Wilhelm Conrad Rötgen于1895年發(fā)現了X射線(xiàn)，讓他獲得了第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎，也為醫療成像領(lǐng)域奠定了基礎。自那以后，X射線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)廣泛的科學(xué)學(xué)科，從最廣泛的意義上說(shuō)，它是指眾多用于人體內部的無(wú)創(chuàng )可視化技術(shù)。

 

本文討論一些主要的現代醫療成像系統，這些系統雖然運用完全不同的物理原理和處理技術(shù)，但都有一個(gè)共同點(diǎn)：采用模擬數據采集前端進(jìn)行信號調理，并將原始成像數據轉換到數字域。

 

這個(gè)微小的前端功能模塊雖然深藏于復雜機器內部，但其性能卻會(huì )對整個(gè)系統的最終圖像質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它的信號鏈包括一個(gè)檢測元件、一個(gè)低噪聲放大器(LNA)、一個(gè)濾波器和一個(gè)模數轉換器(ADC)，而后者為本文討論的主題。

 

在醫療成像領(lǐng)域的電子設計中，數據轉換器的動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、精度、線(xiàn)性度和噪聲要求帶來(lái)了最嚴苛的挑戰。本文討論在不同成像模式環(huán)境中的這些設計挑戰，并概述了能夠實(shí)現最佳工作性能的高級數據轉換器和集成解決方案。

 

數字射線(xiàn)照相

數字射線(xiàn)照相(DR)的物理原理與所有傳統的吸收式射線(xiàn)照相系統相同。穿過(guò)人體的X射線(xiàn)經(jīng)過(guò)具有不同射線(xiàn)穿透性的人體組織衰減并投射在平板探測器系統上，其原理如圖1所示。探測器將X射線(xiàn)光子轉換為與入射粒子能量成正比的電荷。生成的電信號經(jīng)放大并轉換到數字域中，以產(chǎn)生X射線(xiàn)圖像的精確數字表示。其圖像質(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(shí)時(shí)熒光透視成像的更新速率定義。具有數百萬(wàn)像素和典型更新速率高達25 fps至30 fps的平板探測器采用通道多路復用和多個(gè)ADC，采樣速率高達數十MSPS，可在不犧牲精度的情況下滿(mǎn)足最短轉換時(shí)間要求。

 

在強度維度中，ADC的數字輸出信號代表在特定曝光時(shí)間內給定像素所吸收的X射線(xiàn)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值。另一個(gè)重要參數是信噪比(SNR)，它定義了系統忠實(shí)地表示成像人體的解剖學(xué)特征的內在能力。數字X射線(xiàn)系統采用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的類(lèi)型及其要求。有各種各樣的離散ADC和集成模擬前端，可使各種類(lèi)型的DR成像系統具有更高的動(dòng)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.數字X射線(xiàn)探測器信號鏈。

 

計算機斷層掃描

計算機斷層掃描(CT)同樣采用電離輻射技術(shù)，但與數字X射線(xiàn)技術(shù)不同的是，它基于扇型探測器系統，與X射線(xiàn)源同步旋轉，并利用更復雜的處理技術(shù)生成血管、軟組織等的高分辨率3D圖像。

 

CT探測器是整個(gè)系統架構的核心組件，它實(shí)際上是CT系統的心臟。它由多個(gè)模塊組成，如圖2所示。每個(gè)模塊將入射的X射線(xiàn)轉換為電信號，并路由到多通道模擬數據采集系統(ADAS)。每個(gè)模塊都包含一個(gè)閃爍晶體陣列、一個(gè)光電二極管陣列和含有多路復用至ADC的多個(gè)積分器通道的ADAS。ADAS必須具有極低的噪聲性能，以保持良好的空間分辨率，降低X射線(xiàn)劑量，并具有極低的電流輸出以實(shí)現高動(dòng)態(tài)范圍性能。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(xiàn)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。

 

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(shí)還要具有快速采樣速率（短至100 μs），以便數字化探測器讀數。ADC采樣速率還必須支持多路復用，這樣就可以使用較少數量的轉換器，并且減小整個(gè)系統的尺寸和功耗。

 

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)射的正電子與組織中的電子碰撞，產(chǎn)生輻射方向大體相反的伽馬射線(xiàn)對。這些高能光子對同時(shí)撞擊相對的PET探測器，它們圍繞著(zhù)支架口呈環(huán)狀排列。

 

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(xiàn)轉換為電流，繼而轉換為電壓，然后通過(guò)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A(yíng)DC和比較器路徑之間分離，以提供能量和時(shí)序信息，供PET重合處理器用于重建體內放射性示蹤劑濃度的3D圖像。

 

圖2.CT探測器模塊信號鏈。

 

圖3.PET電子前端信號鏈。

 

如果兩個(gè)光子的能量約為511 keV，并且其探測時(shí)間相差不到十億分之一秒，則它們可被歸類(lèi)為相關(guān)光子。光子的能量和探測時(shí)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40 MSPS。低噪聲性能可最大程度地擴大動(dòng)態(tài)范圍，而低功耗工作模式則可減少散熱，這兩點(diǎn)對于PET成像也很重要。

 

磁共振成像

磁共振成像(MRI)是一種無(wú)創(chuàng )醫療成像技術(shù)，它依賴(lài)于核磁共振現象，并且無(wú)需使用電離輻射，這使之有別于DR、CT和PET系統。

 

Mr信號的載波頻率直接與主磁場(chǎng)強度成比例，其商用掃描儀頻率范圍為12.8 MHz至298.2 MHz。信號帶寬由頻率編碼方向的視場(chǎng)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?；诰哂休^低速率SAR ADC的超外差式架構（見(jiàn)圖4）。然而，模數轉換的最新進(jìn)展使快速低功耗多通道流水線(xiàn)ADC能夠在最常見(jiàn)的頻率范圍內以16位深度、超過(guò)100 MSPS的轉換速率對MR信號直接進(jìn)行數字轉換。其動(dòng)態(tài)范圍要求非常嚴苛，通常超過(guò)100 dB。通過(guò)對MR信號過(guò)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(shí)間，可應用基于欠采樣的壓縮檢測技術(shù)。

 

超聲波掃描術(shù)

超聲波掃描術(shù)或醫學(xué)超聲的物理原理與本文中討論的所有其他成像模式不同。它使用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖。這些聲波掃描人體內部組織并以不同強度的回波進(jìn)行反射。實(shí)時(shí)獲取這些回波，并顯示為超聲波掃描圖，其中可能包含不同類(lèi)型信息，如聲阻抗、血流量、組織隨時(shí)間的活動(dòng)狀態(tài)或其僵硬程度。

 

醫療超聲前端（如圖5所示）的關(guān)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和解調器。對AFE最重要的要求之一是動(dòng)態(tài)范圍。根據成像模式，該要求可能需要達到70 dB至160 dB，以便區分血液信號與探頭和身體組織運動(dòng)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(dòng)態(tài)保真度。超聲前端的高通道密度還要求必須具有低功耗特性。面向醫療超聲設備提供的一系列集成式AFE可實(shí)現最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗、系統尺寸和成本。

 

圖4.MRI超外差式接收器信號鏈。

 

結論

醫療成像對電子設計提出了極為嚴苛的要求。以低成本和緊湊的封裝提供低功耗、低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率性能，是本文討論的現代醫療成像系統要求所決定的發(fā)展趨勢。ADI公司可滿(mǎn)足這些要求，為關(guān)鍵的信號鏈功能模塊提供高度集成的解決方案，推動(dòng)實(shí)現一流的臨床成像設備，這些設備日益成為當今國際醫療保健系統不可或缺的一部分。下列產(chǎn)品適用于本文提到的各種醫療成像模式。

 

ADAS1256：這款高度集成的模擬前端包含256個(gè)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）。它是一個(gè)完整的電荷-數字轉換解決方案，針對可直接安裝在數字X射線(xiàn)面板上的DR應用而設計。

針對分立式DR系統，18位PulSAR®ADC AD7960提供99 dB的SNR和5 MSPS的采樣速率，可提供無(wú)與倫比的性能，以滿(mǎn)足最高動(dòng)態(tài)范圍的噪聲和線(xiàn)性度要求。16位、雙通道AD9269和14位、16通道AD9249流水線(xiàn)ADC分別可提供高達80 MSPS和65 MSPS的采樣速率，以實(shí)現高速熒光透視系統。

ADAS1135和ADAS1134：這兩款高度集成的256通道和128通道數據采集系統由低噪聲/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(gè)高速ADC組成，提供出色的線(xiàn)性度，可最大限度地提高CT應用的圖像質(zhì)量。

AD9228、AD9637、AD9219和AD9212：這幾款12位和10位多通道ADC的采樣速率從40 MSPS到80 MSPS，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后具有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功耗，可滿(mǎn)足PET要求。

AD9656：這款16位、四通道流水線(xiàn)ADC提供高達125 MSPS的轉換速率，針對傳統的直接數字轉換MRI系統架構進(jìn)行了優(yōu)化，具有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功耗特性。

AD9671：這款8通道集成式接收器前端專(zhuān)為低成本、低功耗的醫療超聲應用而設計，采用14位ADC，采樣速率最高可達125 MSPS。每個(gè)通道都經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在連續波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動(dòng)態(tài)性能和62.5 mW的低功率，適合要求小尺寸封裝的應用。

 

圖5.醫療超聲前端信號鏈。