負載點穩(wěn)壓器改善醫(yī)療成像質量

成像技術領域的創(chuàng)新

傳統(tǒng)模擬X射線成像系統(tǒng)以專門的感光膠片為介質，將通過的X射線轉變成可視圖像。為了完成這一任務，該膠片必須經過一種化學顯影過程，這個過程可能需要幾分鐘，因此推遲了開始對病人進行治療的時間。此外，顯影過程完成以后，醫(yī)療團隊可能會發(fā)現(xiàn)，由于X射線曝光不正確，該圖像需要重新攝取。膠片處理完成后，必須派人送給主治醫(yī)生，然后儲存在患者的醫(yī)療檔案里，在醫(yī)院里，患者的醫(yī)療檔案有可能占用大量的儲藏柜。此外，顯影過程中使用的化學制劑使用壽命有限，必須仔細儲存，而且一旦超過壽命期，就必須銷毀。如果采用直接X射線攝影(Direct Radiography–DR)，所有這些挑戰(zhàn)都沒有了。直接X射線攝影是一種數(shù)字X射線成像技術，正得到越來越多的采用。

隨著初始擁有成本的下降以及優(yōu)勢日趨明顯，傳統(tǒng)X射線成像向直接X射線攝影遷移的勢頭不斷增強。采用直接X射線攝影時，給患者拍照幾秒鐘后，就可得到X射線圖像，而且該圖像可以立即發(fā)送到全球各地，以向任何一個地方的醫(yī)學專家咨詢?；颊叩腦射線圖像是數(shù)字形式的，可以在小型硬盤上歸檔和檢索，而無需大型文件柜。流行的直接X射線攝影方法采用平板檢測器板來獲取經過的X射線。該平板檢測器無需移動或手工挪動，就可顯示不同的拍照角度，以拍出多種圖像，而且傳感器-圖像尺寸比為1：1。較新的平板X射線檢測器能以無線方式向控制單元發(fā)送圖像，以供查看、歸檔和分發(fā)。有了平板檢測器，就不必再購買、儲存或銷毀與處理膠片有關的化學制劑了。也許最重要的是，歐洲的兩項研究表明，存檔一幅與模擬照相記錄膠片質量相當?shù)腄R圖像所需的X射線劑量將減低30%到70%。有些平板設計可將照射率實時地傳遞至X射線源，從而確保正確曝光的圖像和極低的輻射劑量。較低的X射線劑量可改善患者及附近醫(yī)療保健專業(yè)人員的安全境況，他們可能隨后會遇到四散的X射線粒子。

為了產生圖像，許多直接X射線攝影系統(tǒng)采用了全幀平板探測器，這種探測器由覆蓋了一個閃爍層的CMOS傳感器構成。這個閃爍層將入射的X射線的波長轉變成硅材料能更好地吸收的波長。CMOS傳感器由于制造工藝的原因而常常受到青睞，這類傳感器與混合信號及邏輯架構是兼容的，因而有助于形成集成度更高的解決方案。200mm和300mm硅晶片制造技術的改進進一步促進了向直接X射線攝影轉變的趨勢。較大的晶片使更少的CMOS傳感器模塊能結合在一起，從而使得所形成的X射線平板傳感器與35cm x 43cm(14英寸x17英寸)1.5cm厚ISO標準X射線膠片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的醫(yī)院都使用這類膠片暗匣。毫不奇怪，系統(tǒng)的硬件設計對這類產品的圖像質量、外形尺寸、人員安全和工作壽命產生了直接影響，起到了重要的作用。不過，這種起到重要作用的硬件設計中包括電源管理組件嗎?

與電子噪聲的艱苦斗爭

為了讓直接X射線攝影實現(xiàn)全部潛在優(yōu)勢，必須關注電子噪聲、熱量和尺寸問題。必須保持高信噪比(SNR)，同時降低加到患者身上的X射線劑量也是一個關鍵目標。盡管傳感器本身的噪聲性能獲得了極大關注，但是電源注入的噪聲也值得仔細考慮。

電源架構對信噪比性能有直接影響。電源軌上的電壓紋波被饋送到圖像傳感器，而且A/D轉換器可能將噪聲注入到圖像中。X射線CMOS傳感器制造商們聲稱，已經實現(xiàn)了14位甚至16位A/D轉換，從而可支持很寬的對比度范圍，進而產生非常詳細的圖像。使問題更加復雜的是圖像傳感器、A/D轉換器和/或儀表放大器要正常工作，除了需要一個穩(wěn)定的正電壓，常常還需要一個穩(wěn)壓的-3.3V至-7V負電壓軌。此外，電池組或AC/DC電源可能僅提供一個未調節(jié)的正電壓。因此，中間的DC/DC轉換器必須具有低輸出紋波性能(幾十mV)、高工作效率和低的自發(fā)熱量。

為了患者的舒適度和便利性，很多新的X射線成像單元(包括傳感器平板)都是移動的。傳感器平板的電源常常選擇標稱電壓為12V的可再充電電池。為了充電一次就可拍攝并傳送數(shù)百個圖像，需要較高的工作效率，這促使人們使用開關穩(wěn)壓器。不幸的是，開關模式穩(wěn)壓器是一種電磁干擾(EMI)輻射源，這增加了系統(tǒng)的噪聲水平。此外，為幫助醫(yī)務人員與患者之間保持一個安全的邊界，某些X射線傳感器面板擁有無線數(shù)據(jù)傳輸能力。較高的EMI水平有可能導致所拍攝的圖像失真，和/或干擾向用戶終端的無線數(shù)據(jù)傳送。也許更麻煩的是，EMI輻射水平有可能超出政府監(jiān)管機構所允許的值，從而使醫(yī)療產品無法進入市場，本文稍后討論這個問題。

要求較高的工作效率還有第二個目的，即努力保持高信噪比(SNR)。CMOS傳感器內部的暗電流會隨溫度的上升呈指數(shù)性增加。暗電流是由電荷移動形成的，在X射線曝光之前就存在了。根據(jù)一家X射線CMOS傳感器制造商的說法，溫度每上升8°C，暗電流就大約增大一倍。盡管后期處理可以從圖像中去掉一些暗電流假影，但是較高的工作溫度以及反復進行的X射線曝光所累積的損傷加速增大了暗電流。最終，暗電流將淹沒入射X射線粒子在傳感器上沉積的電荷，這時候，平板檢測器就必須更換了。此外，因為醫(yī)療設備常常接觸人體組織，所以如果對散熱不加以控制，那么除了會縮短設備的工作壽命，還有可能導致患者不舒服或燙傷。

與熱量的斗爭

正如之前提到的那樣，較高的工作溫度降低了CMOS傳感器的信噪比性能，并縮短了這類傳感器的壽命。此外，較高的工作溫度還造成了患者的安全風險。為了保持卓越的圖像分辨率，X射線平板檢測器會與患者的身體直接接觸。當溫度達到40°C(100°F)時，人的皮膚就開始受到灼傷。因此，有可能與人的皮膚接觸之任何醫(yī)療設備的外部都必須保持低于這個溫度限制。所以，高工作效率以及能將在大面積上產生的熱量散發(fā)出去，對很多方面都是至關重要的，例如對傳感器壽命、圖像清晰度和患者安全等。

保持緊湊的外形尺寸

從外科手術系統(tǒng)附件到手持式檢查工具，新一代醫(yī)療設備的復雜性越來越高，而裝入這么多組件以支持更多功能的可用空間卻沒有相應增大。就平板X射線探測器而言，現(xiàn)有的醫(yī)院基礎設施已經配置了一個被稱為“濾線柵插槽”的固定尺寸插槽，而原先這個地方是用來擺放模擬X射線膠片暗匣的。這些膠片暗匣一般遵循ISO4090指導原則，可以有46cm x 38.6cm x 1.5cm的外部尺寸，所允許的X射線圖像尺寸為43cm x 35cm(14英寸x17英寸)。電源管理解決方案必須緊湊和高效，才能符合這么受限的尺寸要求，并最大限度地減少工作溫度的上升。

監(jiān)管法規(guī)

作為美國和歐洲監(jiān)管要求的一部分，醫(yī)療設備必須證明符合CISPR11(又稱為EN55011)法規(guī)。因為開關穩(wěn)壓器輻射電磁場，所以設計師必須全面了解開關穩(wěn)壓器對EMI兼容性的影響，或者必須選擇一種經過測試、滿足制造商EMI輻射限制的電源解決方案。否則，為了實現(xiàn)與相關標準的符合性，有可能需要進行量大費時的產品迭代設計工作。對打算用于辦公樓的醫(yī)療設備規(guī)定了最為嚴格的輻射EMI限值，Group 1–Class B設備的輻射限值等同于針對辦公樓及家庭用信息技術設備所規(guī)定的EN55022 Class B (CISPR22 Class B)限值。

較長的產品壽命

對醫(yī)療設備而言，證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對于X射線平板傳感器來說，必須一次就正確獲得圖像，否則患者和醫(yī)護人員就會令人遺憾地再次面對輻射。最低限度，也會因診斷延遲而導致治療延遲，按照現(xiàn)代醫(yī)療標準，這種情況是不可接受的。

另一個需要考慮的因素是：選定電子組件的供貨時間能延續(xù)多久?經歷了CE、UL、IEC和FDA等機構漫長的監(jiān)管審批程序并獲得認證之后，每種醫(yī)療電子設備都應能長期制造－達15年以上。這一時間長度比消費類產品的周期長得多，而消費類產品市場是很多電源管理半導體廠商的主要市場。僅由于組件淘汰而對產品重新進行鑒定，對于工程資源和公司收益都是一個沉重的負擔。

解決方案：先進的DC/DC開關穩(wěn)壓器

為了幫助設計工程師應對醫(yī)療應用中的電子噪聲、熱量和尺寸挑戰(zhàn)，凌力爾特提供了超過50種不同的微型模塊(μModule)電源產品，為客戶提供了廣泛選擇。這些產品每一種都是高效率、全面集成的DC/DC開關電源管理解決方案，采用緊湊的表面貼裝封裝(圖1)。這些開關模式穩(wěn)壓器經過仔細設計，在負輸出電壓和正輸出電壓電路配置中，以低輸出紋波工作，如圖2和3所示。微型模塊電源產品的一個子類是通過了EN55022 Class B認證的微型模塊穩(wěn)壓器，是克服醫(yī)療應用中發(fā)現(xiàn)EMI挑戰(zhàn)之理想解決方案。這類開關穩(wěn)壓器經過TUV等獨立實驗室的認證，以在輸出電流高達8A時，滿足行業(yè)標準EN55022 Class B(相當于CISPR11/EN55011 Group 1–Class B)對輻射EMI的要求。用各自的標準演示電路板進行測試所得的結果已公開在線提供。部分測試情況如圖4所示。選擇一個兼容和全面集成的降壓型解決方案，例如微型模塊穩(wěn)壓器，可在滿足這類要求時，節(jié)省設計時間，并降低與常見開關穩(wěn)壓器或控制器相關的風險。

與高輸出紋波和輻射EMI有關的風險不應該低估。這兩種因素都影響產品第一次就能正常發(fā)揮作用以及滿足嚴格的政府法規(guī)的能力。至于這兩種因素對X射線平板工作的影響，產品設計如果良好地控制了輸出紋波和EMI輻射，那么產品就能提供高信噪比，從而能提供高質量、高分辨率的圖像，第一次就能獲得正確的圖像以避免治療延遲以及不必要地重復暴露于輻射之中，還能提供可靠的無線通信，并加速EMI兼容性測試。出于這些原因，凌力爾特做了很多工作，以確保這些設備通過TUV等獨立測試實驗室的認證，并公開在線提供測試結果。在克服噪聲和EMI問題以后，合適的電源管理解決方案就需要解決效率、可靠性和散熱問題了。

微型模塊電源產品是效率非常高的開關穩(wěn)壓器，采用由導熱塑料構成的表面貼裝LGA或BGA封裝，封裝頂部是平坦的。一整塊平坦的封裝頂部覆蓋整個電源管理解決方案，有利于采取散熱措施，以最大限度地減少醫(yī)療設備外部任何一點的溫度上升(圖5)。正如之前提到的那樣，保持較低的工作溫度可提高對患者的安全性、信噪比以及設備的工作壽命。最大的微型模塊電源產品的尺寸為15mm x 15mm x 5mm，最小的則為6.25mm x 6.25mm x 2.3mm，因此采用微型模塊電源產品有助于為實現(xiàn)更重要的功能釋放空間，例如增大電池尺寸以在兩次充電之間工作更長時間。

微型模塊穩(wěn)壓器經過了廣泛的器件級和電路板級測試，以確?？煽抗ぷ?。迄今為止，該產品系列已經累計經過了逾2350萬個器件-小時的電源周期和300萬次器件-小時加速壽命測試，從未發(fā)生故障。全套設計、應用和制造指導原則確保這些微型模塊的性能滿足產品預期，這進一步為可靠性提供了支持。在網址www.linear.com.cn/umodule上，有一份完整的報告，列出了已進行過的所有可靠性測試以及測試結果。在長生產壽命以支持醫(yī)療設備方面，凌力爾特一直堅定不移地貫徹執(zhí)行產品的“不停產政策”，μModule電源產品將繼續(xù)秉承這一政策，因而可支持具有長生產期限的醫(yī)療設備。

圖1：微型模塊電源產品是完整的DC/DC開關解決方案，采用耐熱增強型LGA或BGA封裝，為通過封裝的頂部和底部散熱提供了一條便利的途徑。
Thermally Enhanced BGA or LGA Package：耐熱增強型BGA或LGA封裝
Magnetics：磁性材料
Compensation Circuitry：補償電路
Diodes：二極管
Capacitors Resistors：電容器和電阻器
Power Switches DC/DC Controller：電源開關和DC/DC控制器

圖2a和2b：LTM8023原理圖，12VIN至-7VOUT/1A，以不到30mVpp的輸出紋波工作，最大限度地減少了注入CMOS傳感器和信號調理組件的噪聲，需要一個負電壓源。
參見圖2a，獲取組件值
全帶寬

圖3：LTM4613僅有26mVpp的輸出紋波(12VIN至5VOUT/5A)，可最大限度地降低注入到CMOS傳感器和信號調理組件中的噪聲，從而提供高質量圖像。

圖4：LTM4613以超過6dBuV/m的裕度，滿足EN55022 ClassB (相當于CISPR11 Group 1 Class B)的要求(12VIN至5VOUT/8A)。

圖5：沒有散熱器、在空氣自然對流情況下，LTM4613的最高外殼溫度為41°C (12VIN至5VOUT/5A)。如果熱連接到金屬外殼(無需額外費用的散熱器)，那么最高溫度會進一步降至低于40°C。
AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度
NO FORCED AIRFLOW：無強制氣流
NO HEAT SINK：無散熱器

結論

盡管本文專注于論述與數(shù)字X射線平板檢測器有關的設計挑戰(zhàn)，但是本文所述挑戰(zhàn)并不是此產品獨有的。從外科手術系統(tǒng)附件、內窺鏡到便攜式成像和監(jiān)視系統(tǒng)，醫(yī)療專業(yè)人員始終在尋求最有效、最可靠和最小的可用工具。在這些方面不斷實現(xiàn)突破的設備使醫(yī)療實踐得以取得進步，最大限度地減少了患者的不適、結疤和恢復時間，同時提高了人員的安全性。這類產品中的電子組件使醫(yī)生能更準確地實施治療、更全面地了解病情、以及有更好的控制能力，甚至能延長訓練有素的外科醫(yī)生的職業(yè)生涯。再加上商業(yè)企業(yè)對于有限的工程資源、產品上市時間、需要得到證明的產品可靠性和相匹配的長生產壽命，什么樣的電源解決方案才能滿足這些業(yè)務需求呢?凌力爾特的微型模塊電源產品線經過仔細設計，已經證明能滿足這些令人生畏的需求。