MRI 架構的改進(jìn)

現代核磁共振成像(MRI)掃描儀的設計已發(fā)生了革命性的變化，這都得益于現代IC設計的一系列發(fā)展和進(jìn)步。MRI等醫療成像設備雖產(chǎn)生一定的影響，但并不是IC發(fā)展的主要驅動(dòng)因素。相反，它們是無(wú)線(xiàn)基礎設施等行業(yè)持續發(fā)展的受益者。這種技術(shù)進(jìn)步不僅提供MRI各種子系統改善性能的機會(huì )，同時(shí)也使子系統設計得以簡(jiǎn)化。

MRI子系統受益于現代IC的一個(gè)例子是梯度控制。高端MRI掃描儀要求以1ppm量級的精密度、精確度和穩定度來(lái)控制梯度場(chǎng)，這本身就是一項挑戰；而且，在實(shí)現如此高水平控制的同時(shí)，還必須提供數百kHz或更大的吞吐速率。若無(wú)法維持所需的控制，將會(huì )因為場(chǎng)梯度的非線(xiàn)性生成干擾偽像。若無(wú)法達到所需的噪聲水平，圖像中可能會(huì )出現“重影”。

過(guò)去高性能梯度控制一直采用復雜的分立電路來(lái)實(shí)現。圖1a為這種方式的一個(gè)簡(jiǎn)化示例。在此例中，兩個(gè)16位DAC相結合，用來(lái)產(chǎn)生更高的等效精度。次要DAC的輸出會(huì )經(jīng)過(guò)衰減，以提供更精細步進(jìn)，隨后與主要DAC輸出結合。然而，這種組合不能提供所需的線(xiàn)性度，因此要在反饋環(huán)路中使用一個(gè)高性能ADC。該ADC不太可能用于音頻方面，故在數字邏輯中須進(jìn)行額外的校正。對于典型高分辨率ADC，另一個(gè)可能發(fā)生的問(wèn)題是空閑音，也必須消除掉。盡管本圖已經(jīng)將復雜問(wèn)題大大簡(jiǎn)化，但應明白，實(shí)際運作狀況絕不會(huì )如圖示那么簡(jiǎn)單。

圖1 MRI的梯度控制

當今的IC工藝及設計技術(shù)允許工程師將所有這些需求整合到一個(gè)1×10-6 DAC當中，如圖1b所示。這是通過(guò)經(jīng)改善的薄膜匹配與片內自校正功能相結合加以實(shí)現的。線(xiàn)性度、穩定度和噪聲能夠改善高階MRI梯度控制的性能，并且其電路與傳統方法相比大大簡(jiǎn)化。然而，要達成總體1×10-6精度的設計挑戰仍然相當大，但DAC不再是限制因素，支持電路、器件選型和適當的布局布線(xiàn)均起著(zhù)重要的作用。

射頻(RF)接收機是另一個(gè)受到新技術(shù)巨大沖擊的領(lǐng)域。該領(lǐng)域一直在不斷變化，不同的原始設備制造商(OEM)采用不同的方式完成任務(wù)。然而，一個(gè)共同發(fā)展趨勢是希望能夠將接收電子器件移至更靠近線(xiàn)圈組件的位置，這樣做合情合理，如果從前置放大器到后續接收電子器件之間使用較長(cháng)的同軸電纜，則不僅體積龐大，而且不利于接收機的性能。若將接收電子器件移至更靠近線(xiàn)圈的位置，會(huì )對電子器件有兩大限制。電子器件必須更小，因為要容納大量的接收通道，所以可用空間更少。另外，功耗也是一個(gè)主要因素，在更小容量的空間內必定會(huì )產(chǎn)生散熱問(wèn)題。

圖2 MRI的數字轉換