A Analog Devices (www.analog.com) anunciou recentemente (2007) um novo circuito integrado, o AD9271 que, segundo a empresa vai possibilitar o desenvolvimento de soluções revolucionários em equipamentos de ultrassom de uso portátil. O novo componente consiste num ADC de 8 canais, 10 MSPS a 50 MSPS e com resolução de 12 bits. Baseados em informações da Analog preparamos esse artigo em que não só analisamos as arquiteturas dos sistemas convencionais de ultrassons como também a solução dessa empresa, com seu novo componente.
Num sistema de ultrassons convencionais, o que temos são recursos de aquisição de uma imagem através de conjuntos de 16 a 32 canais que focalizam os ultrassons em receptores apropriados, conforme mostra a figura 1.
Com essa arquitetura, o transdutor multi-elementos possibilita a obtenção de informação coerente do corpo analisado.
A função do dispositivo transdutor é definir o ponto focal dentro do corpo, a partir do qual o éco ultrassônico é obtido e além disso obter ganho para o éco refletido.
Conforme podemos ver pelo diagrama de blocos do sistema, o eco ultrassõnico captado por cada elemento do transdutor é convertido para a forma digital e depois os dados são colocados em seqüência para serem enviados ao processador que vai desenvolver a imagem.
Esse sistema é denominado Digital Beamforming ou DBF, sendo bastante usado atualmente em sistema ultrassônicos de uso médico.
Trata-se de um aperfeiçoamento do antigo sistema que fazia uso de linhas de retardo analógicas, denominado Analog Beamforming ou ABF.
A qualidade da imagem obtida depende também dos algoritmos usados no processamento da informação digital obtida dos transdutores.
Nos sistemas convencionais DBF as diversas funções necessárias a sua operação são realizada por diversos circuitos integrados, com funções diferentes. Temos então o receptor, o amplificador de baixo ruído, o amplificador de ganho variável, os filtros, o conversor analógico para digital e finalmente os registradores FIFO. E o circuito de interfaceamento de saída.
A quantidade de componentes usados depende da resolução desejada, ou seja do número de canais que podem variar entre 64 e 256 nos sistemas maiores e de 16 a 64 canais nos sistemas portáteis.
O AD9271
Com o novo componente da Analog Devices, é possível projetar equipamentos de ultrassom mais compactos pois ele reúne todas as funções necessárias num espaço de apenas 14 x 14 x 1,2 mm, com um diagrama de blocos conforme o mostrado na figura 2.
Conforme podemos ver por esse diagrama de blocos, o AD9271 reúne todas as funções necessárias ao desenvolvimento de um sistema de ultrassom para uso médico num único componente.
Dentre as vantagens apregoadas pela Analog para esse componente temos um menor consumo, pois o dispositivo exige apenas 150 mW por canal a 40 MSPS.
Cana AD9271 tem 8 canais, e cada canal já é dotado de um amplificador de baixo ruído (LNA), um amplificador de ganho variável (VGA) e um filtro anti-alias (AAF), além do conversor ADC.
O dispositivo contém a cadeia receptora que pode operar pulsos de retorno no modo de onda pulsada (B-mode) para uma imagem na escala de cinza e no modo F, que pode processar imagens em cores. Nesse tipo de aparelho o transdutor alterna o modo de recepção com o modo de transmissão, numa taxa que determina a velocidade de atualização da imagem.
Uma outra modalidade de operação para sistemas ultrassônicos consiste a que trabalha no modo de onda contínua ou continuous-wave (CW) ou Doppler (modo D), cuja finalidade é mostrar a velocidade do fluxo sanguíneo além de sua freqüência.
Nessa modalidade de operação, metade dos transdutores emite continuamente um sinal enquanto que a outra metade recebe os ecos. Nessa modalidade de operação temos uma boa precisão na determinação das velocidades do fluxo sangüíneo, mas a profundidade alcançada pelos ultrassons é bem menor.
Nos sistemas modernos de ultrassons é possível ter a operação nas duas modalidades, conforme o tipo de exame que se deseja fazer.
O circuito integrado AD9271 pode ser usados nos dois tipos de sistema. Na aplicação CW é usada uma chave para comutar no ponto de cruzamento, cuja finalidade é permitir que os canais operem de modo coerente ou em fase, para se obter o correto processamento dos sinais. O AD9271 possui recursos que possibilitam a realização de um ajuste fino das características de fase de modo a aumentar a precisão da imagem obtida.
Exigências técnicas
A atenuação que um sinal ultrassônico apresenta ao penetrar no corpo humano é da ordem de 1B/cm/MHz. Por exemplo, com um sinal de 8 MHz, e uma penetração de 4 cm, levando em conta a ida e volta do sinal (reflexão) temos uma atenuação de 2 x 8 x 4 = 64 dB.
Atenuações ainda podem ocorrer devido às reflexões perto da pele, ossos, nos cabos e outros problemas, por exemplo, devido a casamentos de impedâncias, exige-se dos equipamentos uma faixa dinâmica perto de 119 dB.
Uma maneira de se aumentar a faixa dinâmica consiste em seu utilizar diversos canais, o que leva a um limite prático para a faixa dinâmica entre 100 dB e 120 dB.
Na figura 3 temos um diagrama de blocos de um sistema ultrassônico completo utilizando o AD9271 da Analog, sugerido no próprio Data Sheet do componente.
Obs: essa é a figura 37 do datasheet obtido no site:
http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD9271.pdf
Essas características são alcançadas pelo AD9271, o que significa que esse componente é uma boa solução para esse tipo de aplicação. Sugerimos que os leitores visitem o site da analog para obter informações mais completas sobre a aplicação desse componente em sistemas ultrassõnicos, por exemplo baixando o datasheet do componente, disponível no formato PDF.
Nessa documentação além de esquemas completos das diversas aplicações desse componente, também existem informações sobre uma placa de avaliação disponível para testes e desenvolvimento.
