醫(yī)學(xué)成像中的時鐘分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計簡介

對于改善醫(yī)療保健環(huán)境的需求永無止境，因此需要具有更高分辨率的醫(yī)療影像設(shè)備，以便更好地觀測人體情況。高分辨率帶來了信號采集和傳送的問題。基于上述需求，需要穩(wěn)定的低抖動時鐘去改善信號采集精度，改善信號在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸。本文中，我們將討論大型成像設(shè)備的時鐘分發(fā)系統(tǒng)，而這對設(shè)計工程師們而言是一大挑戰(zhàn)。

1970年代中后期，計算機X射線軸向分層造影(CAT)掃描就已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)界了。計算機處理能力和信息采集時間的改善大大提高了設(shè)備的掃描速度，信息內(nèi)容以及圖像的清晰度。今天，我們的掃描儀把正電子放射成像技術(shù)(PET)與核磁共振成像技術(shù)(MRI)或X-射線計算機斷層掃描技術(shù)結(jié)合在一起，提供了更好的信息記錄方式與更出色的畫面質(zhì)量，此即雙模式掃描，是當(dāng)下最新的設(shè)計之一。

時鐘，噪聲與圖像分辨率

特別的是，PET掃描儀需要放射性核素跟蹤劑，當(dāng)這些放射性核素衰變時就會產(chǎn)生正電子。當(dāng)正電子失去勢能，它們就會通過不同方式與電子結(jié)合在一起，通過這種結(jié)合，將產(chǎn)生幾乎朝向完全相反方向發(fā)射的511KeV的伽馬射線。為了記錄在它們穿過病人身體時，兩個伽馬射線光子的響應(yīng)線或弦，需要用到一個探測環(huán)。探測環(huán)的直徑必須能容納病人身體通過，大約需要1米，探測環(huán)上具有500到1000條信道。探測器則必須能把從正電子到電子覆滅過程所產(chǎn)生的兩條伽瑪射線事件關(guān)聯(lián)到的一個響應(yīng)線上，而不能作為隨機事件。另外，這些信道必須準(zhǔn)確測量出伽馬射線的能量，以此探測出康普頓散射引發(fā)的誤差，康普頓散射會導(dǎo)致發(fā)射源位置出錯。要達(dá)到以上目的有幾種辦法，但均需要精確的時鐘信號配合檢測窗口。

產(chǎn)生一個精確且穩(wěn)定的高頻時鐘非常容易，但如何在直徑很大的探測環(huán)內(nèi)分布時鐘信號則是一大挑戰(zhàn)，因為快速的時鐘脈沖邊沿會因傳輸媒介而有所損耗。一些探測器借助光纖將閃爍晶體的輸出傳遞至具有光電子元器件(PMT或者APD)的信道板上。這樣的布局令探測電子裝置的距離變小，但時鐘脈沖分布依然會受到信道上的損傷、偏移、振動以及其它退化問題的影響，這些最終會影響圖像的噪聲，及需要達(dá)到的分辨率。

圖一：PET探測器構(gòu)成示意圖

時鐘脈沖分發(fā)

在CT成像和其它類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)里，時鐘會限制那些以時間為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果。為了保持高速時鐘干凈，信號采用差分形式如LVPECL或LVDS分發(fā)。因為它們要在信道板上傳輸，在驅(qū)動負(fù)載(如大FPGA)和調(diào)整板布局歪斜時，時鐘脈沖的分布都會受到影響，即影響邊沿脈沖的到達(dá)時間。為了解決該問題，半導(dǎo)體供應(yīng)商創(chuàng)建了允許工程師通過可編程延遲及重新驅(qū)動時鐘信號的“解決”歪斜問題的時鐘分布器件。圖2所示的是美國國家半導(dǎo)體LMK01000系列時鐘脈沖分布器件的框圖，該器件不僅可以控制校正偏差，還可控制可編程分頻器、多路復(fù)用器和輸出驅(qū)動器。這對于能實現(xiàn)管理時鐘和減少時序錯誤的系統(tǒng)內(nèi)可編程性能是至關(guān)重要的。

圖2：LMK01000系列時鐘脈沖分布器件架構(gòu)框圖。

當(dāng)通過信道板傳輸時鐘脈沖時，需使用雙絞線或雙同軸電纜，但新問題也會隨之出現(xiàn)。因為高速信號傳輸?shù)木嚯x不管是近是遠(yuǎn)，這些信號將遭遇高頻衰減、群延遲及其他由串?dāng)_造成的失真及系統(tǒng)噪音的影響，特別在需要高壓電驅(qū)動PMT時。在多數(shù)情況下，時鐘脈沖的恢復(fù)都是通過鎖相環(huán)(PLL)器件的重定時來完成的。例如，采用LMK03200精確零延遲時鐘調(diào)節(jié)器，它包括一個高頻鎖相環(huán)，集成的VCO以及LMX01000所具備的一些特性。

本文小結(jié)

大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如PET、 CT、 MRI和雙模式掃描儀，均需嚴(yán)格控制時鐘，以最小化圖像的失真、系統(tǒng)噪音并提升系統(tǒng)的整體性能。具有更大光輸出和更快衰減時間的新產(chǎn)品令使用PET掃描儀上進(jìn)行TOF檢測成為可能。這一最新的技術(shù)需要更高頻率的時鐘，從而產(chǎn)生更高清晰度的圖像。隨著新技術(shù)的發(fā)展，CT掃描的未來將愈加光明，但隨著檢測圖像分辨率的不斷提高，時序速率也會進(jìn)一步提升，因此時鐘分發(fā)將是設(shè)計人員需要長期應(yīng)對的挑戰(zhàn)。

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