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四种现代医疗成像系统剖析,“黄金搭档”高性能ADC成就准确医疗判据

时间:2019-05-15 作者:ADI 阅读:
医学成像诊断是医疗重要基础支撑,是临床数据中最重要的诊断依据之一,医院临床诊断大约70%依靠医学成像。医学成像已经改变了疾病诊断方法,并促使各种医疗条件下的诊断和治疗更加有效。对于在医疗健康领域中使用的成像设备,其技术的进步和日益增长的使用意识正在推动全球医疗成像市场的发展。

医学成像诊断是医疗重要基础支撑,是临床数据中最重要的诊断依据之一,医院临床诊断大约70%依靠医学成像。医学成像已经改变了疾病诊断方法,并促使各种医疗条件下的诊断和治疗更加有效。对于在医疗健康领域中使用的成像设备,其技术的进步和日益增长的使用意识正在推动全球医疗成像市场的发展。

现代医疗成像系统都有一个共同点: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。这个微小的前端功能模块虽然深藏于复杂机器内部,但其性能却会对整个系统的最终图像质量产生至关重要的影响。它的信号链包括一个检测元件、一个低噪声放大器(LNA)、一个滤波器和一个模数转换器(ADC),其中,ADC的动态范围、分辨率、精度、线性度和噪声等要求都面临着最严苛的挑战。

数字射线照相系统

数字射线照相(DR)的物理原理与所有传统的吸收式射线照相系统相同,其原理如图1所示。

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图1.数字X射线探测器信号链

DR的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25fps至30fps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。

数字X射线系统采用14位至18位ADC,SNR水平范围为70dB至100dB,ADI 公司的高集成度模拟前端ADAS1256和PulSAR® ADC AD7960 转为DR应用设计。ADAS1256是一个完整的电荷-数字转换解决方案,针对可直接安装在数字X射线面板上的DR应用;AD7960 提供99 dB的SNR和5 MSPS的采样速率,可满足最高动态范围的噪声和线性度要求。另外,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,可以实现高速荧光透视系统。这些ADC和集成模拟前端,可使各种类型的DR成像系统都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。

计算机断层扫描

计算机断层扫描(CT)由多个模块组成,如图2所示。每个模块都包含一个闪烁晶体阵列、一个光电二极管阵列和含有多路复用至ADC的多个积分器通道的多通道模拟数据采集系统(ADAS)。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。

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图2.CT探测器模块信号链

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。ADI 公司的数据采集系统ADAS1135 和 ADAS1134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,可提供出色的线性度,能够最大限度地提高CT应用的图像质量。

正电子发射断层扫描

正电子发射断层扫描(PET)探测器(如图3所示)由一系列闪烁晶体和光电倍增管(PMT)组成,它们将伽马射线转换为电流,继而转换为电压,然后通过可变增益放大器(VGA)放大并补偿幅度变化。然后将产生的信号在ADC和比较器路径之间分离,以提供能量和时序信息,供PET重合处理器用于重建体内放射性示踪剂浓度的3D图像。

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图3.PET电子前端信号链

如果两个光子的能量约为511keV,并且其探测时间相差不到十亿分之一秒,则它们可被归类为相关光子。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。低噪声性能可最大程度地扩大动态范围,而低功耗工作模式则可减少散热,这两点对于PET成像也很重要。ADI公司的多通道ADC AD9228、 AD9637、AD9219 和 AD9212,采样速率从40 MSPS到80 MSPS,经过优化后具有出色的动态性能和低功耗,可满足PET系统对ADC的要求。

磁共振成像

磁共振成像(MRI)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12.8MHz至298.2MHz。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。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SARADC的超外差式架构(见图4)。

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图4.MRI超外差式接收器信号链

然而,模数转换的最新进展使快速低功耗多通道流水线ADC能够在最常见的频率范围内以16位深度、超过100MSPS的转换速率对MR信号直接进行数字转换。其动态范围要求非常严苛,通常超过100dB。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。为获得快速扫描采集时间,可应用基于欠采样的压缩检测技术。ADI公司的16位、四通道流水线ADC AD9656能够提供高达125 MSPS的转换速率,针对传统的直接数字转换MRI系统架构进行了优化,具有出色的动态性能和低功耗特性。

超声波扫描术

医疗超声前端(如图5所示)的关键功能模块由集成的多通道模拟前端(AFE)表示,它包括低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器(AAF)、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态范围。

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图5.医疗超声前端信号链

根据成像模式,动态范围的要求可能需要达到70dB至160dB,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。此外,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。

ADI 公司的集成式接收器前端AD9671专为低成本、低功耗的医疗超声应用而设计,采用14位ADC,采样速率最高可达125 MSPS。每个通道都经过优化,在连续波模式下具有160 dBFS/√Hz的高动态性能和62.5 mW的低功率,适合要求小尺寸封装的应用。

结语

可以看出,以低成本和紧凑的封装提供低功耗、低噪声、高动态范围和高分辨率性能,是现代医疗成像系统要求所决定的发展趋势。而具有更快处理速度的放大器和更高转换速度的模数及数模转换器,以及高性能的数字信号处理器是获得上述性能的根本保证。ADI公司的产品可满足这些要求,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。

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