Cómo mejorar la calidad de imagen de los sistemas de ultrasonidos con fuentes de ruido ultrabajo

La tecnología de ultrasonidos, una herramienta no invasiva ampliamente utilizada en el diagnóstico médico y otras aplicaciones, ha pasado de las imágenes estáticas a las dinámicas, y de la presentación en blanco y negro a las imágenes Doppler en color. Estas importantes mejoras se deben en gran medida a la introducción de la tecnología digital de ultrasonidos. Si bien estos avances han aumentado la eficacia y versatilidad de las imágenes por ultrasonidos, es igualmente importante que estos sistemas ofrezcan una mejor calidad de imagen gracias a los avances en la sonda de ultrasonidos de cabecera y el front-end analógico (AFE) que acciona la sonda y capta las señales de retorno.

Uno de los impedimentos para lograr esta calidad de imagen mejorada es el ruido, por lo que el objetivo del diseño es aumentar la relación señal-ruido (SNR) del sistema. Esto puede lograrse en parte abordando el ruido debido a las distintas fuentes de alimentación del sistema. Tenga en cuenta que ese ruido no es una entidad única y simple. En cambio, tiene varias características y atributos que determinan cómo impacta en última instancia en el rendimiento del sistema.

En este artículo se examina el principio básico de la obtención de imágenes por ultrasonidos y, a continuación, se analizan los distintos factores que afectan a la calidad de la imagen, principalmente el ruido de las fuentes de alimentación. Utilizará dispositivos reguladores CC/CC de Analog Devices como ejemplos de componentes de fuente de alimentación que pueden mejorar considerablemente la SNR y otros aspectos del rendimiento de los sistemas de ultrasonidos.

Conceptos básicos de la ecografía

El concepto es sencillo: generar un pulso acústico agudo y, a continuación, "escuchar" la reflexión de su eco al encontrar obstáculos o diversas interfaces entre órganos y sus diferentes impedancias acústicas. Si se repiten estas secuencias de impulso-retorno, las reflexiones pueden utilizarse para crear una imagen de las superficies reflectantes.

Para la mayoría de los modos de ultrasonidos, la matriz de transductores piezoeléctricos envía un número limitado de ciclos de onda (normalmente de dos a cuatro) en forma de pulso. La frecuencia de estas ondas en cada ciclo suele oscilar entre 2.5 y 14 megahercios (MHz). La matriz se controla mediante técnicas de formación de haces análogas a las de una antena de radiofrecuencia en fase, de modo que el impulso ultrasónico global puede enfocarse y dirigirse para crear una exploración. A continuación, el transductor pasa al modo de recepción para detectar el retorno de las ondas reflejadas desde el interior del cuerpo.

Tenga en cuenta que la relación de temporización de transmisión/recepción suele estar en torno al 1%/99%, con una frecuencia de repetición de impulsos que suele oscilar entre 1 y 10 kilohercios (kHz). Cronometrando el pulso desde su transmisión hasta los ecos recibidos y conociendo la velocidad a la que la energía ultrasónica se propaga a través del tejido corporal, es posible calcular la distancia desde el transductor hasta el órgano o la interfaz que refleja la onda. La amplitud de las ondas de retorno determina el brillo de los píxeles asignados al reflejo en la imagen ecográfica, tras un considerable postprocesamiento digital.

Comprender los requisitos del sistema

A pesar de la simplicidad conceptual del principio subyacente, un sistema completo de ecografía de gama alta es un dispositivo complicado (figura 1). El rendimiento final del sistema viene determinado en gran medida por el transductor y el front-end analógico (AFE), mientras que el posprocesamiento de la señal reflejada digitalizada permite utilizar algoritmos para mejorar la situación.

No es de extrañar que el ruido del sistema, de diversos tipos, sea uno de los factores que limitan la calidad y el rendimiento de la imagen, de nuevo de forma análoga a la consideración de la tasa de error de bit (BER) frente a la SNR en los sistemas de comunicación digital.

Figura 1: Un sistema completo de imágenes por ultrasonidos es una combinación compleja de una cantidad significativa de funciones analógicas, digitales, de potencia y de procesamiento; el AFE define los límites del rendimiento del sistema. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Hay un interruptor de transmisión/recepción (T/R) entre la matriz de transductores piezoeléctricos y la electrónica activa. La función de este interruptor es evitar que las señales de transmisión de alta tensión que impulsan el transductor alcancen y dañen el AFE del lado de recepción de baja tensión. Una vez amplificada y acondicionada, la reflexión recibida pasa al convertidores de analógico a digital (ADC) del AFE, donde se digitaliza y se somete a un proceso de tratamiento y mejora de la imagen basado en software.

Cada uno de los distintos modos de obtención de imágenes de un sistema de ultrasonidos tiene requisitos diferentes en cuanto al rango dinámico -y, por tanto, la SNR- o los requisitos de ruido:

• Para el modo de imagen en blanco y negro, se requiere un rango dinámico de 70 decibelios (dB); el umbral de ruido es importante, ya que influye en la profundidad máxima a la que puede verse el eco de ultrasonido más pequeño en el campo lejano. Esto se llama penetración, una de las características clave del modo blanco y negro.
• Para el modo Doppler de onda de impulsos (PWD), se requiere un rango dinámico de 130 dB.
• Para el modo doppler de onda continua (CWD), se necesitan 160 dB. Obsérvese que el ruido 1/f es especialmente importante para los modos PWD y CWD, ya que ambas imágenes incluyen el elemento del espectro de baja frecuencia por debajo de 1 kHz, y el ruido de fase afecta al espectro de frecuencia Doppler superior a 1 kHz.

Estos requisitos no son fáciles de cumplir. Dado que la frecuencia del transductor de ultrasonidos suele oscilar entre 1 MHz y 15 MHz, se verá afectado por cualquier ruido de frecuencia de conmutación dentro de este rango. Si existen frecuencias de intermodulación dentro de los espectros PWD y CWD (de 100 Hz a 200 kHz), aparecerán los evidentes espectros de ruido en las imágenes Doppler, lo cual es inaceptable en el sistema de ultrasonidos. Para obtener el máximo rendimiento del sistema y calidad de imagen (claridad, rango dinámico, ausencia de moteado de la imagen y otros coeficientes de calidad), es importante tener en cuenta las fuentes que provocan la pérdida de calidad de la señal y la degradación de la SNR.

La primera es obvia: debido a la atenuación, los retornos de los tejidos y órganos más profundos del cuerpo (como los riñones) son mucho más débiles que los de los cercanos al transductor. Por lo tanto, la señal reflejada es "ganada" por el AFE para que ocupe la mayor parte posible del rango de entrada del AFE. Para ello, se utiliza una función de control de ganancia automático (AGC). Esta función AGC es similar a la utilizada en los sistemas inalámbricos, en los que el AGC evalúa la intensidad de la señal de RF recibida (RSS) y compensa dinámicamente sus cambios aleatorios e impredecibles en un intervalo de decenas de decibelios.

Sin embargo, la situación es distinta en la aplicación de ultrasonidos que en un enlace inalámbrico. En cambio, se conoce aproximadamente la atenuación de la trayectoria, así como la velocidad de propagación de la energía acústica -1540 metros por segundo (m/s) en los tejidos blandos, es decir, unas cinco veces más rápida que la propagación en el aire, a unos 330 m/s-, por lo que también se conoce la tasa de atenuación.

Basándose en estos conocimientos, el AFE utiliza un amplificador de ganancia variable (VGA) que está dispuesto como amplificador de compensación de ganancia en el tiempo (TGC). La ganancia de esta VGA es lineal-en-dB y está configurada de tal manera que una tensión de control lineal-versus-tiempo en rampa aumenta la ganancia-versus-tiempo para compensar en gran medida la atenuación. Esto maximiza la SNR y el uso del rango dinámico del AFE.

Tipos de ruido y cómo abordarlos

Aunque el ruido de la señal inducido por el cuerpo y el paciente está fuera del control del diseñador del sistema de ultrasonidos, el ruido interno del sistema debe gestionarse y controlarse. Para ello, es importante conocer los tipos de ruido, su impacto y qué se puede hacer para reducirlos. Las principales áreas de preocupación son el ruido del regulador de conmutación, el ruido blanco debido a la cadena de señales, el reloj y la alimentación, y el ruido relacionado con el diseño.

• Ruido del regulador de conmutación: La mayoría de los reguladores de conmutación utilizan una simple resistencia para ajustar la frecuencia de conmutación. La tolerancia inevitable del valor nominal de esta resistencia introduce diferentes frecuencias de conmutación y armónicos, ya que las frecuencias de diferentes reguladores independientes se mezclan y se modulan de forma cruzada. Tenga en cuenta que incluso una resistencia de tolerancia ajustada con una imprecisión del 1% produce una frecuencia armónica de 4 kHz en un regulador CC-CC de 400 kHz, lo que hace que los armónicos sean más difíciles de controlar.

Una mejor solución es seleccionar un CI regulador de conmutación con una función de sincronización implementada a través de una conexión SYNC en uno de sus pines del paquete. Mediante esta función, un reloj externo puede distribuir una señal a los distintos reguladores para que todos conmuten a la misma frecuencia y fase. Esto elimina la mezcla de las frecuencias nominales y los productos armónicos asociados.

Por ejemplo, el LT8620 es un regulador reductor y sincrónico monolítico de alta eficiencia y alta velocidad que acepta un amplio rango de voltaje de entrada de hasta 65 voltios y consume sólo 2,5 microamperios (μA) de corriente de reposo (Figura 2). Su funcionamiento en "modo ráfaga" de bajo rizado permite una alta eficiencia hasta corrientes de salida muy bajas, manteniendo al mismo tiempo el rizado de salida por debajo de 10 milivoltios (mV) pico a pico. Un pin/clavija SYNC permite la sincronización establecida por el usuario con un reloj externo de 200 kHz a 2.2 MHz.

Figura 2: El regulador reductor y sincrónico LT8620 de TI incluye un pin SYNC para sincronizar su reloj con otros relojes del sistema y minimizar los efectos de intermodulación del reloj. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Otra técnica consiste en utilizar un regulador de conmutación que emplee una sincronización aleatoria de espectro ensanchado para repartir las interferencias electromagnéticas (EMI) generadas por una banda más amplia, reduciendo su valor máximo a cualquier frecuencia específica. Aunque es una solución atractiva para algunas aplicaciones menos críticas con la SNR y más preocupadas por cumplir los requisitos de EMI, introduce incertidumbres en los armónicos resultantes que se crearán en un espectro más amplio, lo que los hace más difíciles de controlar. Por ejemplo, una dispersión de la frecuencia de conmutación del 20% para tener en cuenta la EMI da lugar a frecuencias armónicas entre cero y 80 kHz en una fuente de alimentación de 400 kHz. Por lo tanto, aunque este enfoque para reducir los "picos" de EMI puede ayudar a cumplir los mandatos normativos pertinentes, puede ser contraproducente para las necesidades especiales de SNR de los diseños de ultrasonidos.

Los reguladores de conmutación con frecuencia constante ayudan a evitar este problema. La familia de reguladores de voltaje Silent Switcher y reguladores μModule de ADI cuentan con conmutación de frecuencia constante. Al mismo tiempo, ofrecen prestaciones EMI con técnicas de espectro ensanchando seleccionables, para proporcionar una excelente respuesta de transiente sin introducir las incertidumbres asociadas al espectro ensanchando.

La familia de reguladores Silent Switcher tampoco se limita únicamente a reguladores de baja potencia. Por ejemplo, el LTM8053 es un regulador reductor de 40 V_IN (máximo), 3.5 A continuos y 6 A de pico que incluye un controlador de conmutación, interruptores de potencia, un inductor y todos los componentes de apoyo. Sólo se necesitan condensadores de filtro de entrada y salida para terminar el diseño (Figura 3). Admite un rango de voltaje de salida de 0.97 a 15 voltios, y un rango de frecuencia de conmutación de 200 kHz a 3 MHz, cada uno ajustado por una sola resistencia.

Figura 3: El LTM8053, miembro de la familia Silent Switcher, puede suministrar 3.5 A de corriente continua/6 A de corriente de pico; acepta una entrada de 3.4 a 40 voltios y puede proporcionar salida en un amplio rango de 0.97 a 15 voltios. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El embalaje exclusivo del LTM8053 ayuda a mantener una baja EMI (interferencia electromagnética) junto con una mayor salida de corriente. Un encapsulado de micropastilla volante de cobre en un regulador Silent Switcher µModule ayuda a reducir la inductancia parásita y a optimizar el tiempo muerto y de pico, lo que permite un diseño de alta densidad y una gran capacidad de corriente en un encapsulado pequeño (Figura 4). Si se necesita más corriente, se pueden conectar varios dispositivos LT8053 en paralelo.

Figura 4: El LTM8053 (y otros dispositivos Silent Switcher) integra una micropastilla volante con pilar de cobre, lo que permite un diseño de alta densidad y una gran capacidad de corriente en un encapsulado pequeño, al tiempo que se minimiza la inductancia parásita. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

La tecnología y la topología de la línea Silent Switcher no se limitan a los reguladores de salida única. El LTM8060 es un regulador μModule Silent Switcher de 40 V_IN y cuatro canales con una matriz de salida configurable de 3 A (Figura 5). Funciona a 3 MHz y se presenta en una matriz de malla de bola (BGA) sobremoldeada y compacta (11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm).

Figura 5: El LTM8060 es una matriz configurable de cuatro canales μModule con salida de 3 A/canal en un encapsulado compacto de sólo 11.9 mm × 16 mm × 3.32 mm. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Uno de los aspectos interesantes de este dispositivo de cuatro canales es que sus salidas pueden ponerse en paralelo en distintas configuraciones para adaptarse a diferentes necesidades de corriente de carga, hasta un máximo de 12 A (Figura 6).

Figura 6: Las cuatro salidas de 3 A del LTM8060 pueden disponerse en diferentes configuraciones en paralelo para adaptarse a los requisitos de la línea de CC de la aplicación. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En resumen, los reguladores Silent Switcher ofrecen muchas ventajas en cuanto a ruido, armónicos y rendimiento térmico (Figura 7).

Figura 7: Se muestran los atributos clave de la familia de reguladores Silent Switcher en relación con importantes perspectivas de diseño. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

• Ruido blanco: También hay muchas fuentes de ruido blanco en un sistema de ultrasonidos, lo que provoca ruido de fondo y "motas" en la imagen. Este ruido procede principalmente de la cadena de señal, el reloj y la alimentación. Esto puede resolverse añadiendo un regulador de caída baja (LDO) en la clavija de alimentación de un componente analógico sensible.

Los reguladores de caída baja (LDO) de última generación de ADI, como el LT3045, presentan un nivel de ruido ultrabajo de alrededor de 1 microvoltio (μV) rms (10 Hz a 100 kHz), y proporcionan una salida de corriente de hasta 500 mA a un voltaje de caída típico de 260 mV (Figura 8). La corriente de reposo de funcionamiento es nominalmente de 2.3 mA y desciende a mucho menos de 1 μA en modo de apagado. Hay disponibles otros LDO de bajo ruido para cubrir corrientes de 200 mA a 3 A.

Figura 8: Los reguladores de caída baja (LDO) LT3045 destacan por su ruido ultrabajo de alrededor de 1 μV rms en un rango de corriente de 200 mA a 3 A. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

• Diseño de placas: En la mayoría de los diseños de placas de PC, existe un conflicto entre las trazas de señal de alta corriente de las fuentes de alimentación conmutadas y las trazas de señal de bajo nivel adyacentes, ya que el ruido de las primeras puede acoplarse a las segundas. Este ruido de conmutación suele generarse por el "bucle caliente" creado por el condensador de entrada, el MOSFET del lado superior, el MOSFET del lado inferior y las inductancias parásitas debidas al cableado, el encaminamiento y la unión.

La solución estándar es añadir un circuito de seguridad para reducir la emisión electromagnética, pero esto disminuye la eficiencia. La arquitectura Silent Switcher mejora el rendimiento y mantiene una alta eficiencia incluso a una frecuencia de conmutación elevada creando un bucle caliente opuesto (denominado "splitting") mediante emisiones bidireccionales, lo que reduce la EMI (interferencia electromagnética) en unos 20 dB (Figura 9).

Figura 9: Al establecer un "bucle caliente" opuesto que divide la trayectoria del flujo de corriente, el Silent Switcher reduce significativamente la EMI (interferencia electromagnética) en unos 20 dB. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Eficacia frente a ruido

Podría parecer que, si hay que elegir entre el ruido de la fuente de alimentación y la eficiencia potencial, la necesidad de un ruido ultrabajo en la aplicación de ultrasonidos debería prevalecer. Al fin y al cabo, unos pocos milivatios más de disipación no deberían suponer una gran carga a nivel de sistema "a gran escala". Además, ¿por qué no aumentar la energía pulsada por el transductor para aumentar la intensidad de la señal pulsada y, por tanto, la SNR reflejada?

Pero este compromiso tiene otra complicación: el autocalentamiento de la sonda digital portátil que contiene el transductor, el controlador del elemento piezoeléctrico, el AFE y otros circuitos electrónicos. Parte de la energía eléctrica de la sonda se disipa en el elemento piezoeléctrico, la lente y el material de soporte, lo que provoca el calentamiento del transductor. Junto con la energía acústica desperdiciada en el cabezal del transductor, se producirá un calentamiento y un aumento de temperatura en la sonda.

Existe un límite en la temperatura máxima admisible de la superficie del transductor. La norma IEC 60601-2-37 (Rev 2007) limita esta temperatura a 50 °C cuando el transductor transmite al aire, y a 43 °C cuando transmite a un maniquí adecuado (un simulador corporal estándar); este último límite implica que la piel (normalmente a 33 °C) puede calentarse 10 °C como máximo. Así pues, el calentamiento del transductor es una consideración de diseño importante en los transductores complejos. Estos límites de temperatura pueden restringir efectivamente la salida acústica que puede emplearse, independientemente de la potencia de CC disponible.

Conclusión:

La ecografía es una herramienta de diagnóstico por imagen médica de uso muy extendido, inestimable, no invasiva y exenta de riesgos. Aunque el principio básico es conceptualmente simple, el diseño de un sistema de imágenes eficaz requiere una cantidad significativa de circuitos complejos, junto con múltiples reguladores de CC para alimentar sus diversos subcircuitos. Estos reguladores y la potencia asociada deben ser eficientes, pero también de muy bajo ruido debido a los mandatos extremos de SNR y rango dinámico sobre la energía de la señal acústica reflejada. Como se ha demostrado, los LDO y los CI Silent Switcher de Analog Devices cumplen estos requisitos sin comprometer el espacio, la EMI ni otros atributos clave.

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