醫(yī)學(xué)數(shù)字成像的挑戰(zhàn)和最新動(dòng)態(tài)

21 世紀(jì)數(shù)字成像技術(shù)的出現(xiàn)給我們帶來優(yōu)異的診斷功能、圖像存檔以及隨時(shí)隨地的檢索功能。自20世紀(jì)70年代早期醫(yī)學(xué)成像數(shù)字技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)字成像的重要性得以日益彰顯。半導(dǎo)體器件中混合信號(hào)設(shè)計(jì)能力方面的一些新進(jìn)展，讓成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了史無前例的電子封裝密度，從而帶來醫(yī)學(xué)成像的巨大發(fā)展。同時(shí)，嵌入式處理器極大地提高了醫(yī)療圖像處理和實(shí)時(shí)圖像顯示的能力，從而實(shí)現(xiàn)了更迅速、更準(zhǔn)確的診斷。這些技術(shù)的融合以及許多新興的電子健康記錄標(biāo)準(zhǔn)為更為完善的病人護(hù)理提供了發(fā)展動(dòng)力。

本文將介紹不同成像方法電子設(shè)計(jì)存在的諸多挑戰(zhàn)和一些最新動(dòng)態(tài)，具體包括數(shù)字X射線、磁共振成像(MRI)和超聲波系統(tǒng)。

數(shù)字X射線系統(tǒng)

傳統(tǒng)的X射線系統(tǒng)使用一種膠片/屏幕裝置來檢測(cè)發(fā)射到人身體的X射線。然而，探測(cè)器系統(tǒng)中的數(shù)字X射線信號(hào)鏈包含一個(gè)照片探測(cè)器陣列，該探測(cè)器陣列將輻射轉(zhuǎn)換成電荷。其后面是一些電荷積分器電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路，以數(shù)字化輸入。圖1顯示了一個(gè)典型數(shù)字X射線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的例子。

圖 1 數(shù)字X射線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示例

數(shù)字X射線系統(tǒng)性能與積分器和ADC模塊的噪聲性能密切相關(guān)。為了在低功耗條件下獲得更高的圖像質(zhì)量，某個(gè)系統(tǒng)中支持大量信號(hào)通道所需的電子集成程度為技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)定了一定的標(biāo)準(zhǔn)。正是由于組成探測(cè)器系統(tǒng)的許多高性能模擬組件以及執(zhí)行高級(jí)圖像處理任務(wù)的嵌入式處理器，X射線系統(tǒng)才擁有了許多相對(duì)于傳統(tǒng)X射線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。這種組合支持更大的動(dòng)態(tài)范圍，從而可以獲得更好的圖像對(duì)比度和更低的患者X射線輻射水平，同時(shí)產(chǎn)生可電子存儲(chǔ)和傳輸?shù)臄?shù)字圖像。

超聲波系統(tǒng)

超聲波系統(tǒng)的接收通道信號(hào)鏈包括低噪聲放大器(LNA)、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)、低通濾波器(LPF)和高速高精度ADC。緊跟在這些組件后面的是數(shù)字波束生成、圖像和多普勒處理以及其他信號(hào)處理軟件(圖 2)。

圖 2 超聲波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示例

信號(hào)鏈組件的噪聲和帶寬特性定義了系統(tǒng)的總性能上限。另外，在耗散更低系統(tǒng)功率的同時(shí)，需要在更小的區(qū)域內(nèi)集成更多的高性能通道。典型的手持式超聲波系統(tǒng)可能具有約16到32條通道，而一些高端系統(tǒng)可能會(huì)有128條以上的通道，以獲得更高的圖像質(zhì)量。要減少占用全部這些陣列通道的印制電路板(PCB)，重點(diǎn)是在模擬前端IC中集成盡可能多的通道。總系統(tǒng)功耗是手持式系統(tǒng)的另一個(gè)重要性能指標(biāo)。直接將接收端電子器件集成到了探針中是創(chuàng)新的另一個(gè)方面。

這樣做有助于縮短探針中低壓模擬信號(hào)源與LNAs之間的距離，從而減少信號(hào)的損耗。集成會(huì)進(jìn)一步增加探針件數(shù)目，從而增強(qiáng)3D成像。除了這些模擬信號(hào)鏈考慮因素以外，高性能、低功耗嵌入式處理器還能夠比以前更快速、高效地完成便攜式設(shè)備的波束生成和圖像處理任務(wù)。

MRI

如欲了解典型MRI 通道模擬信號(hào)處理鏈的例子，請(qǐng)參見圖3。

圖 3 MRI 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示例

全身 MRI 系統(tǒng)可能有一個(gè)多達(dá)76個(gè)元件或通道的線圈矩陣。另外，低壓(LV)模擬輸入沿長(zhǎng)同軸線纜從肢體線圈傳輸至模擬信號(hào)鏈前置放大器。當(dāng)談到MRI接收信號(hào)鏈時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵隨之出現(xiàn)：如何獲得高信噪比(SNR)(至少約84dB或14位);如何實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)的極高總動(dòng)態(tài)范圍(至少150dB/Hz左右)。獲得高SNR要求一個(gè)超低噪聲系數(shù)的高性能前置放大器。使用如動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)或模擬輸入壓縮等創(chuàng)新方案可以達(dá)到高動(dòng)態(tài)范圍要求。

總之，通過增加MRI系統(tǒng)中所用線圈數(shù)，既可以獲得更好的圖像范圍，也可以縮短圖像掃描時(shí)間。線圈數(shù)的增加可能會(huì)要求對(duì)線圈和前置放大器之間的信號(hào)通信進(jìn)一步優(yōu)化，而使用高速數(shù)字或光鏈路時(shí)則要求主系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。另外，高集成度會(huì)導(dǎo)致不同于目前的系統(tǒng)劃分，這可能會(huì)將電子器件更靠近于線圈。就這點(diǎn)來說，可能要求半導(dǎo)體IC非磁性封裝，并符合更加嚴(yán)格的功耗和面積規(guī)定。以上要求成功的實(shí)現(xiàn)能使輸入信號(hào)衰減降低，從而獲得更高品質(zhì)的醫(yī)學(xué)圖像。

總結(jié)

數(shù)字成像是當(dāng)今醫(yī)學(xué)行業(yè)中最為活躍的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域之一。IC模擬/混合信號(hào)功能以及各種嵌入式處理所取得的巨大進(jìn)步正不斷推動(dòng)其發(fā)展。這些技術(shù)的出現(xiàn)提高了成像系統(tǒng)的性能，同時(shí)也極大地提高了為患者提供診斷和醫(yī)療護(hù)理服務(wù)的質(zhì)量。