של אבחון מקרים רפואיים. אפשר להשתמש במגוון צורות מודליות של הדמיה – בתלות במוקד העניין וכן ברקמה או בחלק הגוף שאותו רוצים לבדוק. אחת מצורות מודליות הדימות האלו היא בדיקת אולטרה סאונד רפואי (US). היתרון של הבדיקה הזו טמון באיסוף הדמיות ונתונים של גוף אדם עם אפס סיכונים, כמעט, (תלוי ברמות ההספק שבהן משתמשים), ולכן מודליות הדמיה זו משמשת לעתים קרובות, למשל לצורך ניטור התפתחות העובר, אי סדירות של פעילות הלב או איתור מקרים של אבנים בכליות. בנוסף, משתמשים לעתים קרובות בבדיקת דימות אולטרה סאונד כטיפול ראשוני לאחר תאונה.
מכשירי סריקה באמצעות אולטרה סאונד (על-קול) משתמשים בגלי קול בתדר שנבחר בין 2 מגה-הרץ ל-10 מגה הרץ. גלי קול אלו נוצרים על ידי מחולל אותות ונשלחים אל תוך הגוף דרך גשוש פיאזו אלקטרי. לאחר שליחת האותות האלו, המערכת עוברת ממצב שידור (Tx) למצב קליטה (Rx) ומתחילה לבצע דגימת האות של אותות ההד המגיעים מהגוף. ההדים המגיעים מהתגובות בתוך הגוף תלויים בסוג הרקמה ובעומק שאליו הגיעו בגוף. התמונה מיוצרת מאותות התגובה האלו בצורה שנראית לרופא לצורך ביצוע הערכה.

סקירת המגמות
ככל שרווח השימוש במכשירי סריקת אולטרה סאונד במבחר סוגי המצבים שבהם נדרש טיפול רפואי, נוצר תחום שוק עם ביקוש גובר למערכות ניידות ובעלות ממדים קטנים. מערכות מבוססות עגלה משמשות לרוב כאשר התשתית יכולה לטפל בהם, אך לתמיכה בטיפולים במצבי חירום נדרשות מערכות ניידות, קומפקטיות ובהספק נמוך, אשר יכולות לפעול זמן ממושך בעזרת מארז סוללה יחיד.
חברת Analog Devices מתמקדת כבר במשך יותר מעשור בפתרונות ייעודיים למערכות אולטרה סאונד רפואיות, ולאחרונה השיקה משפחה חדשה של שבבים העונים על כל הדרישות המוזכרות לעיל. ההתקנים AD9278 ו-AD9279 הם יחידות ממשק קצה של אולטרה סאונד באינטגרציה מלאה, המתוכננות עבור מערכות ניידות מבוססות כרטיס, אשר יש בהן דרישות לביצועים, גודל ולפיזור הספק כתכונות עיקריות, אך כל זאת, בלי להקריב את הפונקציונליות ואת ביצועי התמונה.

שרשרת אותות מלאה על שבב יחיד
המשפחה החדשה תומכת בשרשרת אותות מלאה הדרושה כדי לשפר את האותות הנקלטים מההד אשר מגיעים מגשוש (“פרוב”) האולטרה סאונד, וממירה אותם ישירות למישור הספרתי. איור 1 מראה את הבלוקים השונים המשולבים בתוך הרכיבים ממשפחת AD927x החדשה. הרכיבים מאופיינים בשמונה ערוצי קלט במקביל, כאשר כל ערוץ משלב מגבר רעש נמוך (LNA), מגבר בעל הגבר משתנה (VGA), מסנן נגד קיפול תדרים (anti aliasing – AAF) ניתן לתכנות וממיר אנלוגי לספרתי (ADC) מחוברים בצנרת (pipeline) עם ממשק LVDS טורי. שרשרת אותות זו נדרשת על מנת להפיק תמונה במצב B כאשר מופקת תמונת גווני אפור של הרקמה הנבדקת. מעל תמונת גווני אפור זו ניתן להוסיף שכבת כיסוי (overlay) בצבע כדי להראות את זרימת הדם. מצבי סריקה אלו מנצלים שידור גלי דפקים (“פולסים”), בשעה שהמקמ”ש עובר לסירוגין בין מצב שידור ומצב קליטה.
המוצא של כל מגבר LNA הוא במקביל לנתיב האותות המתואר לעיל, אשר גם הוא מחובר לפונקציה של גלוי אפנון (demodulator) I/Q עם מזיז פאזה (phase shifter). נתיב אותות זה נדרש על מנת לפעול במצב Doppler בגל רציף (CW), הידוע גם בשם “מצב-D”. במצב דימות זה, אפשר להציג את המהירויות והתדירויות של זרימת הדם וזו תכונה הנדרשת בדרך כלל למטרות אבחון בעיות לב. על מנת לאפשר את מצב הדימות הרציף הזה, מחצית התקני המקמ”ש משדרים, שעה שהמחצית השנייה של ההתקנים קולטים באותו זמן את אותות ההד.

מה הופך את דור המכשירים הזה לייחודי?
AD9278 ו-AD9279 שייכים למשפחה המתקדמת ביותר של התקני AFE של Analog Devices. הם מהווים את הדור הרביעי של מערכות החזית (front end) למערכות אולטרה סאונד משולבות מאז יצאו לראשונה לשוק לפני שלוש שנים. מעגל הכניסה האנלוגי מבוסס על תהליך סיליקון חדש אשר מספק שיפור עצום בתחום פיזור ההספק, בלי פגיעה כלשהי בביצועים.
עם יציאתו לשוק של הדור החדש הזה, הוא נבחר לשמש בשני התקנים במשפחה הבנויים באותה עקבת מעגל. בתלות בדרישות המערכת הכוללות, למתכנן נתונה הגמישות לבחור בגרסת התקן עם רעש נמוך עבור מערכות עם ביצועים גבוהים, שבהן איכות התמונה היא המניע העיקרי, או להשתמש בגרסת ההתקן בעלת צריכת ההספק הנמוכה ביותר עבור מערכות ניידות, בהן המשתמש מוותר על חלק מהביצועים בתמורה למערכת אולטרה סאונד קטנה יותר, בעלת משקל נמוך יותר ועם צריכת הספק נמוכה יותר.
ההבדל בין גרסת ההספק הנמוך לבין גרסת הביצועים הגבוהים הוא 50 מילי-וואט בלבד לערוץ, אם כי במערכות עם 128 ערוצים – שזה המספר הממוצע – ההבדל הזה הופך להיות משמעותי ביותר.
AD9278 הוא בעל צריכת ההספק הנמוכה, כאשר AD9279 צורך הספק רב יותר לערוץ בתמורה לביצועי רעש טובים יותר. מבחינת היבט האינטגרציה שני ההתקנים זהים, כך שתיאור התכונות המצוינות בסעיפים שבהמשך יכול להיות ישים לשני ההתקנים שבמשפחה זו.
כשהאות עובר מגשוש האולטרה סאונד אל המערכת הפנימית הספרתית (עיין באיור 1), הוא עובר דרך הבלוקים הבאים שבשרשרת האותות. הדרגה הראשונה היא מגבר בעל רעש נמוך עם מדרגות הגבר ניתנות לתכנות המוגדרות מראש מ- 15.6 ועד להגבר מרבי המגיע ל- 21.3. למגבר בעל הרעש הנמוך של AD9279 יש ספרת רעש מיוחס של 0.8 ננו–וולט לשורש הרץ בהגבר מרבי, כאשר ספרת הרעש של AD9278 היא 1.3 ננו–וולט לשורש הרץ, ביחס לכניסה. בנוסף, טווח מתח הכניסה הגמיש שתומך בדרגת כניסה, כולל גם סיומת גשוש פעילה, שהיא מאפשרת להתאים את השינויים בעכבה (אימפדאנס) של גששי אולטרה סאונד מגוונים על מנת לשפר את התגובה הכוללת לתופעות מעבר. איור 2 מציג את השיפור ברעש בעת השימוש בסיומת פעילה על השבב לעומת מערכת שהסיומת בה מבוצעת באמצעות נגד מקבילי. תכונה משולבת זו מאפשרת גמישות רבה יותר בהרבה מאשר מגוון הגשושים שבהם אפשר להשתמש בשילוב עם סורק אולטרה סאונד הבנוי סביב מערכות חזית של מקלט AD927x.
מאחר שמערכת אולטרה סאונד היא מערכת דפקים וזמן התנועה משמש כדי לחשב את העומק, השתקמות מהירה מתנאי עומס יתר בכניסה חיונית ביותר. למשפחה זו יש התנהגות מצוינת בתנאי עומס יתר בכניסה של מגבר LNA אך גם בדרגה של מגבר VGA העוקבת. זמן ההשתקמות מעומס יתר טוב יותר מ-10 ננו שניות. למרות ביצועי ההשתקמות המצוינים מומלץ להוסיף מעגל הידוק חיצוני לכל ערוץ כניסה של השבב. איור 3 מציג דוגמה לדרך שבה יש לשלב את ההגנה במערכת. שיטת ההגנה מכילה זוג של דיודות מחוברות במקביל זו לזו ומוצבות לפני קבלי חסימת המתח הישר. הנגד המקבילי חייב להיות קטן ככל האפשר, כדי להגביל רעש נוסף אשר יכול להיווצר במעגל ההגנה.
גשר הדיודות בשרשרת אותות הכניסה נדרש על מנת להגן על מעגל הכניסה במצב שידור. הוא יחסום את כניסת אותות השידור ממקלט הכניסה הרגיש. חברת Analog Devices עובדת כיום על מתג פעיל שבו אפשר להשתמש כדי להחליף את גשרי הדיודות בכל כניסה. מתג זה ישלב שמונה ערוצים כדי להקטין את שטח המעגל המודפס ויאפשר למעגל המקלט להיות קטן אף יותר.
נחזור עתה לתיאור זרימת האותות – אחרי מגבר LNA קיים נתיב אותות הפרשי (דיפרנציאלי) מלא ובו מגבר בעל הגבר משתנה עם בקרת מתח. מאחר שההנחתה של אות אולטרה סאונד היא מעריכית ביחס למרחק או לעומק בתוך הגוף, יש צורך בהגבר נוסף עבור אותות ההד המגיעים ממקום עמוק יותר בתוך הגוף.
באופן גס, ההנחתה היא  1 לסנטימטר למגה הרץ, והמשמעות היא שעם גשוש של שמונה מגה הרץ ובחדירה לעומק של 4 ס”מ השינויים במשרעת (אמפליטודה) של האות בין הרקמות הפנימיות לבין הרקמות הקרובות לפני המשטח ישתנה ב-  64
(248). בנוסף לתדירות ולעומק יש צורך לקחת בחשבון את מרחק התנועה פעמיים, מאחר שההנחתה מתקיימת הן בכיוון השידור וגם בכיוון החזרה של האות. פונקציית מגבר VGA או מגבר בהגברת זמן (TGA) שמשמש במערכות אולטרה סאונד מתאים את ההנחתה של האותות הנקלטים על פני הזמן.
הוספת טווח דינמי של לפחות  64 למגבר VGA, בנוסף לטווח של  60 הנדרש לרזולוציית התמונה, דורשת טווח דינמי כולל הקרוב ל-  125. טווח דינמי נוסף זה מושג על ידי ממיר ADC המשולב ל-12 סיביות שמחובר בצנרת (pipeline). אפשר להפעיל את הממיר מאנלוגי לספרתי בשלושה מצבי דגימה ניתנים לבחירה – 25 מגה דגימות לבחירה, 40 מגה דגימות בשנייה ו- 50 מגה דגימות בשנייה עבור AD9278 – או – 40 מגה דגימות בשנייה, 50 מגה דגימות ו80 מגה דגימות בשנייה עבור AD9279. על ידי הורדה של הדירוג של קצב הדגימה אפשר לקבל חיסכון בהספק של עד 20 אחוזים.
מסנן נגד קיפול תדרים ניתן לתכנות מוצב בין מגבר VGA וממיר ADC, כדי לסלק אותות מתח ישר וכדי להגביל את רוחב הפס של האותות ולמנוע קיפול תדרים. מסנן AAF משלב מסנן קוטב יחיד מעביר גבוהים ומסנן מעביר נמוכים מסדר שני. אפשר להגדיר את הקונפיגורציה של המסנן מעביר הגבוהים ביחס של המסנן מעביר הנמוכים, ואפשר לבחור בו דרך ממשק SPI. הטולראנסים של  תדר הקיטעון נשמרים בטווח שבין שמונה מגה הרץ עד 18 מגה הרץ.
אפשר לקבל את הנתונים הספרתיים של ממיר ADC דרך ממשק LVDS סטנדרטי (ANSI-644). לאחר הפעלת המתח לשבב, הוא פועל במצב ברירת מחדל. ואולם, יש אפשרות להפחית גם את פיזור ההספק בדרגת דחיפת המוצא על ידי הגבלת קצב הנתונים באופן דומה לתקן IEEE 1596.3 . כך אפשר להפחית את פיזור ההספק הכולל של השבב ב- 36 מילי וואט.

עבודה במצב Doppler בגל רציף
AD9278 ו–AD9279 הם הדור השני של התקני חזית המיועדים למערכות אולטרה סאונד רפואיות מבית ADI, אשר כוללות פונקצית גלאי אפנון I/Q מובנה לקבלת פעולת Doppler בגל רציף. פעולה כזו מתאימה במיוחד ליישומים של עיצוב אלומות במערך מופע (phased-array beam-forming). בעזרת תכונה זו אפשר להציג את המהירות והתדירות של זרימת הדם. בשני הדורות הראשונים לא נכללה תכונה זו על המעגל, אבל עם השימוש הגובר במערכות אולטרה סאונד רפואיות לבדיקות לב, נוצר עניין רב להכיל את הפונקציה הזו במארז יחיד.
לכל גלאי אפנון יש מזיז מופע בדיד (משל עצמו) שניתן לתכנות ב-16 צעדים של 22.5 מעלות. אותות המוצא I/Q הם בזרמים הפרשיים, כך שיש לסכם את כל הערוצים יחד למוצא של מתח על ידי מגבר תמסורת עכבה (transimpedance) חיצוני. מאחר שלמצב Doppler בגל רציף נדרש הטווח הדינמי הגדול ביותר, קרוב ל–160dBc לשורש הרץ, יש צורך לבחור בקפדנות רבה את הרכיבים החיצוניים הנוספים בנתיב האותות במצב Doppler בגל רציף. בעוד שדימות במצב B מתקיים בטווח תדרים שבין 2 מגה-הרץ לבין 10 מגה-הרץ, מצב Doppler בגל רציף מופעל ברמות תדירות נמוכות למדי, שבין מתח ישר לבין כמה עשרות של קילו-הרץ. במצב זה חשוב ליצור שרשרת אותות עם התנהגות רעש טובה, במיוחד בפס התדירויות הנמוכות. איור 4 מציג את שרשרת האותות כולה של נתיב Doppler בגל רציף.
אחד המגברים המומלצים למשימה זו הוא ADA4841-2 הכפול. הוא מבוסס על תהליך דו-קוטבי (“ביפולרי”) של 12 וולט ואפשר להפעילו מאספקת מתח סימטרית של 5 וולט. הרעש שלו בתדירויות נמוכות הוא 1.2 ננו-וולט לשורש הרץ עם צריכת הספק מהוגנת, כך שהוא מועמד טוב ליישום זה. יציאות I ו-Q ההפרשיות משבב מערכת החזית מחוברות אל דרגת המגבר הראשונה לצורך המרת הזרמים למתח. בדרגה השנייה מסוכמים כל הערוצים יחד ועוברים סינון על מנת לסלק את תדירות גלאי האפנון. ולבסוף, יש צורך להמיר את האותות המסוכמים אלו למישור הספרתי באמצעות ממיר ADC חיצוני. AD7982 הוא ממיר ADC מסוג אוגר קירובים עוקבים (successive approximation register) ל-18 סיביות ו-1 מגה-דגימות בשנייה, עם ליניאריות טובה ביותר, תכונות אשר הופכות אותו למתאים במיוחד לשימוש ביישום זה. קצב הדגימה של 1 מגה-הרץ מספק רוחב פס מספיק לדגימת יתר של אותות I ו-Q לצורך דילול (decimation) ולהגדלת המספר היעיל של הסיביות. AD927x עם שרשרת אותות זו של מצב Doppler בגל רציף, כפי שמתואר כאן, מספק ביצועי מערכת יוצאי דופן.
AD927x והמתחרים
משפחה זו, של שבבי מערכות החזית החדשה, מקדמת את סורקי האולטרה סאונד הניידים אל הרמה הבאה. גם כאן, שוב הציגה Analog Devices את היכולות שלה בשילוב אותות אנלוגיים בביצועים גבוהים עם אותות מעורבים מהירים. מאחר שמערכת החזית מבוססת על תהליך חדש, היא מספקת שיפור של 15 אחוזים בצריכת ההספק הכוללת, בהשוואה לדורות הקודמים, ללא צורך בפשרות כלשהן בביצועי הרעש או באיכות התמונה. צריכת ההספק עבור שרשרת האותות כולה במצב TGC היא 80 מילי–וואט לערוץ עבור AD9278 ו-133 מילי-וואט עבור “אחיו בעל הביצועים היותר גבוהים”. אם שרשרת האותות משמשת לדימות בגל רציף, הוא מפזר לכל ערוץ פחות הספק, בהפרש ניכר. במהלך דימות Doppler בגל רציף, אפשר להשבית את מגבר VGA וממיר ADC שעל השבב ולהפחית את פיזור ההספק המשמש במצב פעולה זה ל-32 מילי-וואט ל-AD9278 או ל-48 מילי-וואט לערוץ, במקרה שנעשה שימוש ב-AD9279. בטבלה 1 מופיעות הפשרות בין ההתקנים השונים במשפחה ומצבי הפעולה לבין צריכת ההספק.
כל ההגדרות, כדגומת ההגבר של מגבר LNA, ההגבר של מגבר VGA, תדירויות הקיטעון של המסנן וקצבי הדגימה של ממיר ADC, ניתנות לתכנות במלואן דרך ממשק SPI, אשר מאפשר למתכנן ולמשתמש הקצה להפעיל את ההתקן בנקודה האופטימלית של ביצועי התמונה עם אורך חיי הסוללה. כמו כן, אפשר לתכנת באופן חיצוני זרמי מיקדם שונים, ולקבל גמישות רבה אף יותר.
יחידת בסיס זו באינטגרציה מלאה עם שמונה ערוצים, נתונה במארז mini BGA בגודל 10 מ”מ  10 מ”מ והיא תומכת בממשק ANSI LVDS סטנדרטי על מנת לאפשר חיבור ישיר להתקן FPGA או למעבד שבהם אפשר לאסוף את הנתונים, לעבד אותם ולצפות בהם בתצוגה.

האם אפשר להקטין את המערכות עוד?
מגמות לעתיד מראות שתהיה עלייה ברזולוציה של הגשושים. בעוד שכיום משתמשים בגשושי מערך מופע (phased array), השוק נושא עיניים לגשושים דו–ממדיים ויש המדברים אפילו על פתרונות של גשושים תלת–ממדיים. עם העלייה ברזולוציה של הגשושים, יהפכו נושאים נוספים לאתגר מיוחד, כמו למשל חיבורי ביניים שבין ראש הגשוש לבין הסורק עצמו. ככל שיהיו יותר ערוצים, כך יידרשו יותר זוגות חוטים קואקסיאליים, תקטן הגמישות של הגשוש והעלות הכוללת תגדל. פתרון לבעיה זו יכול להיות נעוץ בהעברה של חלק מהמערכות האלקטרוניות אל ראש הגשוש, על מנת להקטין את מספרם של חיבורי המוצא. אלו הם אתגרים שעליהם נצטרך להתגבר בשנים הקרובות. בדבר אחד אפשר להיות בטוחים – עדיין יש מקום לשיפור!
מאת:ז’אן–היין ברדרס [Jan-Hein Broeders]
מנהל פיתוח עסקים בתחום הרפואי, אירופה.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת “ANALOG DEVICES”