“黃金搭檔”高性能ADC成就準(zhǔn)確醫(yī)療判據(jù)
醫(yī)學(xué)成像診斷是醫(yī)療重要基礎(chǔ)支撐，是臨床數(shù)據(jù)中最重要的診斷依據(jù)之一，醫(yī)院臨床診斷大約70%依靠醫(yī)學(xué)成像。醫(yī)學(xué)成像已經(jīng)改變了疾病診斷方法，并促使各種醫(yī)療條件下的診斷和治療更加有效。對(duì)于在醫(yī)療健康領(lǐng)域中使用的成像設(shè)備，其技術(shù)的進(jìn)步和日益增長(zhǎng)的使用意識(shí)正在推動(dòng)全球醫(yī)療成像市場(chǎng)的發(fā)展。
現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)都有一個(gè)共同點(diǎn)：采用模擬數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并將原始成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。這個(gè)微小的前端功能模塊雖然深藏于復(fù)雜機(jī)器內(nèi)部，但其性能卻會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的最終圖像質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它的信號(hào)鏈包括一個(gè)檢測(cè)元件、一個(gè)低噪聲放大器(LNA)、一個(gè)濾波器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其中，ADC的動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲等要求都面臨著最嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。
數(shù)字射線照相系統(tǒng)
數(shù)字射線照相(DR)的物理原理與所有傳統(tǒng)的吸收式射線照相系統(tǒng)相同，其原理如圖1所示。
圖1.數(shù)字X射線探測(cè)器信號(hào)鏈
DR的圖像質(zhì)量取決于空間與強(qiáng)度維度中的信號(hào)采樣。在空間維度中，最小采樣速率由探測(cè)器的像素矩陣大小和實(shí)時(shí)熒光透視成像的更新速率定義。具有數(shù)百萬(wàn)像素和典型更新速率高達(dá)25fps至30fps的平板探測(cè)器采用通道多路復(fù)用和多個(gè)ADC，采樣速率高達(dá)數(shù)十MSPS，可在不犧牲精度的情況下滿足最短轉(zhuǎn)換時(shí)間要求；在強(qiáng)度維度中，ADC的數(shù)字輸出信號(hào)代表在特定曝光時(shí)間內(nèi)給定像素所吸收的X射線光子的積分量。該值被分組為由ADC的位深度定義的離散電平的有限數(shù)值。另一個(gè)重要參數(shù)是信噪比(SNR)，它定義了系統(tǒng)忠實(shí)地表示成像人體的解剖學(xué)特征的內(nèi)在能力。
數(shù)字X射線系統(tǒng)采用14位至18位ADC，SNR水平范圍為70dB至100dB，ADI 公司的高集成度模擬前端ADAS1256和PulSAR? ADC AD7960?轉(zhuǎn)為DR應(yīng)用設(shè)計(jì)。ADAS1256是一個(gè)完整的電荷-數(shù)字轉(zhuǎn)換解決方案，針對(duì)可直接安裝在數(shù)字X射線面板上的DR應(yīng)用；AD7960 提供99 dB的SNR和5 MSPS的采樣速率，可滿足最高動(dòng)態(tài)范圍的噪聲和線性度要求。另外，16位、雙通道 AD9269 和14位、16通道AD9249 流水線ADC分別可提供高達(dá)80 MSPS和65 MSPS的采樣速率，可以實(shí)現(xiàn)高速熒光透視系統(tǒng)。這些ADC和集成模擬前端，可使各種類型的DR成像系統(tǒng)都具有更高的動(dòng)態(tài)范圍、更精細(xì)的分辨率、更高的檢測(cè)效率和更低的噪聲。
計(jì)算機(jī)斷層掃描
計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)由多個(gè)模塊組成，如圖2所示。每個(gè)模塊都包含一個(gè)閃爍晶體陣列、一個(gè)光電二極管陣列和含有多路復(fù)用至ADC的多個(gè)積分器通道的多通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(ADAS)。為了避免圖像偽影并確保良好的對(duì)比度，轉(zhuǎn)換器前端必須具有出色的線性度性能并可提供低功耗工作模式，以降低熱敏型探測(cè)器的冷卻要求。
圖2.CT探測(cè)器模塊信號(hào)鏈
ADC必須具有至少24位的高分辨率才能獲得更優(yōu)質(zhì)、更清晰的圖像，同時(shí)還要具有快速采樣速率（短至100μs），以便數(shù)字化探測(cè)器讀數(shù)。ADC采樣速率還必須支持多路復(fù)用，這樣就可以使用較少數(shù)量的轉(zhuǎn)換器，并且減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和功耗。ADI 公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADAS1135?和?ADAS1134由低噪聲/低功耗/低輸入電流積分器、同步采樣保持器件以及具有可配置采樣速率和最高24位分辨率的兩個(gè)高速ADC組成，可提供出色的線性度，能夠最大限度地提高CT應(yīng)用的圖像質(zhì)量。
正電子發(fā)射斷層掃描
正電子發(fā)射斷層掃描(PET)探測(cè)器（如圖3所示）由一系列閃爍晶體和光電倍增管(PMT)組成，它們將伽馬射線轉(zhuǎn)換為電流，繼而轉(zhuǎn)換為電壓，然后通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃?/u>(VGA)放大并補(bǔ)償幅度變化。然后將產(chǎn)生的信號(hào)在ADC和比較器路徑之間分離，以提供能量和時(shí)序信息，供PET重合處理器用于重建體內(nèi)放射性示蹤劑濃度的3D圖像。
圖3.PET電子前端信號(hào)鏈
如果兩個(gè)光子的能量約為511keV，并且其探測(cè)時(shí)間相差不到十億分之一秒，則它們可被歸類為相關(guān)光子。光子的能量和探測(cè)時(shí)間差對(duì)ADC提出了嚴(yán)格的要求，ADC必須具有10至12位的高分辨率，并且快速采樣速率通常需高于40MSPS。低噪聲性能可最大程度地?cái)U(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，而低功耗工作模式則可減少散熱，這兩點(diǎn)對(duì)于PET成像也很重要。ADI公司的多通道ADC AD9228、?AD9637、AD9219?和?AD9212，采樣速率從40 MSPS到80 MSPS，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后具有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功耗，可滿足PET系統(tǒng)對(duì)ADC的要求。
磁共振成像
磁共振成像(MRI)依賴于核磁共振現(xiàn)象，并且無(wú)需使用電離輻射，這使之有別于DR、CT和PET系統(tǒng)。MR信號(hào)的載波頻率直接與主磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例，其商用掃描儀頻率范圍為12.8MHz至298.2MHz。信號(hào)帶寬由頻率編碼方向的視場(chǎng)定義，變化范圍從幾kHz到幾十kHz。這對(duì)接收器前端提出了特殊的要求，該前端通?；诰哂休^低速率SARADC的超外差式架構(gòu)（見圖4）。
圖4.MRI超外差式接收器信號(hào)鏈
然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換的最新進(jìn)展使快速低功耗多通道流水線ADC能夠在最常見的頻率范圍內(nèi)以16位深度、超過(guò)100MSPS的轉(zhuǎn)換速率對(duì)MR信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。其動(dòng)態(tài)范圍要求非常嚴(yán)苛，通常超過(guò)100dB。通過(guò)對(duì)MR信號(hào)過(guò)采樣可以提高分辨率、增加SNR，并消除頻率編碼方向的混疊偽像，從而增強(qiáng)圖像質(zhì)量。為獲得快速掃描采集時(shí)間，可應(yīng)用基于欠采樣的壓縮檢測(cè)技術(shù)。ADI公司的16位、四通道流水線ADC AD9656能夠提供高達(dá)125 MSPS的轉(zhuǎn)換速率，針對(duì)傳統(tǒng)的直接數(shù)字轉(zhuǎn)換MRI系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，具有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功耗特性。
超聲波掃描術(shù)
醫(yī)療超聲前端（如圖5所示）的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端(AFE)表示，它包括低噪聲放大器、可變?cè)鲆娣糯笃?、抗混疊濾波器(AAF)、ADC和解調(diào)器。對(duì)AFE最重要的要求之一是動(dòng)態(tài)范圍。
圖5.醫(yī)療超聲前端信號(hào)鏈
根據(jù)成像模式，動(dòng)態(tài)范圍的要求可能需要達(dá)到70dB至160dB，以便區(qū)分血液信號(hào)與探頭和身體組織運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的背景噪聲。因此，ADC必須具有高分辨率、高采樣速率和低總諧波失真(THD)，以保持超聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)保真度。此外，超聲前端的高通道密度還要求必須具有低功耗特性。面向醫(yī)療超聲設(shè)備提供的一系列集成式AFE可實(shí)現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗、系統(tǒng)尺寸和成本。
ADI 公司的集成式接收器前端AD9671專為低成本、低功耗的醫(yī)療超聲應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用14位ADC，采樣速率最高可達(dá)125 MSPS。每個(gè)通道都經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在連續(xù)波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動(dòng)態(tài)性能和62.5 mW的低功率，適合要求小尺寸封裝的應(yīng)用。
結(jié)語(yǔ)
可以看出，以低成本和緊湊的封裝提供低功耗、低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率性能，是現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)要求所決定的發(fā)展趨勢(shì)。而具有更快處理速度的放大器和更高轉(zhuǎn)換速度的模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及高性能的數(shù)字信號(hào)處理器是獲得上述性能的根本保證。ADI公司的產(chǎn)品可滿足這些要求，為關(guān)鍵的信號(hào)鏈功能模塊提供高度集成的解決方案，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)一流的臨床成像設(shè)備，這些設(shè)備日益成為當(dāng)今國(guó)際醫(yī)療保健系統(tǒng)不可或缺的一部分。
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