醫(yī)學成像診斷是醫(yī)療重要基礎支撐，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)學成像。醫(yī)學成像已經(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。對于在醫(yī)療健康領域中使用的成像設備，其技術的進步和日益增長的使用意識正在推動全球醫(yī)療成像市場的發(fā)展。

現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)都有一個共同點：采用模擬數(shù)據(jù)采集前端進行信號調(diào)理，并將原始成像數(shù)據(jù)轉換到數(shù)字域。這個微小的前端功能模塊雖然深藏于復雜機器內(nèi)部，但其性能卻會對整個系統(tǒng)的最終圖像質(zhì)量產(chǎn)生至關重要的影響。它的信號鏈包括一個檢測元件、一個低噪聲放大器(LNA)、一個濾波器和一個模數(shù)轉換器(ADC)，其中，ADC的動態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲等要求都面臨著最嚴苛的挑戰(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射線探測器信號鏈

DR的圖像質(zhì)量取決于空間與強度維度中的信號采樣。在空間維度中，最小采樣速率由探測器的像素矩陣大小和實時熒光透視成像的更新速率定義。具有數(shù)百萬像素和典型更新速率高達25fps至30fps的平板探測器采用通道多路復用和多個ADC，采樣速率高達數(shù)十MSPS，可在不犧牲精度的情況下滿足最短轉換時間要求；在強度維度中，ADC的數(shù)字輸出信號代表在特定曝光時間內(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。另一個重要參數(shù)是信噪比(SNR)，它定義了系統(tǒng)忠實地表示成像人體的解剖學特征的內(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?轉為DR應用設計。ADAS1256是一個完整的電荷-數(shù)字轉換解決方案，針對可直接安裝在數(shù)字X射線面板上的DR應用；AD7960 提供99 dB的SNR和5 MSPS的采樣速率，可滿足最高動態(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80 MSPS和65 MSPS的采樣速率，可以實現(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)都具有更高的動態(tài)范圍、更精細的分辨率、更高的檢測效率和更低的噪聲。

計算機斷層掃描

計算機斷層掃描(CT)由多個模塊組成，如圖2所示。每個模塊都包含一個閃爍晶體陣列、一個光電二極管陣列和含有多路復用至ADC的多個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比度，轉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，以降低熱敏型探測器的冷卻要求。

圖2.CT探測器模塊信號鏈

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，同時還要具有快速采樣速率（短至100μs），以便數(shù)字化探測器讀數(shù)。ADC采樣速率還必須支持多路復用，這樣就可以使用較少數(shù)量的轉換器，并且減小整個系統(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，它們將伽馬射線轉換為電流，繼而轉換為電壓，然后通過可變增益放大器(VGA)放大并補償幅度變化。然后將產(chǎn)生的信號在ADC和比較器路徑之間分離，以提供能量和時序信息，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電子前端信號鏈

如果兩個光子的能量約為511keV，并且其探測時間相差不到十億分之一秒，則它們可被歸類為相關光子。光子的能量和探測時間差對ADC提出了嚴格的要求，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擴大動態(tài)范圍，而低功耗工作模式則可減少散熱，這兩點對于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)過優(yōu)化后具有出色的動態(tài)性能和低功耗，可滿足PET系統(tǒng)對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，并且無需使用電離輻射，這使之有別于DR、CT和PET系統(tǒng)。MR信號的載波頻率直接與主磁場強度成比例，其商用掃描儀頻率范圍為12.8MHz至298.2MHz。信號帶寬由頻率編碼方向的視場定義，變化范圍從幾kHz到幾十kHz。這對接收器前端提出了特殊的要求，該前端通常基于具有較低速率SARADC的超外差式架構（見圖4）。

圖4.MRI超外差式接收器信號鏈

然而，模數(shù)轉換的最新進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100MSPS的轉換速率對MR信號直接進行數(shù)字轉換。其動態(tài)范圍要求非常嚴苛，通常超過100dB。通過對MR信號過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，從而增強圖像質(zhì)量。為獲得快速掃描采集時間，可應用基于欠采樣的壓縮檢測技術。ADI公司的16位、四通道流水線ADC AD9656能夠提供高達125 MSPS的轉換速率，針對傳統(tǒng)的直接數(shù)字轉換MRI系統(tǒng)架構進行了優(yōu)化，具有出色的動態(tài)性能和低功耗特性。

超聲波掃描術

醫(yī)療超聲前端（如圖5所示）的關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、可變增益放大器、抗混疊濾波器(AAF)、ADC和解調(diào)器。對AFE最重要的要求之一是動態(tài)范圍。

圖5.醫(yī)療超聲前端信號鏈

根據(jù)成像模式，動態(tài)范圍的要求可能需要達到70dB至160dB，以便區(qū)分血液信號與探頭和身體組織運動所產(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)，以保持超聲信號的動態(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)療超聲設備提供的一系列集成式AFE可實現(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)療超聲應用而設計，采用14位ADC，采樣速率最高可達125 MSPS。每個通道都經(jīng)過優(yōu)化，在連續(xù)波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動態(tài)性能和62.5 mW的低功率，適合要求小尺寸封裝的應用。

結語

可以看出，以低成本和緊湊的封裝提供低功耗、低噪聲、高動態(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。而具有更快處理速度的放大器和更高轉換速度的模數(shù)及數(shù)模轉換器，以及高性能的數(shù)字信號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，為關鍵的信號鏈功能模塊提供高度集成的解決方案，推動實現(xiàn)一流的臨床成像設備，這些設備日益成為當今國際醫(yī)療保健系統(tǒng)不可或缺的一部分。