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高性能医疗成像设备升级背后的模拟前端

来源:荣格-《医疗设备商情》     发布时间:2021-11-23
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在医疗行业中,随着信息化程度不断加深,大数据的挖掘、分析、应用的重要性日益凸显。有资料显示,目前超过80%的医疗数据都来自医学影像数据,然而医学影像的多样性数据种类繁多,如何以更高的分辨率和更快的采集时间,产生大量优质的原始图像数据,一直是业界讨论的重点问题。


如今市面上已有不少的医疗成像系统,尽管原理与技术不尽相同,但都是采用模拟数据采集前端进行信号调理,并将原始成像数据转换到数字域。这也就对其电子设计中的数据转换器的动态范围、分辨率、精度、线性度和噪声要求带来了最严苛的挑战。而ADI公司多年来一直致力于数据转换器领域的技术研究,并在医疗成像应用方面推出了一系列的解决方案。

24位高分辨率ADC优化CT的图像质量
X光的发现让人们可以无创地检查身体内部结构,然而却有一个明显的缺点:病灶的图像容易被附近正常组织的图像所干扰,身体器官的图像重叠在一起,很难分辨。于是计算机断层扫描(CT)问世,能够生成血管、软组织等的高分辨率3D图像。


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CT采用电离辐射技术,其中CT探测器是整个系统架构的核心组件它由多个模块组成,如图1所示。每个模块将入射的X射线转换为电信号,并路由到多通道模拟数据采集系统(ADAS)。ADAS必须具有极低的噪声性能,以保持良好的空间分辨率,降低X射线剂量,并具有极低的电流输出以实现高动态范围性能。为了避免图像伪影并确保良好的对比度,转换器前端必须具有出色的线性度性能并可提供低功耗工作模式,以降低热敏型探测器的冷却要求。


其中的ADC必须具有至少24位的高分辨率才能获得更优质、更清晰的图像,同时还要具有快速采样速率(短至100μs),以便数字化探测器读数。ADC采样速率还必须支持多路复用,这样就可以使用较少数量的转换器,并且减小整个系统的尺寸和功耗。


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ADAS1135和ADAS1134的出现为该问题提供了最优解,这两款高度集成的256通道和128通道数据采集系统由低噪声/低功耗/低输入电流积分器、同步采样保持器件以及具有可配置采样速率和最高24位分辨率的两个高速ADC组成,提供出色的线性度,可最大限度地提高CT应用的图像质量。并且其信号链和采样架构设计保证了所有通道均同步采样,并且采样过程中不会丢失电荷。所有转换通道结果均在一个双通道、低压差分信号(LVDS)自时钟串行接口上输出,可减少外部硬件。

256通道模拟前端提升DR检测效率
数字射线照相(DR)是计算机数字图像处理技术与X射线放射技术相结合而形成的一种先进的X线照相技术。它在原有的诊断X线机直接胶片成像的基础上,通过A/D转换和D/A转换,进行实时图像数字处理,进而使图像实现了数字化。


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其图像质量取决于空间与强度维度中的信号采样。在空间维度中,最小采样速率由探测器的像素矩阵大小和实时荧光透视成像的更新速率定义。具有数百万像素和典型更新速率高达25 fps至30 fps的平板探测器采用通道多路复用和多个ADC,采样速率高达数十MSPS,可在不牺牲精度的情况下满足最短转换时间要求。


在强度维度中,ADC的数字输出信号代表在特定曝光时间内给定像素所吸收的X射线光子的积分量。该值被分组为由ADC的位深度定义的离散电平的有限数值。另一个重要参数是信噪比(SNR),它定义了系统忠实地表示成像人体的解剖学特征的内在能力。


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数字X射线系统采用14位至18位ADC,SNR水平范围为70 dB至100 dB,具体取决于成像系统的类型及其要求。有各种各样的离散ADC和集成模拟前端,可使各种类型的DR成像系统具有更高的动态范围、更精细的分辨率、更高的检测效率和更低的噪声。


对此,ADI公司推出了一款256通道、电荷至数字模拟前端ADAS1256,可直接装在数字X射线面板上。它适合种类繁多的数字X射线和光电二极管阵列应用,支持通孔感测和电子感测面板。ADAS1256允许最高22us的线路时间,因此它不仅能用于动态成像面板,还能用于固定成像面板。它集成256个具有相关双采样级的低功耗、低噪声电流积分器,以及真16位高速ADC。此外,所有转换通道结果均在一个LVDS自时钟串行接口上输出,可极大地减少外部硬件。


同时,针对分立式DR系统,ADI还有一款18位PulSAR® ADC AD7960提供99 dB的SNR和5MSPS的采样速率,可提供无与伦比的性能,以满足最高动态范围的噪声和线性度要求。以及16位、双通道AD9269和14位、16通道AD9249流水线ADC分别可提供高达80 MSPS和65 MSPS的采样速率,以实现高速荧光透视系统。

高采样速率ADC保证 PET的探测精度
正电子发射断层扫描(PET)则更为精准,其扫描生成数字图像能够识别出最常见的癌症,包括肺癌、乳腺癌、直肠癌、淋巴癌和黑色素瘤癌。从技术上讲,PET可在发现解剖结构变化之前,以影像方式呈现分子水平的生理病变情况。当放射性物质发射的正电子与组织内的电子碰撞时,会产生伽马射线。这种碰撞产生一对伽马射线光子,它从碰撞位置沿相反方向发射,被安装在人体周围的伽马射线探测设备检测到。


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如果两个光子的能量约为511 keV,并且其探测时间相差不到十亿分之一秒,则它们可能被归类为相关光子。光子的能量和探测时间差对ADC提出了严格的要求,ADC必须具有10至12位的高分辨率,并且快速采样速率通常需高于40MSPS。对此,ADI具有出色的动态性能和低功耗的一系列ADC均可满足PET要求:
●4通道、12位、40/65 MSPS ADC——AD9228
●8通道、12位、40 MSPS/80 MSPS ADC——AD9637
●4通道、10位、40/65 MSPS ADC——AD9219
●8通道、10位、40 MSPS/65 MSPS ADC——AD9212
此外,这些ADC还具有低噪声性能可最大程度地扩大动态范围,低功耗工作模式可减少散热,这两点对于PET成像也很重要。

流水线ADC为MRI提供出色的动态性能
磁共振成像(MRI)则依赖于核磁共振现象,并且无需使用电离辐射,这使之有别于DR、CT和PET系统。MR信号的载波频率直接与主磁场强度成比例,其商用扫描仪频率范围为12.8 MHz至298.2 MHz。信号带宽由频率编码方向的视场定义,变化范围从几kHz到几十kHz。


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这对接收器前端提出了特殊的要求,该前端通常基于具有较低速率SAR ADC的超外差式架构。然而,模数转换的最新进展使快速低功耗多通道流水线ADC AD9656能够在最常见的频率范围内以16位深度、最高可达125 MSPS的转换速率对MR信号直接进行数字转换。


通过对MR信号过采样可以提高分辨率、增加SNR,并消除频率编码方向的混叠伪像,从而增强图像质量。此外,它还支持独立关断各通道;禁用所有通道时,典型功耗低于2 mW。该ADC内置多种功能特性,可使器件的灵活性达到最佳、系统成本最低。

集成式接收器前端降低超声应用的成本与功耗
超声波扫描术或医学超声的物理原理与其他的成像模式不同。它使用频率范围为1 MHz至18 MHz的声波脉冲。这些声波扫描人体内部组织并以不同强度的回波进行反射。实时获取这些回波,并显示为超声波扫描图,其中可能包含不同类型信息,如声阻抗、血流量、组织随时间的活动状态或其僵硬程度。


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医疗超声前端的关键功能模块由集成的多通道模拟前端表示,它包括低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态范围。根据成像模式,该要求可能需要达到70 dB至160 dB,以便区分血液信号与探头和身体组织运动所产生的背景噪声。因此,ADC必须具有高分辨率、高采样速率和低总谐波失真(THD),以保持超声信号的动态保真度,超声前端的高通道密度还要求必须具有低功耗特性。


面向医疗超声设备提供的一系列集成式AFE可实现最佳图像质量,并降低功耗、系统尺寸和成本。AD9671支持医疗超声应用,专门针对低成本、低功耗、小尺寸及易用性而设计。它内置8通道的可变增益放大器(VGA)、低噪声前置放大器(LNA)、具有可编程相位旋转功能的CW谐波抑制I/Q解调器、抗混叠滤波器(AAF)、模数转换器(ADC)以及用于处理数据和降低带宽的数字解调器和抽取器。


每个通道均具有最大52 dB的增益、完全差分信号路径以及有源输入前置放大器终端。通道专门针对高动态范围与低功耗而优化设计,适合要求小尺寸封装的应用。

结语
无论医学影像技术发展如何日新月异,模拟数据采集前端始终对整个系统的最终图像质量产生至关重要的影响,其电子设计同时也面临着极为严苛的要求。ADI公司一直在不断创新中满足这些要求,为关键的信号链功能模块提供高度集成的解决方案,推动实现一流的临床成像设备,这些设备日益成为当今国际医疗保健系统不可或缺的一部分。


文/ADI


来源:荣格-《医疗设备商情》


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