用于醫(yī)療成像系統(tǒng)的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

本文探討了現(xiàn)代醫(yī)學成像系統(tǒng)的主要類型，它們利用根本不同的物理原理和處理技術(shù)，但有一個共同點——模擬數(shù)據(jù)采集前端，用于信號調(diào)理和將原始成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。

這個微小的功能前端塊隱藏在一臺復雜的機器深處。然而，它的性能對整個系統(tǒng)的圖像質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。其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(zhuǎn)換器（ADC），后者是本文的主要主題。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了醫(yī)學成像在所需動態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲方面對電子設計提出的最苛刻的挑戰(zhàn)。本文討論了不同成像模式背景下的這些設計挑戰(zhàn)，并概述了使其以最佳水平工作所需的高級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和集成解決方案。

數(shù)字射線照相

數(shù)字射線照相（DR）基于所有傳統(tǒng)吸收式射線照相系統(tǒng)通用的物理原理。穿過身體的X射線被不同射線不透明度的組織衰減，并投射在平板檢測器系統(tǒng)上，如圖1所示。探測器將X射線光子轉(zhuǎn)換為與入射粒子能量成比例的電荷。產(chǎn)生的電信號被放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以產(chǎn)生X射線圖像的精確數(shù)字表示。該圖像的質(zhì)量取決于空間和強度維度上的信號采樣。

在空間維度上，最小采樣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25 fps至30 fps的平板檢波器采用通道多路復用和采樣速率高達幾十 MSPS的多個ADC，在不犧牲精度的情況下滿足最短轉(zhuǎn)換時間。

在強度維度上，ADC的數(shù)字輸出信號表示在特定曝光時間內(nèi)給定像素吸收的X射線光子的積分量。該值被分箱為由ADC的位深度定義的有限數(shù)量的離散電平。信噪比（SNR）是另一個重要參數(shù)，它定義了系統(tǒng)忠實地表示成像身體的解剖特征的內(nèi)在能力。數(shù)字 X 射線系統(tǒng)使用 14 位至 18 位 ADC，SNR 水平范圍為 70 dB 至 100 dB，具體取決于成像系統(tǒng)的類型及其要求。有各種各樣的分立式ADC和集成模擬前端，使各種類型的DR成像系統(tǒng)具有更大的動態(tài)范圍、更精細的分辨率、更高的檢測效率和更低的噪聲。

圖1.數(shù)字X射線探測器信號鏈。

計算機斷層掃描

計算機斷層掃描（CT）也使用電離輻射，但與數(shù)字X射線技術(shù)不同，它基于與X射線源同步旋轉(zhuǎn)的弧形探測器系統(tǒng)，并利用更復雜的處理技術(shù)來生成血管，軟組織等的高分辨率3D圖像。

CT探測器是整個系統(tǒng)架構(gòu)的核心組件，實際上是CT系統(tǒng)的核心。它由多個模塊組成，如圖 2 所示。每個模塊將入射X射線轉(zhuǎn)換為電信號，路由到多通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ADAS）。每個模塊包含一個閃爍晶體陣列、一個光電二極管陣列和ADAS，ADAS包含多個多路復用到ADC中的積分器通道。ADAS必須具有非常低的噪聲性能，以在減少X射線劑量的情況下保持良好的空間分辨率，并以極低的電流輸出實現(xiàn)高動態(tài)范圍性能。為避免圖像偽影并確保良好的對比度，轉(zhuǎn)換器前端必須具有高度線性性能并提供低功耗操作，以放寬對溫度敏感探測器的冷卻要求。

ADC必須具有至少24位的高分辨率才能獲得更好、更清晰的圖像，并具有快速采樣速率，才能對短至100 μs的檢測器讀數(shù)進行數(shù)字化處理。ADC采樣速率還必須支持多路復用，這將允許使用更少的轉(zhuǎn)換器，并減小整個系統(tǒng)的尺寸和功耗。

圖2.CT探測器模塊信號鏈。

正電子發(fā)射斷層掃描

正電子發(fā)射斷層掃描（PET）涉及由引入人體的放射性核素產(chǎn)生的電離輻射。它發(fā)射正電子，與組織中的電子碰撞，產(chǎn)生大致相反方向輻射的伽馬射線對。這些高能光子對同時撞擊相對的PET探測器，這些探測器圍繞龍門孔排列成一個環(huán)。

PET探測器如圖3所示，由一系列閃爍體和光電倍增管（PMT）組成，將伽馬射線轉(zhuǎn)換為電流，電流被轉(zhuǎn)換為電壓，然后使用可變增益放大器（VGA）放大和補償幅度變化。產(chǎn)生的信號在ADC和比較器路徑之間分配，以提供能量和時序信息，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。

如果兩個光子的能量約為511 keV，并且它們的檢測時間相差小于百億分之一秒，則可以將其歸類為相關(guān)光子。光子的能量和檢測時間差對ADC提出了嚴格的要求，ADC必須具有10至12位的良好分辨率和通常優(yōu)于40 MSPS的快速采樣速率。低噪聲性能以最大化動態(tài)范圍和低功耗操作以減少散熱對于PET成像也很重要。

圖3.PET電子前端信號鏈。

磁共振成像

磁共振成像（MRI）是一種無創(chuàng)醫(yī)學成像技術(shù)，它依賴于核磁共振現(xiàn)象，不使用電離輻射，這與DR，CT和PET系統(tǒng)區(qū)分開來。

MR信號的載波頻率與主磁場強度直接成比例，商用掃描儀的頻率范圍為12.8 MHz至298.2 MHz。 信號帶寬由頻率編碼方向的視場定義，可以從幾kHz到幾十kHz不等。

這對接收器前端提出了特定要求，該前端通?；诔獠罴軜?gòu)（見圖4）和較低速度SAR ADC。然而，模數(shù)轉(zhuǎn)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)對MR信號進行直接數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率超過100 MSPS，16位深度。對動態(tài)范圍的要求非?？量?，通常超過100 dB。通過對MR信號進行過采樣來提高圖像質(zhì)量，從而提高分辨率，增加SNR，并消除頻率編碼方向上的混疊偽影。為了縮短掃描采集時間，應用了基于欠采樣的壓縮傳感技術(shù)。

圖4.MRI超外差接收器信號鏈。

超聲

超聲檢查或醫(yī)學超聲基于與本文討論的所有其他成像方式不同的物理原理。它利用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖。這些波篩選身體內(nèi)部組織，并將它們反射回不同強度的回波。這些回波被實時采集并顯示為超聲圖，其中可能包含不同類型的信息，包括聲阻抗、血流、組織隨時間推移的運動或其硬度。

圖5所示醫(yī)療超聲前端的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端（AFE）表示，該前端包括低噪聲放大器、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。根據(jù)成像模式，此要求可能需要70 dB至160 dB，以區(qū)分血液信號和探頭和身體組織運動產(chǎn)生的背景噪聲。因此，ADC必須提供高分辨率、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。低功耗是超聲前端高通道密度的另一個重要要求。有一系列用于醫(yī)療超聲設備的集成AFE，可實現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量，降低功耗，并減小系統(tǒng)尺寸和成本。

圖5.醫(yī)療超聲前端信號鏈。

結(jié)論

醫(yī)學成像對電子設計提出了最苛刻的要求。低功耗、低噪聲、高動態(tài)范圍以及低成本和緊湊封裝的高分辨率性能是本文討論的現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)要求的常見趨勢。ADI公司滿足這些要求，并為關(guān)鍵信號鏈功能模塊提供高度集成的解決方案，以實現(xiàn)一流的臨床成像設備，這些設備正日益成為當今國際醫(yī)療保健系統(tǒng)不可或缺的一部分。以下是本文中提到的各種醫(yī)學成像模式的理想選擇產(chǎn)品列表。

ADAS1256：這款高度集成的模擬前端集成了256個通道，帶有低噪聲積分器、低通濾波器和相關(guān)雙采樣器，多路復用到高速16位ADC中。它是一種完整的電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換解決方案，專為DR應用而設計，可以直接安裝在數(shù)字X射線面板上。

對于分立式DR系統(tǒng)，18位PulSAR ADC AD7960提供99 dB的SNR和5 MSPS的采樣速率，可提供無與倫比的性能，滿足對噪聲和線性度最高動態(tài)范圍的要求。16位、雙通道AD9269和14位、16通道AD9249流水線ADC分別提供高達80 MSPS和65 MSPS的采樣速率，支持高速熒光透視系統(tǒng)。?

ADAS1135和ADAS1134：這些高度集成的256通道和128通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由低噪聲、低功耗、低輸入電流積分器、同步采樣保持器件和兩個高速ADC組成，具有可配置的采樣速率和高達24位的分辨率，具有出色的線性度性能，可最大限度地提高CT應用的圖像質(zhì)量。

AD9228、AD9637、AD9219和AD9212：這兩款12位和10位多通道ADC的采樣速率為40 MSPS至80 MSPS，針對出色的動態(tài)性能和低功耗進行了優(yōu)化，可滿足PET要求。

AD9656：這款16位四通道流水線ADC提供高達125 MSPS的轉(zhuǎn)換速率，并針對傳統(tǒng)和直接數(shù)字轉(zhuǎn)換MRI系統(tǒng)架構(gòu)的出色動態(tài)和低功耗性能進行了優(yōu)化。

AD9671：這款8通道集成接收器前端專為低成本、低功耗醫(yī)療超聲應用而設計，內(nèi)置14位ADC，速率高達125 MSPS。每個通道都針對連續(xù)波模式下的 160 dBFS/√Hz 高動態(tài)性能和 62.5 mW 的低功耗進行了優(yōu)化，適用于小封裝尺寸至關(guān)重要的應用。

審核編輯：郭婷