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Desafios no Projeto Doppler por Onda Contínua (CWD) em Equipamentos de Imagem Compactos por Ultrassom (MA036)

Tratamos neste artigo de projetos de equipamento Doppler para aplicações médicas, baseados em documentação da Maxim de 2009. O artigo é bastante atual, mas sugerimos sempre que o fabricante das soluções sejam consultados antes do desenvolvimento de um novo projeto.

A Maxim (www.maxim-ic.com) em seu Application Note 4455 descreve técnicas básicas para o projeto de equipamentos Doppler de Onda Contínua (CWD). O documento de 2009 mostra os últimos avanços na tecnologia, que reproduzimos em parte neste artigo. Mais informações podem ser obtidas no documento original disponível no formato PDF no site da empresa.

Um dos diagnósticos clínicos de maior demanda é o que faz uso de ultrassons para gerar imagens internas do corpo. No entanto, problemas de espaço também comprometem a definição, o que está sendo resolvido com novas tecnologias como as que fazem uso de amplificadores bipolares de baixa potência e chips formadores de feixe e misturadores CWD,

 

Tecnologia CWD

Num sistema CWD típico são utilizados de 64 a 128 elementos transdutores ultrassônicos que são separados em metades iguais em relação a abertura central do transdutor principal. Metade dos elementos são usados como transmissores de modo a produzir um feixe de ultrassons e a outra metade para formar um feixe de recepção. Os sinais aplicados aos elementos transdutores são retangulares na frequência Doppler de interesse, tipicamente entre 1,0 MHz e 7,5 MHz. O feixe transmissor é focalizado trabalhando-se na fase dos sinais de cada elemento o mesmo ocorrendo com o feixe recebido.

O feixe CWD recebido é uma combinação de sinais fortes do tecido estacionário, enquanto que sinais mais fracos são produzidos pelo sangue em movimento. A diferença entre os sinais, resulta na informação que deve ser processada.

Para um receptor típico de 64 canais, a relação sinal ruído (S/R) deve ser extrema. O ruído de cada um dos canais receptores não é coerente, e como resultado o piso de ruído é somado nos 64 canais, o que significa que a informação está apenas 18 dB acima do piso de ruído de cada canal individual. Isso faz com que seja bastante crítico o projeto de um equipamento que seja capaz de trabalhar com níveis tão baixos de sinais.

 

Formação de Feixe CWD Baseada em Linha de Retardo

Os sistemas atuais de ultrassons implementam tipicamente CWD utilizando um receptor com linha de retardo, conforme mostra a figura 1.

 

 Diagrama simplificado de um receptor utilizando linha de retardo.
Diagrama simplificado de um receptor utilizando linha de retardo.

 

Os sinais de entrada do elementos ultrassônicos receptores são buferizados e amplificados em 20 dB aproximadamente, utilizando-se LNAs. As saídas dos LNAs são convertidas em correntes que são utilizadas para formar o feixe utilizando uma combinação de chaves e linhas de retardo.

Esta arquitetura é simples de ser implementada num sistema compacto. O sinal CWD de RF é não misturado para a faixa I e Q e estes sinais são filtrados e convertidos para o formato digital utilizando-se ADCs de áudio. Os misturadores com tal capacidade de desempenho são difíceis de projetar, o que leva a limitações na adoção desta solução.

 

Formação de Feixes Baseada em Mixer

Uma performance melhor pode ser obtida com o emprego de um formador;mixer CWD conforme mostra a figura 2.

 

Formador de feixe de baixa potência com LNAs e CWD mixer/formador de feixe.
Formador de feixe de baixa potência com LNAs e CWD mixer/formador de feixe.

 

Como os mixers são implementados na base de um por canal, a relação S/R deve ser levada a 157 dBc/Hz em 1 kHz de offset. A relação S/R é alta mas pode ser usado o MAX2038 para esta finalidade, conforme mostra o circuito da figura 3.

 

Receptor simplificado de um canal com o MAX2038 e MAX2034 da Maxim.
Receptor simplificado de um canal com o MAX2038 e MAX2034 da Maxim.

 

Nos projetos em que o espaço e a potência são itens importantes, podem ser utilizadas soluções como a que faz uso do MAX2078, mostrada na figura 4.

 

Solução que emprega o MAX2078 que contém 8 receptores ultrassônicos num único chip.
Solução que emprega o MAX2078 que contém 8 receptores ultrassônicos num único chip.

 

O chip contém 8 receptores totalmente integrados com LNAs, VGAs, filtros anti-alias, e canais programáveis CWD numa configuração bipolar de circuito integrado.

Os leitores interessados em mais informações ou documentos adicionais devem consultar o Application Note da Maxim.

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