應對醫(yī)學成像中的時鐘分發(fā)系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

1970年代中后期，計算機X射線軸向分層造影(CAT)掃描就已經出現(xiàn)在醫(yī)學界了。計算機處理能力和信息采集時間的改善大大提高了設備的掃描速度，信息內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(PET)與核磁共振成像技術(MRI)或X-射線計算機斷層掃描技術結合在一起，提供了更好的信息記錄方式與更出色的畫面質量，此即雙模式掃描，是當下最新的設計之一。

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，當這些放射性核素衰變時就會產生正電子。當正電子失去勢能，它們就會通過不同方式與電子結合在一起，通過這種結合，將產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生的兩條伽瑪射線事件關聯(lián)到的一個響應線上，而不能作為隨機事件。另外，這些信道必須準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，康普頓散射會導致發(fā)射源位置出錯。要達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，及需要達到的分辨率。

圖1：PET探測器構成示意圖。

時鐘脈沖分發(fā)

在CT成像和其它類似的數(shù)據采集系統(tǒng)里，時鐘會限制那些以時間為基礎的系統(tǒng)的性能和數(shù)據轉換效果。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，在驅動負載（如大FPGA）和調整板布局歪斜時，時鐘脈沖的分布都會受到影響，即影響邊沿脈沖的到達時間。為了解決該問題，半導體供應商創(chuàng)建了允許工程師通過可編程延遲及重新驅動時鐘信號的“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、多路復用器和輸出驅動器。這對于能實現(xiàn)管理時鐘和減少時序錯誤的系統(tǒng)內可編程性能是至關重要的。

圖2：LMK01000系列時鐘脈沖分布器件架構框圖。

當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，這些信號將遭遇高頻衰減、群延遲及其他由串擾造成的失真及系統(tǒng)噪音的影響，特別在需要高壓電驅動PMT時。在多數(shù)情況下，時鐘脈沖的恢復都是通過鎖相環(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

大型數(shù)據采集系統(tǒng)如PET、 CT、 MRI和雙模式掃描儀，均需嚴格控制時鐘，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品令使用PET掃描儀上進行TOF檢測成為可能。這一最新的技術需要更高頻率的時鐘，從而產生更高清晰度的圖像。隨著新技術的發(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，時序速率也會進一步提升，因此時鐘分發(fā)將是設計人員需要長期應對的挑戰(zhàn)。