不同成像方法電子設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

　　本文將介紹不同成像方法電子設(shè)計(jì)存在的諸多挑戰(zhàn)和一些最新動態(tài)，具體包括數(shù)字X射線、磁共振成像(MRI)和超聲波系統(tǒng)。

　　數(shù)字X射線系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的X射線系統(tǒng)使用一種膠片/屏幕裝置來檢測發(fā)射到人身體的X射線。然而，探測器系統(tǒng)中的數(shù)字X射線信號鏈包含一個(gè)照片探測器陣列，該探測器陣列將輻射轉(zhuǎn)換成電荷。其后面是一些電荷積分器電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，以數(shù)字化輸入。圖1顯示了一個(gè)典型數(shù)字X射線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的例子。

　　圖1：數(shù)字X射線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示例。

　　數(shù)字X射線系統(tǒng)性能與積分器和 ADC 模塊的噪聲性能密切相關(guān)。為了在低功耗條件下獲得更高的圖像質(zhì)量，某個(gè)系統(tǒng)中支持大量信號通道所需的電子集成程度為技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)定了一定的標(biāo)準(zhǔn)。正是由于組成探測器系統(tǒng)的許多高性能模擬組件以及執(zhí)行高級圖像處理任務(wù)的嵌入式處理器，X射線系統(tǒng)才擁有了許多相對于傳統(tǒng)X射線系統(tǒng)的優(yōu)勢。這種組合支持更大的動態(tài)范圍，從而可以獲得更好的圖像對比度和更低的患者X射線輻射水平，同時(shí)產(chǎn)生可電子存儲和傳輸?shù)臄?shù)字圖像。

　　超聲波系統(tǒng)

　　超聲波系統(tǒng)的接收通道信號鏈包括低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、低通濾波器(LPF)和高速高精度ADC。緊跟在這些組件后面的是數(shù)字波束生成、圖像和多普勒處理以及其他信號處理軟件(請參見圖2)。

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　　圖2：超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示例。

　　信號鏈組件的噪聲和帶寬特性定義了系統(tǒng)的總性能上限。[1]另外，在耗散更低系統(tǒng)功率的同時(shí)，需要在更小的區(qū)域內(nèi)集成更多的高性能通道。典型的手持式超聲波系統(tǒng)可能具有約16到32條通道，而一些高端系統(tǒng)可能會有128條以上的通道，以獲得更高的圖像質(zhì)量。要減少占用全部這些陣列通道的印制電路板(PCB)，重點(diǎn)是在模擬前端IC中集成盡可能多的通道?？傁到y(tǒng)功耗是手持式系統(tǒng)的另一個(gè)重要性能指標(biāo)。直接將接收端電子器件集成到了探針中是創(chuàng)新的另一個(gè)方面。

　　這樣做有助于縮短探針中低壓模擬信號源與LNAs之間的距離，從而減少信號的損耗。集成會進(jìn)一步增加探針件數(shù)目，從而增強(qiáng)3D成像。除了這些模擬信號鏈考慮因素以外，高性能、低功耗嵌入式處理器還能夠比以前更快速、高效地完成便攜式設(shè)備的波束生成和圖像處理任務(wù)。

　　如欲了解典型MRI通道模擬信號處理鏈的例子，請參見圖3。

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　　圖3：MRI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示例。

　　全身MRI系統(tǒng)可能有一個(gè)多達(dá)76個(gè)元件或通道的線圈矩陣。另外，低壓(LV)模擬輸入沿長同軸線纜從肢體線圈傳輸至模擬信號鏈前置放大器。當(dāng)談到MRI接收信號鏈時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵隨之出現(xiàn)：如何獲得高信噪比(SNR)(至少約84dB或14位);如何實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)的極高總動態(tài)范圍(至少150dB/Hz左右)。獲得高SNR要求一個(gè)超低噪聲系數(shù)的高性能前置放大器。使用如動態(tài)增益調(diào)節(jié)或模擬輸入壓縮等創(chuàng)新方案可以達(dá)到高動態(tài)范圍要求。

　　總之，通過增加MRI系統(tǒng)中所用線圈數(shù)，既可以獲得更好的圖像范圍，也可以縮短圖像掃描時(shí)間。線圈數(shù)的增加可能會要求對線圈和前置放大器之間的信號通信進(jìn)一步優(yōu)化，而使用高速數(shù)字或光鏈路時(shí)則要求主系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。另外，高集成度會導(dǎo)致不同于目前的系統(tǒng)劃分，這可能會將電子器件更靠近于線圈。就這點(diǎn)來說，可能要求半導(dǎo)體IC非磁性封裝，并符合更加嚴(yán)格的功耗和面積規(guī)定。以上要求成功的實(shí)現(xiàn)能使輸入信號衰減降低，從而獲得更高品質(zhì)的醫(yī)學(xué)圖像。