Questo articolo descrive le sfide relative allo sviluppo di macchine ad ultrasuoni all'avanguardia. Allo scopo di ridurre sia i costi di sviluppo del sistema che il tempo di caratterizzazione del blocco di trasmissione di un sistema a ultrasuoni, è possibile utilizzare una piattaforma di valutazione già esistente.

Inoltre, vengono descritte delle procedure passo-passo che illustrano la possibilità di sincronizzare più canali, un concetto cruciale nel direzionamento del fascio e che è unico per l'imaging medicale.

In qualsiasi processo di sviluppo di nuove tecnologie, prima di commercializzare nuovi modelli o apparecchi a ultrasuoni di nuova generazione, i produttori devono passare attraverso alcune fasi di sviluppo, di test dell’hardware e di integrazione e validazione del sistema.

Fig. 1 - Scheda di valutazione TxDAC® basata su Arduino con software Mbed open sourceÈverosimile che lo sviluppo di un sottosistema ad ultrasuoni ad elevato numero di canali richieda molti anni di sforzi. Inoltre, addentrarsi nella prototipazione hardware del sottosistema di direzionamento del fascio o di trasmissione con una conoscenza limitata degli aspetti di sistema, può essere costoso, in quanto può comportare più revisioni del prototipo hardware. Oggi, è possibile utilizzare un sistema completo (scheda di prototipazione e software open-source) per emulare il funzionamento di un sottosistema a ultrasuoni, riducendo così i costi di sviluppo e il time-to-market per i produttori.

La piattaforma di valutazione AD9106-ARDZ-EBZ è compatibile con le schede in ambiente Mbed basate su core Arm, come la SDP-K1, ed è progettata per connettersi ad Arduino Uno.

La configurazione di valutazione può essere alimentata solo tramite interfaccia USB e non richiede un generatore di forme d'onda ad alta frequenza per l'ingresso del clock. La scheda di valutazione utilizza di default un oscillatore al quarzo integrato da 156,25 MHz come sorgente di clock, ma fornisce come opzione la possibilità di collegare un clock esterno.

Le uscite DAC possono essere accoppiate al trasformatore o analizzate con amplificatori integrati, e questo è l’unico caso in cui è necessario un adattatore AC-DC da 7 VDC a 12 VDC a 30 W. Si veda la Figura 1.

Sulla pagina web della scheda di valutazione sono disponibili insieme all'hardware, esempi di codici open-source che possono essere utilizzati come punto di partenza per lo sviluppo di firmware per applicazioni mirate. Le schede di valutazione e i codici sorgente di esempio possono essere personalizzati per operare con altre piattaforme Mbed. Il nuovo sistema di valutazione semplifica la prototipazione, essendo facilmente integrabile nei sistemi esistenti.

Fig. 2 - Diagramma a blocchi funzionale della scheda AD9106La scheda di valutazione ospita il circuito integrato AD9106, un TxDAC e generatore di forme d’onda quadruplo, a basso consumo, da12 bit e180 MSPS.

L'alta frequenza di campionamento del DAC è ideale per le frequenze operative degli ultrasuoni comprese tra 1 MHz e 40 MHz, con apparecchi esterni di elaborazione delle immagini che utilizzano tipicamente frequenze comprese tra 1 MHz e 15 MHz, mentre le macchine cardiovascolari endovenose utilizzano fino a 40 MHz.

Inoltre, il generatore AD9106 è altamente integrato ed è dotato di una memoria di pattern su chip per la generazione di forme d'onda complesse e un generatore a sintesi dgitale diretta (DDS) con parola di sintonizzazione a 24 bit, che consente di ottenere una risoluzione di frequenza di 10,8 Hz/LSB.

È inoltre altamente programmabile, essendo possibile variare indipendentemente lo schema di pattern, i ritardi di avvio, il guadagno e l’offset per ciascuno dei quattro canali DAC.

Inoltre, il generatore è caratterizzato da bassi consumi (con una dissipazione di 78,8 mW/canale, 315,25 mW totali, a 3,3 V e 4 mA di uscita e 180 MSPS), che costituisce un aspetto importante per i sistemi multicanale di grandi dimensioni quali una macchina ad ultrasuoni.

Come migliorare la precisione e la risoluzione delle immagini nei dispositivi a ultrasuoni

I sistemi a ultrasuoni carrellati sono superiori rispetto ai dispositivi palmari, in termini di qualità dell'immagine o di risoluzione, principalmente a causa della grande differenza nel numero di canali.

Fig. 3 - Signal chain del front-end di un sistema medicale a ultrasuoniQuest’ultimo, tuttavia, può variare da un produttore all’altro. Essendo il costo e il consumo energetico aspetti significativi in un sistema di grandi dimensioni come la macchina ad ultrasuoni, vengono utilizzate alcune tecniche per ridurre al minimo entrambi i valori. In una tipica signal chain ad ultrasuoni illustrata in Figura 3, determinare il numero di canali è semplice se consideriamo che esiste un percorso del ricevitore (front end analogico integrato) per ogni percorso del trasmettitore (DAC + amplificatore ad alta tensione), che pilota un elemento nella matrice di trasduttori sulla punta della sonda.

Con questa premessa, possiamo affermare che il numero di canali in un sistema ad ultrasuoni può variare da 16 a 256. Il numero di canali nei sistemi di fascia alta, la maggior parte dei quali di tipo carrellato, è pari o superiore a 64. Un insieme da 16 a 64 canali è più comune per i sistemi portatili di fascia medio-bassa.

Nel percorso di segnale del trasmettitore di un sistema a ultrasuoni, un fascio di energia acustica o di onde sonore viene scansionato intorno al corpo. Le onde sonore sono convertite a partire dai segnali elettrici prodotti dagli elementi del trasduttore piezoelettrico sulla punta della sonda.

Fig. 4 - Direzionamento e messa a fuoco del fascioCome mostrato in Figura 4, la fase e l'ampiezza di ciascuno dei segnali elettrici o di trasmissione sono programmate in modo tale che il fascio di energia incidente sia diretto lungo una linea nel corpo. Le onde sonore che rimbalzano sui tessuti degli organi vengono convertite nuovamente in energia elettrica dagli elementi del trasduttore. La posizione o la distanza dell'obiettivo verrà rappresentata sullo schermo in base ai ritardi temporali da un elemento all’altro della matrice di trasduttori.

Pertanto, per visualizzare un'immagine accurata dell'interno del corpo umano è fondamentale ottenere la sincronizzazione o la possibilità di controllare il ritardo tra i segnali del trasmettitore.

Requisiti di sincronizzazione multichip

Per effettuare con successo la sincronizzazione di più DAC DDS come quelli presenti nel chip AD9106, deve essere presente una funzione di controllo sull'ingresso del clock differenziale (CLKP e CLKN) e sul fronte di discesa del pin TRIGGER.

Fig. 5 - Distribuzione consigliata (sinistra) e non ottimale (destra) del segnale di clock.Per raggiungere il primo requisito di sincronizzazione, occorre effettuare un'attenta distribuzione del segnale di clock sul PCB. Si faccia riferimento alla Figura 5. Ciò ridurrà al minimo le differenze di fase tra i fronti REF CLK che si traducono in differenze di fase proporzionali alle uscite DDS.

Poiché la generazione del modello è registrata a partire da un fronte di discesa al pin TRIGGER del generatore AD9106, il requisito successivo per la sincronizzazione consiste nel garantire fronti di impulso coincidenti. È possibile applicare la tecnica di layout illustrata in Figura 5 anche alle tracce TRIGGER PCB, instradate a partire dalle uscite digitali di un controllore per ogni singolo dispositivo AD9106.

Scheda AD9106-ARDZ-EBZ per la valutazione della sincronizzazione multichip

Fig. 6 - Schema di principio del sistema di sincronizzazione di più dispositivi AD9106 (schema semplificato, non sono riportate tutte le connessioni).Per valutare la sincronizzazione di più DAC AD9106, è possibile utilizzare due schede di valutazione AD9106 e una scheda controllore SDP-K1.

Materiali necessari:

• Due schede AD9106-ARDZ-EBZ
• Cavo USB per il collegamento scheda-PC
• SDP-K1
• Un alimentatore a parete da 12 V
• Generatore di segnale
• Cavi SMA di lunghezza variabile
• Uno splitter SMA con terminazione a T
• Cavi con connettore femmina-femmina Arduino

Impostazione hardware

Prima di collegare le tre schede, occorre configurare le due schede AD9106-ARDZ-EBZ in modo che le uscite DAC siano collegate all'amplificatore su scheda e il segnale di clock del DAC sia fornito da una sorgente esterna collegata a J10. Per le connessioni JP1 e JP2 corrette si faccia riferimento alla Figura 14b nella Guida utente Wiki Eval-AD9106.

Inoltre, è necessario impostare una delle schede AD9106-ARDZ-EBZ in modo che il pin CSB del dispositivo su scheda sia collegato al pin GPIO alternativo (viene installato R39 anziché R38). Assicuratevi che VIO_ADJUST di SDP-K1 sia impostato su 3,3 V.
Quindi, collegate l'uscita di un generatore di forme d'onda ad alta frequenza a uno splitter SMA con terminazione a T a cui possono essere connessi dei cavi coassiali con terminazione SMA di lunghezze variabili.

Successivamente, occorre impostare i collegamenti agli ingressi del clock e ai pin TRIGGER di ciascuna scheda, come mostrato in Figura 7, prima dei restanti collegamenti indicati in Tabella 1.

Collegate la Scheda 1 alle porte SDP-K1 Arduino Uno; quindi, posizionate la Scheda 2 a 180° rispetto alla Scheda 1 in modo che i pin TRIGGER di entrambe le schede siano allineati.

Questa è la connessione più breve dell'uscita digitale TRIG2 alla scheda SDP-K1, e di conseguenza i percorsi TRIG1 e TRIG2 avranno uguale lunghezza.

La configurazione effettiva con tutte le connessioni applicate è mostrata in Figura 8. I collegamenti scheda-scheda sono riassunti nella Tabella 1.

Fig. 7: Connessioni consigliate per gli ingressi del clock e pin TRIGGER per la sincronizzazione

Fig. 8 - Configurazione effettiva

Software

È disponibile un codice sorgente di esempio sviluppato su software open source Mbed. È possibile apportare modifiche minime a questi codici sorgente descritti in dettaglio nella pagina wiki, per programmare in modo indipendente ogni dispositivo nelle due schede di valutazione tramite interfaccia SPI

È possibile personalizzare in modo semplice i valori di registro, pensati specificamente per l’Esempio 3 (onde sinusoidali generate da DDS con diversi valori di ritardo in avvio e di impostazioni del guadagno digitale) e altre parti del codice. Dopo aver modificato il codice, compilate il programma utilizzando il compilatore online Mbed. Quindi trascinate e rilasciate il file binario generato sull'unità SDP-K1. Lo stesso processo può essere ripetuto per altre applicazioni.

Indicazioni

Come mostrato nel diagramma semplificato in Figura 6, la sincronizzazione dell'uscita da un dispositivo all’altro viene eseguita misurando il ritardo tra lo stesso canale di uscita DAC, ovvero al Canale 1 di più dispositivi.

L'effetto sulla sincronizzazione dato dalla variazione del segnale TRIG2 (controllore di scheda alla Scheda 2) rispetto al TRIG1 (controllore scheda alla Scheda 1) e dalla variazione della lunghezza dei connettori per il Clock 2 (generatore di clock alla scheda 2) rispetto al Clock 1 (generatore di clock alla Scheda 1) può essere osservato utilizzando un oscilloscopio.

Risultati

La Figura 9 documenta la misura effettuata variando le lunghezze dei connettori di attivazione, mentre la Figura 10 documenta la misura ottenuta variando le lunghezze dei connettori di clock.

Fig. 9 - Ritardo tra il segnale OUT 1 della scheda 1 e della scheda 2 per diverse lunghezze del connettore TRIG2

Fig. 10 - Ritardo tra il segnale OUT 1 della scheda 1 e della scheda 2 per diverse lunghezze del connettore

Se i pin di TRIGGER sono collegati alle uscite digitali con caratteristiche di azionamento come quella dei microcontrollori STM32F469NI su scheda SDP-K1, per mantenere la sincronizzazione da un dispositivo all’altro, la tolleranza sulla traccia del segnale di TRIGGER può essere fino a circa 13 cm.

Le tracce accoppiate in ingresso del clock produrranno un ritardo di uscita minore da dispositivo a dispositivo, tuttavia è possibile regolare la tolleranza della lunghezza della traccia di clock in base al ritardo tollerabile in un sistema specifico.

Conclusione

Nella produzione di sistemi a ultrasuoni, è possibile semplificare il processo di sviluppo e ridurre il time-to-market facendo leva sulla flessibilità progettuale e sulla personalizzazione offerta dalla piattaforma di valutazione AD9106.

Non è necessario progettare un nuovo prototipo di sottosistema per poter valutare la sincronizzazione di più DAC di trasmissione, come il circuito integrato AD9106. Invece, ciò può essere fatto utilizzando due schede AD9106-ARDZ-EBZ, una scheda controllore SDP-K1 e apportando modifiche minime ai codici Mbed di esempio.

*Sunshine Grace Cabatan è Responsabile Tecnico di Analog Devices

**Melissa Lorenz Lacanlale, Ingegnere di Prodotto di Analog Devices