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          基于高速信號鏈提高醫(yī)學(xué)成像質(zhì)量的設(shè)計(jì)研究

          作者: 時(shí)間:2017-06-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          與所有非常依賴科技進(jìn)步的行業(yè)一樣,醫(yī)學(xué)設(shè)備廠商不得不持續(xù)改進(jìn)他們的產(chǎn)品——主要是改進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量。無論是超聲波反射聲波、核磁共振 () 磁場擾動(dòng)還是正電子發(fā)射斷層成像 (PET) 的正電子發(fā)射,大多數(shù)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)均需要患者信號接收傳感器陣列。提高成像質(zhì)量的最直接方法就是擴(kuò)大傳感器陣列規(guī)模。但是由于為設(shè)備添加了更多的傳感器,因此將信號傳輸至處理引擎的就必須增加電子器件。

          與此同時(shí),廠商還必須提高其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),包括特定電子組件的尺寸、功耗以及性能。系統(tǒng)某一方面的性能增強(qiáng)也許會(huì)給其他方面帶來挑戰(zhàn)。僅僅增加傳感器和,可能會(huì)引發(fā)包括系統(tǒng)尺寸及功耗增大在內(nèi)的不利影響。但是,用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的最新一代組件使醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既能改善信號鏈密度和功耗,同時(shí)又不影響動(dòng)態(tài)性能——即系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的成像質(zhì)量、更低的功耗及更小的尺寸。

          1 醫(yī)學(xué)成像接收鏈的組成元件

          對于大多數(shù)典型醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用來說,傳感器陣列的每個(gè)元件都需要其自己的信號鏈從而將傳感器的小信號響應(yīng)傳送并轉(zhuǎn)換成一個(gè) fit (one fit) 以進(jìn)行數(shù)字信號處理。因?yàn)槌上駪?yīng)用傳感器的信號響應(yīng)性質(zhì)不盡相同,因此信號轉(zhuǎn)換過程中通常離不開三個(gè)主要有源組件。首先是低噪聲放大(LNA),其主要功能是將模擬系統(tǒng)的噪聲系數(shù) (NF) 盡可能地固定在一個(gè)較低水平。在 LNA 之后是對信號進(jìn)行增益的另一個(gè)放大級,以實(shí)現(xiàn)與末級(即模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ())輸入范圍的最佳匹配。

          諸如 的應(yīng)用(其通常在信號振幅方面擺幅不大)可以使用固定增益級。但是,如果系統(tǒng)在信號強(qiáng)度(如超聲波)方面存在很大差異,那么該系統(tǒng)則需要可變增益放大器(VGA),并且需要在 之前使用可編程增益放大器 (PGA)。經(jīng)過 以后,模擬信號將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并準(zhǔn)備發(fā)送至系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器 (DSP),該過程一般通過現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 完成進(jìn)入末級的信號處理和轉(zhuǎn)換。對于 而言,在 LNA 和放大器之間也可能有一系列混頻級,以將磁體射頻(RF) 能量轉(zhuǎn)換成為低頻能量。因?yàn)槊總€(gè)元件都需要三個(gè)或更多器件,傳感器每增加一倍,僅接受信號鏈的模擬組件數(shù)量就可能需要增加到原來的 6 至 10 倍!另外,功耗要求的增加就更不用說了。難怪系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員總是不斷要求組件供應(yīng)商對其新型集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新,以解決尺寸相關(guān)的問題。

          2 高集成度: 數(shù)量更多,尺寸更小

          一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來越多的有源器件集成在一個(gè)芯片上,進(jìn)而減少系統(tǒng)所需的IC 數(shù)量。就一個(gè)典型的超聲波接受鏈而言,每個(gè)傳感器可能都需要四個(gè)器件,其中三個(gè)為放大器。憑借現(xiàn)代設(shè)計(jì)與工藝,IC 供應(yīng)商現(xiàn)在可提供將LNA、VCA 以及 PGA 集成在一個(gè)可變增益放大器的器件,最終將芯片數(shù)量減少了三分之一。另外,當(dāng)前的設(shè)計(jì)通常在每個(gè)芯片中都包括多個(gè)信號鏈通道,如 TI 推出的VCA8617 器件在其每個(gè)芯片中都擁有多達(dá) 8 個(gè) VGA 通道。通過器件的集成,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化其設(shè)計(jì),從而在功耗與性能之間做出權(quán)衡。VCA8613 為一款類似的器件,相對于 105 mW 而言,該器件的功耗僅為 75 mW,但是卻出現(xiàn)了較高的噪聲(1.2 nV / Hz 與 1.0 nV / Hz 相比較而言)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/350034.htm



          3 更低的功耗以及更高的性能

          和放大器一樣,對 ADC 的其他部分也進(jìn)行了類似的集成。許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)都具有與 8 通道VGA 相匹配的 8 個(gè) ADC 通道。同時(shí),ADC 雖然大幅降低了功耗,但是不會(huì)影響它們在典型醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中運(yùn)行包絡(luò)的性能。由于醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用的噪聲和線性度的約束,放大級通常為諸如鍺-硅之類的內(nèi)置工藝。這些工藝使典型響應(yīng)頻率(從 DC 至 20 MHz)達(dá)到了最佳平衡——低噪聲、低功耗以及高線性度。相反,高速 ADC 通常使用 CMOS 工藝進(jìn)行構(gòu)建,因?yàn)樵摷夹g(shù)針對 10-14 位精度轉(zhuǎn)換器在功耗與性能方面做了很好的權(quán)衡。

          由于 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步,ADC 的功耗特性與外形尺寸已大大降低,但是其性能卻大大提高。與以前的 ADC 相比,ADS5271 的 ADC 通道增加了四倍,信噪比 (SNR) 提高了5.5dB。通過進(jìn)一步提高通道密度,新一代 ADC 將每個(gè)通道的功耗和板級空間降低了66%。另外,輸入頻率 (IF) 的 ADC 性能提高已實(shí)現(xiàn)了 MRI 的全新系統(tǒng)架構(gòu)。MRI 機(jī)器主磁體的窄帶 IF 范圍為 30 至 140 MHz。傳統(tǒng)架構(gòu)將 IF 向下混合接近 DC,在此可以使用一個(gè)高精度ADC 對輸入頻率進(jìn)行采樣。現(xiàn)在,新一代 14 和 16 位 ADC 可在此范圍內(nèi)對 IF 進(jìn)行輕松采樣。憑借數(shù)字抽取技術(shù),這些 ADC 可實(shí)現(xiàn)與使用傳統(tǒng)架構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的相似的信噪比 (SNR),從而在提高成像性能的同時(shí)節(jié)省了板級空間。

          隨著成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中更加廣泛的使用,設(shè)備廠商將不斷設(shè)計(jì)推出成像質(zhì)量更佳的新型系統(tǒng)。為了幫助設(shè)備廠商追求卓越的成像效果,領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司將不斷研究、開發(fā)和推出其所需的技術(shù),以滿足高品質(zhì)成像產(chǎn)品的需求,這些產(chǎn)品的外形尺寸將更加小巧、功耗更低。



          關(guān)鍵詞: ADC MRI 成像 信號鏈

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