Améliorer la qualité d'image des systèmes à ultrasons grâce à des alimentations à bruit ultrafaible

La technologie à ultrasons, un outil non invasif largement utilisé dans les diagnostics médicaux et d'autres applications, a évolué des images statiques aux images dynamiques, et d'une présentation en noir et blanc aux images Doppler en couleur. Ces améliorations importantes sont en grande partie dues à l'introduction de la technologie numérique à ultrasons. Bien que ces avancées aient amélioré l'efficacité et la polyvalence de l'imagerie par ultrasons, il est tout aussi important que ces systèmes offrent une meilleure qualité d'image via des améliorations de la sonde ultrasonore frontale et du circuit d'entrée analogique (AFE) qui commande la sonde et capture les signaux de retour.

Le bruit est l'un des obstacles à l'obtention de cette meilleure qualité d'image. L'objectif de la conception est donc d'augmenter le rapport signal/bruit (SNR) du système. Cet objectif peut être atteint en partie en éliminant le bruit provenant des différents rails d'alimentation du système. Notez que ce bruit n'est pas une entité unique et simple. Au contraire, il possède diverses caractéristiques et attributs qui déterminent son impact final sur les performances du système.

Cet article étudie les principes de base de l'imagerie par ultrasons, puis s'intéresse aux différents facteurs qui affectent la qualité de l'image, principalement le bruit provenant des alimentations. Il utilise les régulateurs CC/CC d'Analog Devices comme exemples de composants d'alimentation pouvant améliorer considérablement le rapport signal/bruit et d'autres aspects des performances des systèmes à ultrasons.

Principes de base de l'imagerie par ultrasons

Le concept est simple : générer une impulsion acoustique nette, puis « écouter » son écho-réflexion lorsqu'elle rencontre des obstacles ou diverses interfaces entre les organes et leurs différentes impédances acoustiques. En répétant ces séquences impulsions-retours, les réflexions peuvent être utilisées pour créer une image des surfaces réfléchissantes.

Pour la plupart des modes d'ultrasons, le réseau de transducteurs piézoélectriques envoie un nombre limité de cycles d'ondes (généralement deux à quatre) sous forme d'impulsion. La fréquence de ces ondes dans chaque cycle est généralement comprise entre 2,5 mégahertz (MHz) et 14 MHz. Le réseau est contrôlé par des techniques de formation de faisceaux analogues à celles d'une antenne RF à commande de phase, de sorte que l'impulsion ultrasonore globale peut être focalisée et orientée pour créer un balayage. Le transducteur passe ensuite en mode réception pour détecter le retour des ondes réfléchies depuis l'intérieur du corps.

Notez que le rapport de synchronisation émission/réception est généralement d'environ 1 %/99 %, avec une fréquence de répétition des impulsions généralement comprise entre 1 kilohertz (kHz) et 10 kHz. En chronométrant l'impulsion depuis son émission jusqu'aux échos reçus et en connaissant la vitesse à laquelle l'énergie ultrasonore se propage dans les tissus corporels, il est possible de calculer la distance entre le transducteur et l'organe ou l'interface qui réfléchit l'onde. L'amplitude des ondes réfléchies détermine la luminosité des pixels affectés à la réflexion dans l'image ultrasonore, après un post-traitement numérique considérable.

Comprendre les exigences du système

Malgré la simplicité conceptuelle du principe sous-jacent, un système d'imagerie par ultrasons haut de gamme complet est un dispositif complexe (Figure 1). Les performances finales du système sont largement déterminées par le transducteur et le circuit d'entrée analogique, tandis que le post-traitement du signal réfléchi numérisé permet aux algorithmes d'améliorer la situation.

Sans surprise, le bruit système de divers types est l'un des facteurs limitatifs de la qualité et des performances de l'image, de manière similaire à la considération du taux d'erreur sur les bits (TEB) par rapport au SNR dans les systèmes de communications numériques.

Figure 1 : Un système d'imagerie par ultrasons complet est une combinaison complexe de nombreuses fonctionnalités analogiques, numériques, de puissance et de traitement. Le circuit d'entrée analogique définit les limites des performances du système. (Source de l'image : Analog Devices)

Un commutateur émission/réception (T/R) est placé entre le réseau de transducteurs piézoélectriques et l'électronique active. Le rôle de ce commutateur est d'empêcher les signaux d'émission haute tension qui commandent le transducteur d'atteindre et d'endommager le circuit d'entrée analogique basse tension côté réception. Après avoir été amplifiée et mise en forme, la réflexion reçue est transmise au convertisseur analogique-numérique (CAN) du circuit d'entrée analogique, où elle est numérisée et soumise à un traitement et à une amélioration de l'image par logiciel.

Chacun des différents modes d'imagerie d'un système à ultrasons a différentes exigences en matière de plage dynamique — et donc de SNR — ou de bruit :

• Pour le mode d'image en noir et blanc, une plage dynamique de 70 décibels (dB) est nécessaire. Le bruit de fond est important car il a un impact sur la profondeur maximum à laquelle le plus petit écho ultrasonore est visible dans le champ lointain. C'est ce que l'on appelle la pénétration, l'une des principales fonctionnalités du mode noir et blanc.
• Pour le mode Doppler à onde pulsée (PWD), une plage dynamique de 130 dB est nécessaire.
• Pour le mode Doppler à onde entretenue (CWD), 160 dB sont nécessaires. Notez que le bruit en 1/f est particulièrement important pour les modes PWD et CWD, car ces deux images incluent l'élément de spectre basse fréquence en dessous de 1 kHz, et le bruit de phase a un impact sur le spectre de fréquences Doppler au-dessus de 1 kHz.

Ces exigences ne sont pas faciles à satisfaire. La fréquence du transducteur à ultrasons étant typiquement comprise entre 1 MHz et 15 MHz, il sera affecté par tout bruit de fréquence de commutation dans cette gamme. S'il existe des fréquences d'intermodulation dans les spectres PWD et CWD (de 100 Hz à 200 kHz), des spectres de bruit évidents apparaîtront dans les images Doppler, ce qui est inacceptable dans le système à ultrasons. Pour optimiser les performances du système et la qualité de l'image (clarté, plage dynamique, absence de points noir dans l'image et autres facteurs de mérite), il est important d'examiner les sources qui entraînent une perte de qualité du signal et une dégradation du SNR.

La première source est évidente : en raison de l'atténuation, les retours des tissus et organes situés plus profondément dans le corps (comme les reins) sont beaucoup plus faibles que ceux des tissus et organes proches du transducteur. Par conséquent, le signal réfléchi est « acquis » par le circuit d'entrée analogique de manière à occuper la plus grande partie possible de la plage d'entrée du circuit d'entrée analogique. Pour cela, une fonction de commande automatique de gain (CAG) est utilisée. Cette fonction CAG est similaire à celle utilisée dans les systèmes sans fil où la commande CAG évalue l'intensité du signal reçu (RSS) RF sans fil et compense dynamiquement ses changements aléatoires et imprévisibles sur une plage de quelques dizaines de décibels.

Dans le cas d'une application ultrasonique, la situation est toutefois différente de celle d'une connexion sans fil. L'atténuation du trajet est approximativement connue, tout comme la vitesse de propagation de l'énergie acoustique — 1540 mètres par seconde (m/s) dans les tissus mous, soit environ cinq fois plus rapide que la propagation dans l'air à environ 330 m/s — et donc le taux d'atténuation est également connu.

Sur la base de ces connaissances, le circuit AFE utilise un amplificateur à gain variable (VGA) qui est disposé comme un amplificateur de profondeur de la zone explorée (TGC). Le gain de cet amplificateur VGA est linéaire en dB et est configuré de telle sorte qu'une tension de commande à rampe linéaire en fonction du temps augmente le gain en fonction du temps pour compenser en grande partie l'atténuation. Cela maximise le SNR et l'utilisation de la gamme dynamique du circuit d'entrée analogique.

Types de bruit et solutions

Bien que le bruit du signal induit par le corps et le patient échappe au contrôle du concepteur du système à ultrasons, le bruit interne du système doit être géré et contrôlé. Pour cela, il est important de comprendre les types de bruit, leur impact et ce qui peut être fait pour les réduire. Les principaux sujets de préoccupation sont le bruit des régulateurs à découpage, le bruit blanc dû à la chaîne de signaux, à l'horloge et à la puissance, et le bruit lié à la configuration.

• Bruit des régulateurs à découpage : La plupart des régulateurs à découpage utilisent une simple résistance pour définir la fréquence de commutation. La tolérance inévitable de la valeur nominale de cette résistance introduit des fréquences de commutation et des harmoniques différentes, car les fréquences des différents régulateurs indépendants se mélangent et se modulent mutuellement. N'oubliez pas que même une résistance à tolérance étroite avec une inexactitude de 1 % entraîne une fréquence harmonique de 4 kHz dans un régulateur CC/CC de 400 kHz, ce qui rend les harmoniques plus difficiles à contrôler.

Une meilleure solution consiste à choisir un circuit intégré de régulateur à découpage doté d'une fonction de synchronisation implémentée via une connexion SYNC sur l'une de ses broches de boîtier. Grâce à cette fonctionnalité, une horloge externe peut distribuer un signal aux différents régulateurs afin qu'ils commutent tous à la même fréquence et à la même phase. Cela élimine le mélange des fréquences nominales et des produits harmoniques associés.

Par exemple, le LT8620 est un régulateur à découpage abaisseur monolithique synchrone, haute vitesse et haut rendement, qui accepte une large plage de tensions d'entrée jusqu'à 65 volts (V), et ne consomme que 2,5 microampères (μA) de courant de repos (Figure 2). Son fonctionnement Burst Mode à faible ondulation permet un haut rendement à de très faibles courants de sortie, tout en maintenant l'ondulation de sortie en dessous de 10 millivolts (mV) crête-à-crête. Une broche SYNC permet une synchronisation définie par l'utilisateur avec une horloge externe de 200 kHz à 2,2 MHz.

Figure 2 : Le régulateur à découpage abaisseur haut rendement LT8620 est doté d'une broche SYNC pour que son horloge puisse être synchronisée avec les autres horloges du système, minimisant ainsi les effets d'intermodulation d'horloges. (Source de l'image : Analog Devices)

Une autre technique consiste à utiliser un régulateur à découpage qui emploie une horloge à spectre étalé aléatoire pour répartir les interférences électromagnétiques (EMI) générées sur une bande plus large, abaissant sa valeur de crête à toute fréquence spécifique. Bien qu'il s'agisse d'une solution intéressante pour certaines applications moins critiques en termes de SNR et plus soucieuses de répondre aux exigences EMI, elle introduit des incertitudes dans les harmoniques résultantes qui seront créées sur un spectre plus large, ce qui les rend plus difficiles à contrôler. Par exemple, un étalement de fréquence de commutation de 20 % pour des considérations EMI se traduit par des fréquences harmoniques entre zéro et 80 kHz dans une alimentation de 400 kHz. Ainsi, bien que cette approche visant à réduire les « pics » EMI puisse aider à répondre aux mandats réglementaires pertinents, elle peut être contre-productive pour les besoins SNR spéciaux des conceptions ultrasoniques.

Les régulateurs à découpage à fréquence constante permettent d'éviter ce problème. Les régulateurs de tension Silent Switcher et les régulateurs μModule d'ADI présentent une commutation à fréquence constante. En même temps, ils offrent des performances EMI avec des techniques d'étalement du spectre sélectionnables, afin de fournir une excellente réponse transitoire sans introduire les incertitudes associées à l'étalement du spectre.

Les régulateurs Silent Switcher ne se limitent pas seulement aux régulateurs à plus basse puissance. Par exemple, le LTM8053 est un régulateur abaisseur de 40 V_IN (maximum), 3,5 A continu, 6 A crête, qui inclut un contrôleur à découpage, des commutateurs de puissance, une inductance et tous les composants de support. Seuls des condensateurs de filtrage d'entrée et de sortie sont requis pour terminer la conception (Figure 3). Il prend en charge une plage de tensions de sortie de 0,97 V à 15 V, et une gamme de fréquences de commutation de 200 kHz à 3 MHz, chacune définie par une seule résistance.

Figure 3 : Le LTM8053, appartenant la gamme Silent Switcher, peut délivrer un courant continu de 3,5 A/crête de 6 A. Il accepte une entrée de 3,4 V à 40 V et peut fournir une sortie sur une vaste plage de 0,97 V à 15 V. (Source de l'image : Analog Devices)

Le boîtier unique du LTM8053 permet de maintenir un faible niveau d'EMI et une sortie en courant plus élevée. Un boîtier flip-chip à plots en cuivre dans un régulateur µModule Silent Switcher permet de réduire l'inductance parasite et d'optimiser les pics et le temps de récupération, pour une conception haute densité et une haute tenue en courant dans un boîtier compact (Figure 4). Si plus de courant est nécessaire, plusieurs dispositifs LTM8053 peuvent être connectés en parallèle.

Figure 4 : Le LTM8053, et d'autres dispositifs Silent Switcher, intègrent une puce flip-chip à plots en cuivre, permettant une conception haute densité et une haute tenue en courant dans un boîtier compact tout en minimisant l'inductance parasite. (Source de l'image : Analog Devices)

La technologie et la topologie de la gamme Silent Switcher ne se limitent pas aux régulateurs à sortie simple. Le LTM8060 est un régulateur μModule Silent Switcher à quatre canaux, 40 V_IN, avec une matrice de sortie configurable de 3 A (Figure 5). Il fonctionne jusqu'à 3 MHz et il est fourni en boîtier BGA surmoulé compact (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm).

Figure 5 : Le LTM8060 est une matrice configurable μModule à quatre canaux avec une sortie de 3 A/canal dans un boîtier compact mesurant seulement 11,9 mm × 1 mm × 3,32 mm. (Source de l'image : Analog Devices)

L'un des aspects intéressants de ce dispositif à quatre canaux est que ses sorties peuvent être mises en parallèle dans différentes configurations pour répondre à différents besoins de courant de charge, jusqu'à un maximum de 12 A (Figure 6).

Figure 6 : Les quatre sorties de 3 A du LTM8060 peuvent être disposées en différentes configurations parallèles pour répondre aux exigences de rails CC de l'application. (Source de l'image : Analog Devices)

En résumé, les régulateurs Silent Switcher offrent de nombreux avantages en matière de bruit, d'harmoniques et de performances thermiques (Figure 7).

Figure 7 : Illustration des attributs clés de la gamme de régulateurs Silent Switcher par rapport aux perspectives de conception importantes. (Source de l'image : Analog Devices)

• Bruit blanc : Il existe également de nombreuses sources de bruit blanc dans un système à ultrasons, entraînant un bruit de fond et des « points noirs » sur l'image. Ce bruit provient principalement de la chaîne de signaux, de l'horloge et de l'alimentation. L'ajout d'un régulateur LDO (à faible chute de tension) sur la broche d'alimentation d'un composant analogique sensible peut résoudre ce problème.

Les régulateurs LDO nouvelle génération d'ADI, tels que le LT3045, présentent un niveau de bruit ultrafaible d'environ 1 microvolt (μV) rms (10 Hz à 100 kHz), et fournissent une sortie en courant jusqu'à 500 mA à une tension de relâchement typique de 260 mV (Figure 8). Le courant de repos de fonctionnement est de 2,3 mA nominalement et tombe à bien moins de 1 μA en mode d'arrêt. D'autres LDO à faible bruit sont disponibles pour couvrir des courants de 200 mA à 3 A.

Figure 8 : Les régulateurs LDO LT3045 sont reconnus pour leur bruit ultrafaible d'environ 1 μV rms sur une plage de courant de 200 mA à 3 A. (Source de l'image : Analog Devices)

• Configuration de carte : Dans la plupart des configurations de cartes à circuit imprimé, on constate un conflit entre les pistes de signaux à fort courant provenant des alimentations à découpage et les pistes de signaux de bas niveau adjacentes, car le bruit provenant des premières peut se coupler aux secondes. Ce bruit de commutation est souvent généré par la « boucle active » créée par le condensateur d'entrée, le MOSFET côté supérieur, le MOSFET côté inférieur et les inductances parasites dues au câblage, au routage et à la liaison.

La solution standard consiste à ajouter un circuit d'amortissement pour réduire les émissions électromagnétiques, mais cela diminue le rendement. L'architecture Silent Switcher améliore les performances et maintient un haut rendement même à une fréquence de commutation élevée en créant une boucle active opposée (appelée « splitting ») avec des émissions bidirectionnelles, réduisant les EMI d'environ 20 dB (Figure 9).

Figure 9 : En créant une boucle active opposée qui divise le chemin du flux de courant, le Silent Switcher réduit considérablement les EMI d'environ 20 dB. (Source de l'image : Analog Devices)

Rendement par rapport au bruit

Il peut sembler que s'il existe un compromis entre le bruit de l'alimentation et le rendement potentiel, le besoin d'un bruit ultrafaible dans l'application ultrasonique devrait prévaloir. Après tout, quelques milliwatts de dissipation supplémentaires ne devraient pas être une charge trop importante au niveau du système global. De plus, pourquoi ne pas augmenter l'énergie pulsée par le transducteur pour augmenter l'intensité du signal d'impulsion et donc le SNR réfléchi ?

Mais ce compromis s'accompagne toutefois d'une autre complication : l'auto-échauffement de la sonde numérique portable qui contient le transducteur, le circuit d'attaque de l'élément piézoélectrique, le circuit AFE et d'autres circuits électroniques. Une partie de l'énergie électrique de la sonde est dissipée dans l'élément piézoélectrique, la lentille et le matériau de support, entraînant un échauffement du transducteur. En plus de l'énergie acoustique gaspillée dans la tête du transducteur, cela entraîne un réchauffement et une augmentation de la température au niveau de la sonde.

Il existe une limite à la température de surface maximum admissible du transducteur. La norme CEI 60601-2-37 (Rév. 2007) restreint cette température à 50°C lorsque le transducteur émet dans l'air, et à 43°C lorsqu'il émet dans un fantôme approprié (un simulateur de corps standard). Cette dernière limite implique que la peau (typiquement à 33°C) peut être chauffée de 10°C au maximum. L'échauffement du transducteur est donc un élément de conception important dans les transducteurs complexes. Ces limites de température peuvent limiter efficacement la puissance de sortie acoustique utilisable, indépendamment de la puissance CC disponible.

Conclusion

L'imagerie par ultrasons est un outil d'imagerie médicale largement utilisé, précieux, non invasif et sans risque. Bien que le principe de base soit simple d'un point de vue conceptuel, la conception d'un système d'imagerie efficace requiert une quantité importante de circuits complexes, ainsi que de multiples régulateurs CC pour alimenter les différents sous-circuits. Ces régulateurs et la puissance associée doivent être efficaces, mais également présenter un très faible niveau de bruit en raison des exigences extrêmes de plage dynamique et de rapport signal/bruit pour l'énergie du signal acoustique réfléchi. Comme illustré, les LDO et les circuits intégrés Silent Switcher d'Analog Devices répondent à ces exigences sans compromettre l'espace, les EMI ou d'autres attributs clés.

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1. Maxim/Analog Devices, Tutoriel 4696, "Overview of Ultrasound Imaging Systems and the Electrical Components Required for Main Subfunctions"
2. Analog Devices, "Silent Switcher™ Technology by Analog Devices"(vidéo)
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"