초저잡음 공급 장치를 사용하여 초음파 시스템의 이미지 품질을 향상시키는 방법

의료 진단 및 다른 응용 분야에서 널리 사용되는 비침 도구인 초음파 기술은 정적 이미지에서 동적 이미지로, 흑백 프레젠테이션에서 컬러 도플러 이미지로 변환되었습니다. 이러한 중요한 개선은 주로 디지털 초음파 기술이 도입된 덕분입니다. 이러한 발전은 초음파 영상의 효과 및 다양성을 향상시켰지만, 이러한 시스템이 헤드-엔드 초음파 프로브의 발전을 통해 향상된 이미지 품질과 프로브를 구동하고 반환 신호를 캡처하는 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 제공하는 것도 마찬가지로 중요합니다.

이 향상된 이미지 품질 달성의 장애물 중 하나는 잡음이므로 시스템의 신호 대 잡음비(SNR)를 늘리는 설계를 목표로 해야 합니다. 이는 시스템의 다양한 전원 공급 장치 레일로 인한 잡음을 처리함으로써 어느 정도 달성될 수 있습니다. 이러한 잡음은 간단한 단일 엔터티가 아니며 시스템 성능에 궁극적으로 영향을 미치는 다양한 특성과 속성을 가집니다.

이 기사에서는 초음파 영상의 기본 원리를 살펴본 후 이미지 품질에 영향을 미치는 다양한 요인(주로 전원 공급 장치 잡음)을 중점적으로 알아봅니다. 초음파 시스템 성능의 SNR 및 다른 측면을 크게 향상시킬 수 있는 전원 공급 장치 부품의 예로 Analog Devices의 DC-DC 조정기 장치가 사용됩니다.

초음파 영상의 기본 사항

개념은 간단합니다. 선명한 음향 펄스를 생성한 다음, 장기 사이의 장애물 또는 다양한 경계와 각각의 다양한 음향 임피던스를 접할 때의 에코 반사를 '청취'합니다. 이러한 임펄스-반환 시퀀스를 반복적으로 수행함으로써 반사를 사용해 반사 표면의 이미지를 생성할 수 있습니다.

대부분의 초음파 모드에 대해 압전 트랜스듀서 어레이는 제한된 개수의 파 주기(일반적으로 2개 ~ 4개)를 펄스로 전송합니다. 각 주기에서 이러한 파의 주파수 범위는 일반적으로 2.5MHz ~ 14MHz입니다. 이 어레이는 위상 어레이 RF 안테나와 유사하게 빔 형성 기술을 통해 제어되므로 종합적 초음파 펄스에 초점을 맞추고 조정하여 스캔을 생성할 수 있습니다. 이제 신체 내에서 반사파의 반환을 감지하기 위해 트랜스듀서가 수신 모드로 전환됩니다.

전송/수신 타이밍 비율은 일반적으로 약 1%/99%이며 펄스 반복 주파수는 대개 1kHZ ~ 10kHz(킬로헤르츠)입니다. 전송부터 수신 에코까지 펄스의 시간을 측정하고 초음파 에너지가 신체 조직을 통해 전파되는 속도를 알면, 트랜스듀서에서 장기 또는 파를 반사하는 경계까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 반환되는 파의 증폭은 상당한 디지털 후처리 이후 초음파 이미지의 반사에 할당된 픽셀의 밝기를 결정합니다.

시스템 요구 사항 이해

기본 원리가 개념적으로 간단함에도 불구하고 완전한 고급 초음파 영상 시스템은 복잡한 장치입니다(그림 1). 시스템의 궁극적 성능은 대개 트랜스듀서 및 아날로그 프런트 엔드(AFE)에 의해 결정되지만 디지털화된 반사 신호의 후처리를 통해 알고리즘이 상황을 개선할 수 있습니다.

당연히 다양한 유형의 시스템 잡음은 이미지 품질 및 성능 제한 요인 중 하나이며 디지털 통신 시스템에서 비트 오류율(BER) 대 SNR을 고려하는 것과 유사합니다.

그림 1: 완전한 초음파 영상 시스템은 상당한 양의 아날로그, 디지털, 전력, 처리 기능을 복합적으로 결합합니다. AFE는 시스템 성능의 경계를 정의합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

압전 트랜스듀서 어레이와 활성 전자 부품 사이에는 전송/수신(T/R) 스위치가 있습니다. 이 스위치의 역할은 트랜스듀서를 구동하는 고전압 전송 신호가 저전압 수신측 AFE에 도달하여 손상을 일으키지 않도록 하는 것입니다. 수신된 반사는 증폭 및 조정을 거쳐 AFE의 아날로그 디지털 컨버터(ADC)로 전달됩니다. 여기서는 디지털화된 후 소프트웨어 기반 이미지 처리 및 개선이 진행됩니다.

초음파 시스템의 다양한 영상 모드 각각은 동적 범위(및 SNR)에 대해 서로 다른 요구 사항 또는 잡음 요구 사항을 가집니다.

• 흑백 이미지 모드의 경우 70dB(데시벨)의 동적 범위 가 필요합니다. 잡음층은 가장 작은 초음파 에코가 원거리에서 나타날 있는 최대 깊이에 영향을 미치므로 매우 중요합니다. 이는 침투라고 하며 흑백 모드의 중요 특징 중 하나입니다.
• 펄스파 도플러(PWD) 모드의 경우 130dB의 동적 범위가 필요합니다.
• 연속 파 도플러(CWD) 모드의 경우 160dB이 필요합니다. 1/f 잡음은 PWD 및 CWD 모드에 특히 중요합니다. 해당 이미지 모두에 1kHz 미만의 저주파 스펙트럼 요소가 포함되어 있고 위상 잡음은 1kHz를 초과하는 도플러 주파수 스펙트럼에 영향을 미치기 때문입니다.

이러한 요구 사항은 충족하기가 쉽지 않습니다. 초음파 트랜스듀서 주파수는 1MHz ~ 15MHz이므로 이 범위 내에 있는 스위칭 주파수 잡음에도 영향을 받을 수 있습니다. PWD 및 CWD 스펙트럼(100Hz ~ 200kHz) 내에 상호변조 주파수가 있는 경우 명백한 잡음 스펙트럼이 도플러 이미지에 나타나며 이는 초음파 시스템에서 허용되지 않습니다. 최대 시스템 성능 및 이미지 품질(선명도, 동적 범위, 이미지 스페클 제거 또는 성능 지수)을 위해 신호 품질 손상 또는 SNR 감소를 일으키는 원인을 살펴야 합니다.

첫 번째 원인은 당연히 감쇠입니다. 신체 깊숙히 위치한 조직 및 장기(예: 신장)에서 반환되는 결과물은 트랜스듀서 가까이에서 반환되는 경우보다 훨씬 더 약합니다. 따라서 반사된 신호는 AFE의 입력 범위를 최대한 많이 차지하도록 AFE에 의해 '증가(gained up)'됩니다. 이 경우 자동 이득 제어(AGC) 기능이 사용됩니다. 이 AGC 기능은 AGC가 무선 RF 수신 신호 강도(RSS)를 평가하는 무선 시스템에 사용되는 것과 유사하며 예측할 수 없는 임의 변동에 대해 동적으로 보상합니다.

그러나 초음파 응용 분야에서의 상황은 무선 링크의 경우와 다릅니다. 대신에, 경로 감쇠는 음향 에너지 전파 속도(연조직에서 1540m/s(초당 미터) 또는 공기 중 전파 속도 330m/s보다 약 5배 빠름)와 같이 대략적으로 알려져 있고 감소율도 마찬가지로 알려져 있습니다.

이 지식을 기반으로 하여 AFE는 시간 이득 보상(TGC) 증폭기로 구성된 가변 이득 증폭기(VGA)를 사용합니다. VGA의 이득은 선형(단위: dB)이며, 선형 대 시간 램핑 제어 전압이 이득 대 시간을 증가시켜 감쇠를 상당 부분 보상하도록 구성됩니다. 이는 SNR 및 AFE의 동적 범위 사용을 최대화합니다.

잡음 유형 및 이러한 잡음을 처리하는 방법

신체 내에서 환자에 의해 유발되는 신호 잡음은 초음파 시스템 설계자의 통제를 벗어나지만 내부 시스템 잡음은 관리 및 제어되어야 합니다. 이를 위해서는 잡음 유형, 해당 영향 및 이러한 잡음을 줄이기 위해 수행할 수 있는 작업을 이해하는 것이 중요합니다. 일차적으로 고려해야 할 영역은 스위칭 조정기 잡음입니다. 이 잡음은 신호 체인, 클록, 전력, 레이아웃 관련 잡음과 관련된 백색 잡음입니다.

• 스위칭 조정기 잡음: 대부분의 스위칭 조정기는 간단한 저항기를 사용하여 스위칭 주파수를 설정합니다. 이 저항기의 공칭값에 대한 불가피한 허용 오차는 서로 다른 독립 조정기의 주파수가 혼합되고 교차 변조됨에 따라 서로 다른 스위칭 주파수와 고조파를 도입합니다. 부정확도가 1%에 불과한 엄격한 허용 오차 저항기도 400kHz DC-DC 조정기에서 4kHz 고조파 주파수를 발생시켜 고조파를 제어하기가 더 어렵다는 점을 고려하십시오.

보다 나은 해결책은 패키지 핀 중 하나에서 SYNC 연결을 통해 구현된 동기식 기능을 가진 스위칭 조정기 IC를 선택하는 것입니다. 이 기능을 사용하면 외부 클록이 신호를 다양한 조정기에 분배하여 모두 동일한 주파수 및 위상에서 스위칭되도록 할 수 있습니다. 이는 공칭 주파수 및 연결된 고조파 제품의 혼합을 제거합니다.

예를 들어, LT8620은 최대 86V의 넓은 입력 범위를 수용하고 2.5μA(마이크로 암페어)에 불과한 정동작 전류를 소모하는 고효율, 고속 동기 모놀리식 강압 스위칭 조정기입니다(그림 2). 저리플 '버스트 모드' 작동은 매우 낮은 출력 전류에 이르기까지 높은 효율을 유지하면서 출력 리플을 10mV(밀리볼트) 피크투피크 미만으로 유지합니다. SYNC 핀은 200kHz ~ 2.2MHz의 외부 클록에 대한 사용자 설정 동기화를 허용합니다.

그림 2: 고효율 Analog Devices LT8620 강압 스위칭 조정기에는 클로킹이 다른 시스템 클록과 동기화되어 클록 상호 변조 효과를 최소화할 수 있도록 SYNC 핀이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

다른 기술은 스위칭 조정기를 사용하는 것입니다.스위칭 조정기는 생성된 전자기 간섭(EMI)을 더 넓은 대역에 분산시켜 특정 주파수에서 피크 값을 낮추기 위해 랜덤 확산 스펙트럼 클로킹을 사용합니다. 이 기술은 SNR이 덜 중요하고 EMI 요구 사항을 충족하는 데 더 관심이 있는 일부 응용 제품에 매력적인 솔루션이지만, 더 넓은 스펙트럼에서 생성되는 결과 고조파에 불확실성이 도입되므로 제어하기가 더 어려워집니다. 예를 들어, EMI 고려 시 20%의 스위칭 주파수 확산은 0 ~ 80kHz(400kHz 전원 공급 장치)의 고조파 주파수를 제공합니다. 따라서 EMI '스파이크'를 낮추는 이 접근 방식을 사용하면 관련된 규제 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 수 있지만 초음파 설계의 특수 SNR 필요 사항에는 역효과를 낼 수 있습니다.

정주파를 지원하는 스위칭 조정기는 이 문제를 회피하는 데 도움이 됩니다. ADI의 Silent Switcher 제품군 전압 조정기 및 μModule 조정기는 정주파 스위칭을 제공합니다. 동시에 이 제품군은 선택 가능한 스펙트럼 확산 기술을 통해 EMI 성능을 제공하여 스펙트럼 확산과 연관된 불확성실성을 제외시켜 뛰어난 과도 응답을 실현합니다.

Silent Switcher 조정기 제품군은 또한 저전력 조정기로만 제한되지 않습니다. 예를 들어 LTM8053은 스위칭 컨트롤러, 전원 스위치, 인덕터, 모든 지원 부품을 포함하는 40V_IN(최대), 3.5A 연속, 6A 피크, 강압 조정기입니다. 입력 및 출력 필터 커패시터만으로 설계를 완료 수 있습니다(그림 3). 이 조정기는 0.97V ~ 15V의 출력 전압 범위와 200kHz ~ 3MHz의 스위칭 주파수 범위를 지원하며, 단일 저항기로 각각의 범위를 설정할 수 있습니다.

그림 3: Silent Switcher 제품군 LTM8053 제품은 3.5A 연속/6A 피크 전류를 제공할 수 있습니다. 3.4V ~ 40V의 입력을 수용하며 넓은 0.97V ~ 15V 범위의 출력을 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTM8053의 고유한 패킹은 더 높은 전류 출력과 함께 낮은 EMI를 유지하는 데 도움이 됩니다. Silent Switcher µModule 조정기의 구리 기둥 플립칩 패키지는 작은 패키지에서 기생 유도 용량을 줄이고 스파이크 및 부동 시간을 최적화하여 고밀도 설계 및 고전류 용량을 실현하는 데 도움을 줍니다(그림 4). 추가 전류가 필요한 경우 여러 개의 LT8053 장치를 병렬로 연결할 수 있습니다.

그림 4: LTM8053(및 다른 Silent Switcher 장치)은 구리 기둥 플립칩을 통합하여 작은 패키지에서 고밀도 설계 및 고전류 용량을 실현하면서 기생 유도 용량을 최소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Silent Switcher 라인의 기술 및 토폴로지는 단일 출력 조정기로 제한되지 않습니다. LTM8060은 구성 가능한 3A 출력 어레이를 갖춘 쿼드 채널, 40V_IN Silent Switcher μModule 조정기입니다(그림 5). 이 조정기는 최대 3MHz에서 작동하며 콤팩트한(11.9mm × 16mm × 3.32mm), 오버몰딩 볼 그리드 어레이(BGA)에 패키징되어 있습니다.

그림 5: LTM8060은 11.9mm × 16mm × 3.32mm에 불과한 콤팩트 패키지에 3A/채널 출력을 제공하는 4채널 μModule 구성 가능 어레이입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 쿼드 채널 장치의 흥미로운 측면 중 하나는 최대 12A까지 다양한 부하 전류 요구 사항에 맞게 출력을 다양한 구성으로 병렬 연결할 수 있다는 것입니다(그림 6).

그림 6: LTM8060의 4개 3A 출력은 응용 제품의 DC 레일 요구 사항에 맞게 다양한 병렬 구성으로 배열할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

요약하면, Silent Switcher 조정기는 잡음, 고조파, 열 성능과 관련하여 여러 이점을 제공합니다(그림 7).

그림 7: 중요한 설계 관점에서 Silent Switcher 제품군 조정기에 대한 주요 속성이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

• 백색 잡음: 초음파 시스템에는 여러 백색 잡음원이 있어 백그라운드 잡음 및 이미지 '스페클'이 발생합니다. 이 잡음은 주로 신호 체인, 클록, 전력에서 발생합니다. 민감한 아날로그 부품의 전력 핀에 저드롭아웃(LDO) 조정기를 추가하면 이 문제를 해결할 수 있습니다.

ADI의 차세대 LDO 조정기(예: LT3045)는 약 1μV(마이크로 볼트) rms(10Hz ~ 100kHz)의 초저잡음 레벨과 최대 500mA(260mV의 통상 강하 전압 기준)의 전류 출력을 제공합니다(그림 8). 작동 정동작 전류는 공칭 2.3mA이며 전원 차단 모드에서 1μA보다 훨씬 더 낮게 떨어집니다. 200mA ~ 3A의 전류를 다루기 위해 다른 저잡음 LDO가 제공됩니다.

그림 8: LT3045 LDO 조정기는 200mA ~ 3A의 전류 범위에 걸쳐 약 1μV의 매우 낮은 잡음을 제공하는 것으로 잘 알려져 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

• 기판 레이아웃: 대부분의 PC 기판 레이아웃에서는 스위칭 전원 공급 장치의 고전류 신호 트레이스와 인접한 저레벨 신호 트레이스 간에 충돌이 발생합니다. 전자의 잡음이 후자에 결합될 수 있기 때문입니다. 이 스위칭 잡음은 일반적으로 입력 커패시터, 상단측 MOSFET, 하단측 MOSFET 및, 배선, 라우팅, 접합으로 인한 기생 유도 용량에 의해 생성된 '핫 루프'에 의해 생성됩니다.

일반적인 해결책은 스너버 회로를 추가하여 전자기 방출을 감소하는 것이지만 이는 효율성을 감소시킵니다. Silent Switcher 아키텍처는 양방향 방출을 통해 반대 핫 루프('분할'이라고 함)를 생성하여 EMI를 약 20dB 감소시키는 방식으로 성능을 향상시키고 높은 스위칭 주파수에서도 고효율을 유지합니다(그림 9).

그림 9: Silent Switcher는 전류 흐름 경로를 분할하는 반대 '핫 루프'를 설정하여 EMI를 약 20dB 감소시킵니다. (이미지 출처: Analog Devices)

효율 대 잡음

전원 공급 장치 잡음과 잠재적 효율 사이에 상호 절충이 있는 경우 초음파 응용 제품에서 초저 잡음에 대한 필요성이 우세한 것처럼 보일 수 있습니다. 결국, 수 밀리와트의 추가적 손실은 '전체적인' 시스템 수준에서 그렇게 큰 부담이 되지 않아야 합니다. 또한, 펄스 신호 강도와 반사된 SNR을 증가시키기 위해 트랜스듀서에 의해 펄스화된 에너지를 증가시키면 어떨까요?

그러나 이 상호 절충에는 또 다른 복잡한 문제가 있습니다. 바로 트랜스듀서, 압전 소자 구동기, AFE 및 기타 전자 회로망을 포함하는 핸드헬드 디지털 프로브의 자체 발열입니다. 프로브의 전기 에너지 중 일부는 압전 소자, 렌즈, 지지체에서 소산되어 트랜스듀서가 가열되도록 합니다. 트랜스듀서 헤드에서 낭비된 음향 에너지와 함께 이는 프로브의 가열 및 온도 상승을 일으킵니다.

허용 가능한 최대 트랜스듀서 표면 온도에는 제한이 있습니다. IEC 표준 60601-2-37(Rev 2007)은 이 온도를 트랜스듀서가 공기 중으로 전도하는 경우 50°C로 제한하고, 적절한 팬텀(표준 신체 시뮬레이터)으로 전도하는 경우 43°C로 제한합니다. 후자의 한계는 피부(통상 33°C)가 최대 10°C까지 가열될 수 있음을 의미합니다. 따라서 트랜스듀서 가열은 복잡한 트랜스듀서에서 중요한 설계 고려 사항입니다. 이러한 온도 제한은 가용 DC 전력에 상관없이, 채택할 수 있는 음향 출력을 효율적으로 제한할 수 있습니다.

결론

초음파 영상은 광범위하게 사용되는 중요한 비침습 무위험 의료 영상 도구입니다. 기본 원리는 개념적으로 간단하지만 효과적인 영상 시스템을 설계하려면 다양한 하위 회로에 전력을 공급하기 위한 여러 DC 조정기와 함께 막대한 양의 복잡한 회로망이 필요합니다. 이러한 조정기 및 연관된 전력은 효율적이어야 하지만, 반사된 음향 신호 에너지에 대한 극도의 SNR 및 동적 범위 요구 사항으로 인한 잡음이 매우 낮아야 합니다. 위에 설명한 대로 Analog Devices의 LDO 및 Silent Switcher IC는 공간, EMI 또는 다른 주요 속성을 손상시키지 않으면서 이러한 요구 사항을 충족합니다.

관련 내용

1. Maxim/Analog Devices, Tutorial 4696, 'Overview of Ultrasound Imaging Systems and the Electrical Components Required for Main Subfunctions'
2. Analog Devices, 'Silent Switcher™ Technology by Analog Devices'(동영상)
3. Analog Devices, 'Low Noise Silent Switcher μModule and LDO Regulators Improve Ultrasound Noise and Image Quality'
4. Analog Devices, 'Silent Switcher Devices Are Quiet and Simple'