การแนะนำ

ในการออกแบบวงจรส่วนหน้าของเครื่องอัลตราซาวนด์นั้น ต้องพิจารณาถึงข้อแลกเปลี่ยนที่สำคัญหลายประการ พารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพของส่วนประกอบในวงจรส่วนหน้าส่งผลต่อประสิทธิภาพในการวินิจฉัย และในทางกลับกัน การกำหนดค่าระบบและวัตถุประสงค์ก็ส่งผลต่อการเลือกส่วนประกอบเช่นกัน

เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่นักออกแบบจะต้องเข้าใจข้อกำหนดเฉพาะที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ ผลกระทบต่อประสิทธิภาพของระบบ และวิธีการที่ข้อกำหนดเหล่านั้นได้รับผลกระทบจากข้อจำกัดในการออกแบบวงจรรวม (IC) ทั้งในแง่ของการรวมระบบและเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งจะจำกัดทางเลือกในการออกแบบของผู้ใช้ การตระหนักถึงข้อควรพิจารณาเหล่านี้จะช่วยให้นักออกแบบสามารถแบ่งส่วนระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เราจะเริ่มต้นด้วยภาพรวมของระบบในระดับสูง ตามด้วยคำอธิบายโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของระบบอัลตราซาวนด์

บทนำระบบ

เครื่องอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์เป็นหนึ่งในเครื่องประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนที่สุดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน เช่นเดียวกับเครื่องจักรที่ซับซ้อนอื่นๆ การนำไปใช้งานจึงต้องมีการประนีประนอมหลายอย่างเนื่องจากข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ หลักการทางฟิสิกส์ และต้นทุน ความเข้าใจในระดับระบบจึงจำเป็นอย่างยิ่งต่อการเข้าใจหน้าที่และประสิทธิภาพของวงจรไอซีส่วนหน้า (IC) ที่ต้องการอย่างถ่องแท้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ: ตัวขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA); ตัวขยายสัญญาณชดเชยอัตราขยายตามเวลา (TGC); และตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC)

ในวงจรประมวลผลสัญญาณอัลตราซาวนด์—รวมถึงระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนอื่นๆ อีกมากมาย—ส่วนประกอบประมวลผลสัญญาณอนาล็อกเหล่านี้เป็นองค์ประกอบสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ คุณลักษณะของส่วนประกอบในวงจรประมวลผลสัญญาณจะกำหนดขีดจำกัดของประสิทธิภาพระบบ เมื่อสัญญาณรบกวนและการบิดเบือนเกิดขึ้นแล้ว แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะกำจัดออกไป นี่เป็นปัญหาทั่วไปในวงจรประมวลผลสัญญาณรับ ไม่ว่าจะเป็นอัลตราซาวนด์หรือระบบไร้สายก็ตาม

เป็นเรื่องน่าสนใจที่จะพิจารณาว่าคลื่นอัลตราซาวนด์นั้นโดยพื้นฐานแล้วเป็นระบบเรดาร์หรือโซนาร์ แต่ทำงานที่ความเร็วที่แตกต่างกันหลายเท่าตัว ระบบอัลตราซาวนด์ทั่วไปมีหลักการทำงานเกือบจะเหมือนกับระบบเรดาร์แบบเฟสอาร์เรย์บนเครื่องบินพาณิชย์และเครื่องบินทหาร รวมถึงเรือรบ เรดาร์ทำงานในช่วงความถี่ระดับกิกะเฮิร์ตซ์ โซนาร์ในช่วงความถี่ระดับกิโลเฮิร์ตซ์ และอัลตราซาวนด์ในช่วงความถี่ระดับเมกะเฮิร์ตซ์ นักออกแบบระบบอัลตราซาวนด์ได้นำหลักการควบคุมลำแสงโดยใช้เฟสอาร์เรย์มาปรับใช้และพัฒนาต่อยอด ซึ่งเป็นหลักการที่นักออกแบบระบบเรดาร์คิดค้นขึ้น ปัจจุบันระบบเหล่านี้ประกอบด้วยอุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณที่ซับซ้อนที่สุดเท่าที่จะหาได้

ภาพที่ 1 แสดงแผนภาพอย่างง่ายของระบบอัลตราซาวนด์ ในระบบดังกล่าวทั้งหมดจะมีทรานสดิวเซอร์แบบหลายองค์ประกอบอยู่ที่ปลายสายเคเบิลที่ค่อนข้างยาว (ประมาณ 2 เมตร) สายเคเบิลนี้ประกอบด้วยสายไมโครโคแอกเซียลตั้งแต่ 48 ถึง 256 เส้น และเป็นส่วนประกอบที่แพงที่สุดชิ้นหนึ่งของระบบ ในระบบส่วนใหญ่จะมีหัวโพรบทรานสดิวเซอร์หลายแบบ (เรียกอีกอย่างว่าด้ามจับ—ด้ามจับคือหน่วยที่บรรจุองค์ประกอบทรานสดิวเซอร์และเชื่อมต่อกับระบบผ่านสายเคเบิล) ให้เลือกเชื่อมต่อกับระบบ ทำให้ผู้ใช้งานสามารถเลือกทรานสดิวเซอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างภาพที่ดีที่สุด การเลือกด้ามจับทำได้ผ่านรีเลย์แรงดันสูง (HV) ซึ่งจะเพิ่มค่าความจุปรสิตขนาดใหญ่เข้าไปในค่าความจุของสายเคเบิล

มัลติเพล็กเซอร์/ดีมัลติเพล็กเซอร์แรงดันสูง (HV multiplexer/demultiplexer) ถูกนำมาใช้ในระบบอาร์เรย์บางระบบเพื่อลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์การส่งและรับ แต่ก็แลกมาด้วยความยืดหยุ่นที่ลดลง ระบบที่มีความยืดหยุ่นมากที่สุดคือระบบบีมฟอร์เมอร์ดิจิทัลแบบเฟสอาร์เรย์ ซึ่งมักจะมีราคาสูงที่สุดเช่นกัน เนื่องจากจำเป็นต้องควบคุมทุกช่องสัญญาณด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ไอซีฟรอนท์เอนด์ที่ทันสมัยในปัจจุบัน เช่น ตัวขยายสัญญาณแบบปรับเกนได้ (VGA) AD8332 และตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) 12 บิต AD9238 กำลังผลักดันต้นทุนต่อช่องสัญญาณให้ลดลงอย่างต่อเนื่อง ทำให้การควบคุมทุกองค์ประกอบด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างสมบูรณ์นั้นถูกนำมาใช้แม้ในระบบที่มีต้นทุนปานกลางถึงต่ำแล้ว

ในส่วนของการส่งสัญญาณ (Tx) ตัวสร้างลำแสง Tx จะกำหนดรูปแบบการหน่วงเวลาและชุดพัลส์ที่ตั้งจุดโฟกัสการส่งสัญญาณที่ต้องการ จากนั้นเอาต์พุตของตัวสร้างลำแสงจะถูกขยายโดยเครื่องขยายสัญญาณส่งสัญญาณแรงดันสูงที่ขับเคลื่อนตัวแปลงสัญญาณ เครื่องขยายสัญญาณเหล่านี้อาจถูกควบคุมโดยตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) เพื่อปรับรูปร่างพัลส์การส่งสัญญาณสำหรับการส่งพลังงานที่ดีขึ้นไปยังองค์ประกอบตัวแปลงสัญญาณ โดยทั่วไปจะใช้บริเวณโฟกัสการส่งสัญญาณหลายบริเวณ (โซน) นั่นคือ บริเวณที่จะถ่ายภาพจะลึกขึ้นโดยการโฟกัสพลังงานการส่งสัญญาณที่จุดลึกขึ้นเรื่อยๆ ในร่างกาย เหตุผลหลักสำหรับการใช้หลายโซนคือ พลังงานการส่งสัญญาณต้องมากขึ้นสำหรับจุดที่อยู่ลึกเข้าไปในร่างกาย เนื่องจากสัญญาณจะลดทอนลงเมื่อเดินทางเข้าไปในร่างกาย (และเมื่อกลับมา)

ทางด้านรับสัญญาณ (Rx) จะมีสวิตช์ T/R ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นบริดจ์ไดโอด ทำหน้าที่บล็อกพัลส์ส่งสัญญาณ (Tx) แรงดันสูง ถัดจากนั้นคือตัวขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) และตัวขยายสัญญาณปรับเกนได้ (VGA) หนึ่งตัวหรือมากกว่า ซึ่งทำหน้าที่ชดเชยเกนตามเวลา (TGC) และบางครั้งก็ทำหน้าที่ลดสัญญาณรบกวนด้านข้าง (การ "กำหนดหน้าต่าง" เชิงพื้นที่เพื่อลดสัญญาณรบกวนด้านข้างในลำแสง) การควบคุมเกนตามเวลา—ซึ่งให้เกนที่เพิ่มขึ้นสำหรับสัญญาณจากส่วนลึกของร่างกาย (และมาถึงช้ากว่า)—อยู่ภายใต้การควบคุมของผู้ใช้งานและใช้เพื่อรักษาความสม่ำเสมอของภาพ

หลังจากขยายสัญญาณแล้ว จะทำการสร้างลำแสง (beamforming) ซึ่งสามารถทำได้ทั้งในรูปแบบอนาล็อก (ABF) หรือดิจิทัล (DBF) โดยส่วนใหญ่จะเป็นแบบดิจิทัลในระบบสมัยใหม่ ยกเว้นการประมวลผลดอปเปลอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) ซึ่งช่วงไดนามิกยังกว้างเกินกว่าที่จะประมวลผลผ่านช่องสัญญาณเดียวกับภาพได้ สุดท้าย ลำแสงรับสัญญาณ (Rx beams) จะถูกประมวลผลเพื่อแสดงภาพขาวดำ ภาพซ้อนสี (Colorflow overlay) บนภาพ 2 มิติ และ/หรือเอาต์พุตดอปเปลอร์

ความท้าทายของระบบอัลตราซาวนด์

เพื่อให้เข้าใจถึงความท้าทายในการตรวจอัลตราซาวนด์และผลกระทบต่อส่วนประกอบด้านหน้าอย่างถ่องแท้ จำเป็นต้องจำไว้ว่าวิธีการถ่ายภาพนี้มีจุดประสงค์อะไร ประการแรก คือ การแสดงภาพอวัยวะภายในของร่างกายมนุษย์ได้อย่างแม่นยำ และประการที่สอง คือ การตรวจจับการเคลื่อนไหวภายในร่างกาย (เช่น การไหลเวียนของเลือด) ผ่านการประมวลผลสัญญาณดอปเปลอร์ จากข้อมูลนี้ แพทย์สามารถสรุปเกี่ยวกับการทำงานที่ถูกต้องของลิ้นหัวใจหรือหลอดเลือดได้

โหมดการได้มาซึ่งข้อมูล

การตรวจด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงมีโหมดการเก็บข้อมูลหลัก 3 โหมด ได้แก่ โหมด B (ภาพขาวดำ; 2 มิติ); โหมด F (ภาพสีหรือภาพดอปเปลอร์; การไหลเวียนของเลือด); และโหมด D (ดอปเปลอร์สเปกตรัม) โหมด B สร้างภาพขาวดำแบบดั้งเดิม โหมด F คือการซ้อนภาพสีบนหน้าจอโหมด B เพื่อแสดงการไหลเวียนของเลือด โหมด D คือการแสดงผลดอปเปลอร์ที่อาจแสดงความเร็วและความถี่ของการไหลเวียนของเลือด (นอกจากนี้ยังมีโหมด M ซึ่งแสดงเส้นเวลาของโหมด B เพียงเส้นเดียว)

ความถี่ในการทำงานของอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์อยู่ในช่วง 1 เมกะเฮิร์ตซ์ถึง 40 เมกะเฮิร์ตซ์ โดยเครื่องสร้างภาพภายนอกมักใช้ความถี่ 1 เมกะเฮิร์ตซ์ถึง 15 เมกะเฮิร์ตซ์ ในขณะที่เครื่องอัลตราซาวนด์หลอดเลือดหัวใจแบบสอดสายเข้าหลอดเลือดดำใช้ความถี่สูงถึง 40 เมกะเฮิร์ตซ์ โดยหลักการแล้ว ความถี่ที่สูงกว่าย่อมเป็นที่ต้องการมากกว่า เนื่องจากให้ความละเอียดสูงกว่า แต่การลดทอนของเนื้อเยื่อจำกัดความถี่สูงสุดที่สามารถใช้ได้สำหรับระยะการทะลุทะลวงที่กำหนด อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถเพิ่มความถี่ของอัลตราซาวนด์โดยพลการเพื่อให้ได้ความละเอียดที่สูงขึ้นได้ เนื่องจากสัญญาณจะมีการลดทอนประมาณ 1 เดซิเบลต่อเซนติเมตรต่อเมกะเฮิร์ตซ์ กล่าวคือ สำหรับสัญญาณอัลตราซาวนด์ 10 เมกะเฮิร์ตซ์และความลึกในการทะลุทะลวง 5 เซนติเมตร สัญญาณที่เดินทางไปกลับจะถูกลดทอนไป 5³²³¹⁰ = 100 เดซิเบล! เพื่อให้สามารถรับมือกับช่วงไดนามิกแบบทันทีประมาณ 60 dB ในตำแหน่งใดๆ ช่วงไดนามิกที่ต้องการจะต้องเป็น 160 dB (ช่วงไดนามิกของแรงดันไฟฟ้า 100 ล้านต่อ 1)! ช่วงไดนามิกในระดับนี้ไม่สามารถทำได้โดยตรง ดังนั้นจึงต้องเสียค่าใช้จ่ายสำหรับระบบที่ซับซ้อนมาก และต้องแลกเปลี่ยนบางอย่างในส่วนหน้า—ไม่ว่าจะเป็นความลึกในการทะลุทะลวง (ถูกจำกัดโดยข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเนื่องจากกำลังส่งสูงสุดที่อนุญาต) หรือความละเอียดของภาพ (โดยใช้ความถี่อัลตราซาวนด์ที่ต่ำกว่า)

ช่วงไดนามิกกว้างของสัญญาณที่ได้รับเป็นความท้าทายที่สำคัญที่สุด วงจรส่วนหน้าต้องมีสัญญาณรบกวนต่ำมากและมีความสามารถในการจัดการสัญญาณขนาดใหญ่ไปพร้อมกัน ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่คุ้นเคยสำหรับผู้ที่มีประสบการณ์ในด้านการสื่อสาร ความไม่ตรงกันและการสูญเสียของสายเคเบิลจะเพิ่มค่าตัวเลขสัญญาณรบกวนของระบบโดยตรง ตัวอย่างเช่น หากการสูญเสียของสายเคเบิลที่ความถี่เฉพาะคือ 2 dB ค่า NF จะลดลง 2 dB ซึ่งหมายความว่าแอมพลิฟายเออร์ตัวแรกหลังจากสายเคเบิลจะต้องมีค่าตัวเลขสัญญาณรบกวนต่ำกว่าที่ต้องการสำหรับสายเคเบิลที่ไม่มีการสูญเสีย 2 dB วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้วิธีหนึ่งคือการวางแอมพลิฟายเออร์ไว้ในด้ามจับของทรานสดิวเซอร์ อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดด้านขนาดและกำลังไฟอย่างมาก นอกจากนี้ ความจำเป็นในการป้องกันจากพัลส์ส่งแรงดันสูงทำให้โซลูชันดังกล่าวทำได้ยาก

ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือ ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ทางเสียงระหว่างองค์ประกอบตัวแปลงสัญญาณกับร่างกาย ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ทางเสียงนี้ทำให้จำเป็นต้องมีชั้นปรับอิมพีแดนซ์ (คล้ายกับวงจร RF ที่ปรับอิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้า) เพื่อส่งผ่านพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปกติแล้วจะประกอบด้วยชั้นปรับอิมพีแดนซ์สองสามชั้นอยู่ด้านหน้าองค์ประกอบตัวแปลงสัญญาณในด้ามจับ ตามด้วยเลนส์ และตามด้วยเจลเชื่อมต่อ เจลนี้ช่วยสร้างการสัมผัสทางเสียงที่ดีกับร่างกาย เนื่องจากอากาศเป็นตัวสะท้อนเสียงที่ดีมาก

อีกประเด็นสำคัญสำหรับวงจรรับสัญญาณคือการฟื้นตัวจากการโอเวอร์โหลดอย่างรวดเร็ว แม้ว่าสวิตช์ T/R จะถูกออกแบบมาเพื่อป้องกันตัวรับสัญญาณจากพัลส์ขนาดใหญ่ แต่พัลส์เพียงเล็กน้อยที่เล็ดลอดผ่านสวิตช์ก็อาจเพียงพอที่จะทำให้วงจรส่วนหน้าโอเวอร์โหลดได้ การฟื้นตัวจากการโอเวอร์โหลดที่ไม่ดีจะทำให้ตัวรับสัญญาณ "มองไม่เห็น" จนกว่าจะฟื้นตัว ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำในการสร้างภาพบนผิวหนัง

วิธีการสร้างภาพอัลตราซาวนด์—โหมดบี

รูปที่ 2 แสดงวิธีการสร้างภาพสแกนแบบต่างๆ ในการสแกนทั้งสี่แบบ ภาพที่มีเส้นสแกนล้อมรอบด้วยสี่เหลี่ยมผืนผ้าเป็นภาพจำลองของภาพที่จะปรากฏบนจอแสดงผล การเคลื่อนที่เชิงกลของทรานสดิวเซอร์เดี่ยว (ในทิศทางที่ระบุโดยลูกศร) แสดงไว้ในที่นี้เพื่อช่วยให้เข้าใจการสร้างภาพได้ง่ายขึ้น แต่ภาพประเภทเดียวกันนี้สามารถสร้างได้โดยใช้แถวทรานสดิวเซอร์เชิงเส้นโดยไม่ต้องมีการเคลื่อนที่เชิงกล ในตัวอย่างของการสแกนเชิงเส้น ทรานสดิวเซอร์จะเคลื่อนที่ในแนวนอน สำหรับแต่ละเส้นสแกน (เส้นที่แสดงในภาพ) จะมีการส่งพัลส์ Tx และสัญญาณสะท้อนจากความลึกต่างๆ จะถูกบันทึกและแปลงเป็นภาพสแกนเพื่อแสดงบนจอแสดงผลวิดีโอ วิธีการเคลื่อนที่ของทรานสดิวเซอร์เดี่ยวในระหว่างการเก็บภาพจะเป็นตัวกำหนดรูปร่างของภาพ ซึ่งจะแปลงโดยตรงเป็นรูปร่างของทรานสดิวเซอร์แบบแถวเชิงเส้น กล่าวคือ สำหรับการสแกนเชิงเส้น แถวทรานสดิวเซอร์จะเป็นเส้นตรง ในขณะที่สำหรับการสแกนแบบโค้ง แถวทรานสดิวเซอร์จะเป็นรูปเว้า

ขั้นตอนที่จำเป็นในการเปลี่ยนจากระบบทรานสดิวเซอร์เดี่ยวแบบกลไกไปเป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์นั้น สามารถอธิบายได้ง่ายๆ โดยการพิจารณาการสแกนเชิงเส้นในรูปที่ 2 หากแบ่งองค์ประกอบทรานสดิวเซอร์เดี่ยวออกเป็นชิ้นเล็กๆ หลายชิ้น แล้วทำการกระตุ้นทีละองค์ประกอบและบันทึกการสะท้อนจากร่างกาย ก็จะได้ภาพสี่เหลี่ยมผืนผ้าดังที่แสดงไว้ เพียงแต่ตอนนี้ไม่จำเป็นต้องเคลื่อนย้ายองค์ประกอบทรานสดิวเซอร์ จากนี้จะเห็นได้ว่าการสแกนแบบโค้งสามารถทำได้จากอาร์เรย์เชิงเส้นที่มีรูปร่างเว้า และการสแกนแบบภาคส่วนจะทำจากอาร์เรย์เชิงเส้นที่มีรูปร่างนูน

แม้ว่าตัวอย่างข้างต้นจะอธิบายพื้นฐานของการสร้างภาพอัลตราซาวนด์แบบ B-mode แต่ในระบบที่ทันสมัยนั้นมีการใช้มากกว่าหนึ่งองค์ประกอบพร้อมกันในการสร้างเส้นสแกน เนื่องจากทำให้สามารถเปลี่ยนรูรับแสงของระบบได้ การเปลี่ยนรูรับแสงก็เหมือนกับการเปลี่ยนตำแหน่งจุดโฟกัสในทางทัศนศาสตร์ ซึ่งช่วยสร้างภาพที่คมชัดขึ้น รูปที่ 3 แสดงวิธีการทำเช่นนี้สำหรับอาร์เรย์เชิงเส้นและอาร์เรย์แบบเฟส ความแตกต่างหลักคือในอาร์เรย์แบบเฟสจะใช้ทุกองค์ประกอบพร้อมกัน ในขณะที่ในอาร์เรย์เชิงเส้นจะใช้เพียงส่วนย่อยขององค์ประกอบอาร์เรย์ทั้งหมด การใช้องค์ประกอบจำนวนน้อยลงมีข้อดีคือช่วยประหยัดฮาร์ดแวร์อิเล็กทรอนิกส์ แต่จะเพิ่มเวลาในการสร้างภาพในบริเวณที่กำหนด อาร์เรย์แบบเฟสแตกต่างออกไป เนื่องจากรูปร่างคล้ายพาย ทำให้ทรานสดิวเซอร์ขนาดเล็กมากสามารถสร้างภาพพื้นที่ขนาดใหญ่ในระยะไกลได้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมทรานสดิวเซอร์แบบอาร์เรย์เฟสจึงเป็นทรานสดิวเซอร์ที่ได้รับเลือกใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การสร้างภาพหัวใจ ซึ่งต้องจัดการกับช่องว่างเล็กๆ ระหว่างซี่โครงที่ต้องสร้างภาพหัวใจขนาดใหญ่กว่ามาก

การกระตุ้นในอาร์เรย์จะถูกส่งไปตามแนวเส้นสแกน ซึ่งกำหนดโดยโปรไฟล์การหน่วงเวลาของชุดพัลส์ที่ตั้งใจให้มาถึงจุดโฟกัสพร้อมกัน พัลส์ (รูปที่ 3) แสดงด้วย "เส้นหยัก" บนเส้นเวลาแนวตั้งเหนืออาร์เรย์ (สีที่แรเงา) โดยเวลาจะเพิ่มขึ้นในแนวตั้งจากพื้นผิวของอาร์เรย์ อาร์เรย์แบบขั้นบันไดเชิงเส้นในรูปที่ 3 จะส่งการกระตุ้นที่มีรูปร่างไปยังกลุ่มขององค์ประกอบ (ช่องเปิด) จากนั้นจะเลื่อนช่องเปิดโดยการเพิ่มองค์ประกอบนำหน้าและลดองค์ประกอบตามหลัง ในแต่ละขั้นจะเกิดเส้นสแกน (ลำแสง) หนึ่งเส้นจากการมาถึงพร้อมกันของพัลส์ ในอาร์เรย์แบบเฟส ทรานสดิวเซอร์ทั้งหมดจะทำงานพร้อมกัน ในตัวอย่างที่แสดง เส้นสีเข้มคือเส้นสแกนที่สร้างภาพข้อมูลการสะท้อนที่เกิดจากรูปแบบพัลส์ที่เป็นตัวแทน

การสร้างลำแสงแบบอนาล็อกเทียบกับการสร้างลำแสงแบบดิจิทัล

ในระบบอัลตราซาวนด์แบบบีมฟอร์มมิงอนาล็อก (ABF) และบีมฟอร์มมิงดิจิทัล (DBF) พัลส์ที่ได้รับซึ่งสะท้อนจากจุดโฟกัสเฉพาะจุดหนึ่งตามแนวลำแสงจะถูกจัดเก็บไว้สำหรับแต่ละช่องสัญญาณ จากนั้นจึงจัดเรียงตามเวลาและรวมกันอย่างสอดคล้องกัน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลเชิงพื้นที่เนื่องจากสัญญาณรบกวนของแต่ละช่องสัญญาณไม่สัมพันธ์กัน ภาพอาจถูกสร้างขึ้นเป็นลำดับของระดับอนาล็อกที่หน่วงเวลาด้วยสายหน่วงเวลาอนาล็อก รวมกัน และแปลงเป็นดิจิทัลหลังจากการรวมกัน (ABF) หรือแบบดิจิทัลโดยการสุ่มตัวอย่างระดับอนาล็อกให้ใกล้กับองค์ประกอบของตัวแปลงสัญญาณมากที่สุด จัดเก็บไว้ในหน่วยความจำ (FIFO) แล้วจึงรวมกันแบบดิจิทัล (DBF)

รูปที่ 4 และ 5 แสดงแผนภาพบล็อกพื้นฐานของระบบ ABF และ DBF ตามลำดับ ระบบทั้งสองประเภทนี้ต้องการการจับคู่ช่องสัญญาณที่สมบูรณ์แบบ โปรดทราบว่าจำเป็นต้องใช้ตัวขยายสัญญาณแบบปรับเกนได้ (VGA) ในทั้งสองระบบ และจะยังคงจำเป็นในกรณีดิจิทัลต่อไปจนกว่าจะมี ADC ที่มีช่วงไดนามิกกว้างพอในราคาที่เหมาะสมและใช้พลังงานต่ำพอ โปรดทราบว่าระบบสร้างภาพ ABF ต้องการเพียง ADC ที่มีความละเอียดสูงและความเร็วสูงเพียงตัวเดียว แต่ระบบ DBF ต้องการ ADC ที่มีความเร็วสูงและความละเอียดสูงหลายตัว บางครั้งมีการใช้ตัวขยายสัญญาณแบบลอการิทึมในระบบ ABF เพื่อบีบอัดช่วงไดนามิกก่อนส่งไปยัง ADC

ช่วงไดนามิก

ในวงจรส่วนหน้า ระดับสัญญาณรบกวนของ LNA จะเป็นตัวกำหนดว่าสามารถรับสัญญาณที่อ่อนได้มากน้อยเพียงใด แต่ในขณะเดียวกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการประมวลผลสัญญาณ CW Doppler นั้น LNA จะต้องสามารถรับมือกับสัญญาณที่มีขนาดใหญ่มากได้ด้วย ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเพิ่มช่วงไดนามิกของ LNA ให้สูงสุด (โดยทั่วไปแล้ว เป็นไปไม่ได้ที่จะทำการกรองใดๆ ก่อน LNA เนื่องจากข้อจำกัดด้านสัญญาณรบกวน) โปรดทราบว่าเงื่อนไขเดียวกันนี้ใช้ได้กับเครื่องรับสัญญาณใดๆ ในการใช้งานด้านการสื่อสาร วงจรที่อยู่ใกล้กับเสาอากาศมากที่สุดก็ไม่มีข้อได้เปรียบในการกรองมากนักเช่นกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรับมือกับช่วงไดนามิกที่กว้างที่สุด

CW Doppler มีช่วงไดนามิกที่กว้างที่สุดในบรรดาสัญญาณทั้งหมดในระบบอัลตราซาวนด์—ในระหว่าง CW คลื่นไซน์จะถูกส่งอย่างต่อเนื่องด้วยหัวแปลงสัญญาณครึ่งหนึ่ง ในขณะที่อีกครึ่งหนึ่งกำลังรับสัญญาณ มีแนวโน้มสูงที่สัญญาณส่ง (Tx) จะรั่วไหลไปยังด้านรับสัญญาณ (Rx) และยังมีการสะท้อนที่รุนแรงจากส่วนต่างๆ ของร่างกายที่อยู่นิ่งและใกล้กับพื้นผิว ซึ่งมีแนวโน้มที่จะรบกวนการตรวจ เช่น การไหลเวียนของเลือดในเส้นเลือดดำที่อยู่ลึกในร่างกาย โดยมีสัญญาณ Doppler ที่อ่อนมากร่วมด้วย

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการสร้างลำแสงแบบดิจิทัล (DBF) ยังไม่สามารถประมวลผลสัญญาณ CW Doppler ผ่านเส้นทางการสร้างภาพหลัก (B-mode) และ PW Doppler (F-mode) ได้ ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้ตัวสร้างลำแสงแบบอนาล็อก (ABF) สำหรับการประมวลผล CW Doppler ดังแสดงในรูปที่ 1 โดย ABF มีช่วงไดนามิกที่กว้างกว่า แน่นอนว่า เป้าหมายสูงสุดในอัลตราซาวนด์ DBF คือการประมวลผลทุกโหมดผ่านห่วงโซ่ DBF (ในราคาที่สมเหตุสมผล) และมีการวิจัยอย่างต่อเนื่องมากมายเกี่ยวกับวิธีการที่จะบรรลุเป้าหมายนั้น

พลัง

เนื่องจากระบบอัลตราซาวนด์ต้องการช่องสัญญาณจำนวนมาก การใช้พลังงานของส่วนประกอบด้านหน้าทั้งหมด ตั้งแต่สวิตช์ T/R ผ่าน LNA, VGA และ ADC ไปจนถึงวงจรดิจิทัลของบีมฟอร์เมอร์ จึงเป็นข้อกำหนดที่สำคัญมาก ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น จะมีการผลักดันให้เพิ่มช่วงไดนามิกของส่วนประกอบด้านหน้าอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้สามารถรวมโหมดอัลตราซาวนด์ทั้งหมดเข้าไว้ในบีมฟอร์เมอร์เดียวในที่สุด ซึ่งแนวโน้มนี้จะนำไปสู่การเพิ่มพลังงานในระบบ อย่างไรก็ตาม ก็มีความจำเป็นที่จะต้องทำให้ระบบอัลตราซาวนด์มีขนาดเล็ลงอย่างต่อเนื่อง โดยมีแนวโน้มที่จะลดการใช้พลังงาน พลังงานในวงจรดิจิทัลมักจะลดลงตามแรงดันไฟฟ้า แต่สิ่งนี้ไม่จำเป็นต้องเป็นจริงสำหรับวงจรอนาล็อกและวงจรผสมสัญญาณ นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงข้อเท็จจริงที่ว่า "เฮดรูม" ของอนาล็อกที่ลดลงมีแนวโน้มที่จะลดช่วงไดนามิก จึงจะมีข้อจำกัดว่าแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายสามารถลดลงได้ต่ำเพียงใดจึงจะยังคงได้ช่วงไดนามิกที่ต้องการ