醫學(xué)成像：不斷縮小外形尺寸、提高性能

與所有非常依賴(lài)科技進(jìn)步的行業(yè)一樣，醫學(xué)成像設備廠(chǎng)商不得不持續改進(jìn)他們的產(chǎn)品——主要是改進(jìn)系統的成像質(zhì)量。無(wú)論是超聲波反射聲波、核磁共振成像 （MRI） 磁場(chǎng)擾動(dòng)還是正電子發(fā)射斷層成像 （PET） 的正電子發(fā)射，大多數醫學(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大傳感器陣列規模。但是由于為設備添加了更多的傳感器，因此將信號傳輸至處理引擎的信號鏈就必須增加電子器件。

與此同時(shí)，廠(chǎng)商還必須縮小其系統尺寸、降低功耗并提高性能。系統某一方面的性能增強也許會(huì )給其他方面帶來(lái)挑戰。僅僅增加傳感器和信號鏈就可能會(huì )引發(fā)包括系統尺寸及功耗增大在內的不利影響。但是，用于醫學(xué)成像系統的最新一代信號鏈組件使醫療系統設計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——即系統同時(shí)實(shí)現更高的成像質(zhì)量、更低的功耗以及更小的尺寸。

圖 1 超低功耗 VGA 的功能結構圖

醫學(xué)成像接收機的組成元件

對于大多數典型醫學(xué)成像應用來(lái)說(shuō)，傳感器陣列的每個(gè)元件都需要其自己的信號鏈將傳感器的小信號響應傳送并轉換成一個(gè)匹配的小信號響應以進(jìn)行數字信號處理。因為成像應用傳感器的信號響應性質(zhì)不盡相同，因此信號轉換過(guò)程中通常離不開(kāi)三個(gè)主要有源組件。首先是低噪聲放大器 （LNA），其主要功能是將模擬系統的噪聲系數 （NF） 盡可能地固定在一個(gè)盡可能低的水平。第二個(gè)放大器通常是在 LNA 之后，以最佳匹配模數轉換器 （ADC） 末級輸入擺幅的信號。

圖 2 噪聲系數與所選VGA 性能的對比關(guān)系

諸如 MRI 的應用（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，如果系統在信號強度（如超聲波）方面存在很大差異，那么該系統則需要可變增益放大器 （VGA），并且需要在 ADC 之前使用可編程增益放大器 （PGA）。經(jīng)過(guò) ADC 以后，模擬信號將被轉換成數字信號并準備發(fā)送至系統的數字信號處理器 （DSP），該過(guò)程一般通過(guò)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （FPGA） 完成進(jìn)入末級的信號處理和轉換。對于 MRI 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） 能量轉換成為低頻能量。因為每個(gè)元件都需要三個(gè)或更多器件，傳感器每增加一倍，僅接收信號鏈的模擬組件數量就可能需要增加到原來(lái)的 6 至 10 倍！另外，功耗要求的增加就更不用說(shuō)了。難怪系統設計人員總是不斷要求組件供應商對其新型集成電路 （IC） 設計進(jìn)行創(chuàng )新，以解決尺寸相關(guān)的問(wèn)題。

高集成度：更多的信號鏈、更小的空間以及更低的功耗

一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來(lái)越多的模擬器件集成在一個(gè)芯片上，進(jìn)而減少系統所需的 IC 數量。就一個(gè)典型的超聲波接收鏈而言，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。憑借現代設計與工藝，IC 供應商現在可提供將 LNA、VCA 以及 PGA 集成在一個(gè)可變增益放大器的器件，最終將芯片數量減少了三分之一。另外，當前的設計通常在每個(gè)芯片中都包括多個(gè)信號鏈通道，采用 64 引腳 QFN 封裝的一個(gè) IC 封裝就包含了多達 8 個(gè) VGA 通道。這就允許了 VGA 輸出直接進(jìn)入 ADC 的輸入端，而無(wú)需外部無(wú)源或有源組件，從而節約了更多的板級空間。在圖 1 中，其他功能模塊（如連續波距陣開(kāi)關(guān)和鉗位電路，特別是對醫學(xué)成像系統而言）也被集成到了該器件中。

在一個(gè)器件中集成多個(gè)通道除了外形尺寸優(yōu)勢以外還有其他諸多優(yōu)勢。通常，第一個(gè)組件都是設計旨在作為一個(gè)獨立的實(shí)體實(shí)現功耗與性能的平衡。雖然設計用于協(xié)同工作，但每個(gè)組件的性能看起來(lái)都要優(yōu)于系統所需的性能。因此當各個(gè)組件協(xié)同工作時(shí)，每個(gè)組件都會(huì )向著(zhù)過(guò)性能方向歪曲功耗與性能平衡，從而帶來(lái)比期望功耗更高的功耗。

但是在多級 IC 中，設計人員可以對電源進(jìn)行分配，以最大程度地滿(mǎn)足設計要求，從而在不需要電能的模塊上幾乎不浪費什么電能。較新的 VGA 就是一個(gè)不錯的例子。由于低噪聲對超聲波成像系統至關(guān)重要，因此 LNA 功能對 VGA 設計而言也很重要。其輸入噪聲設置了系統可實(shí)現的最低噪聲系數，而其增益又會(huì )直接影響后級噪聲的數量，該后級會(huì )影響最終的噪聲系數。通過(guò)平衡 LNA 級中功耗與性能，我們在提高 VGA 性能的同時(shí)便可實(shí)現較低功耗設計（請參見(jiàn)圖 2）。 以前的多通道 VGA 借助一條趨勢線(xiàn)在功耗與輸入等效噪聲之間權衡?？梢允褂妹客ǖ纼H消耗 75 mW的設計來(lái)實(shí)現1.2 輸入等效噪聲，或實(shí)現 0.7 輸入等效噪聲（如果每通道 150 mW 的功耗不過(guò)載功耗預算的話(huà)）。但是由于有了非常高效的低噪聲雙極結晶體管 （BJT），當今的 VGA 可以對前端進(jìn)行優(yōu)化，從而在每通道僅為 63 mW 的情況下便可實(shí)現 0.8 的輸入等效噪聲。這就使得高性能成像系統在越來(lái)越小且更加便攜的同時(shí)功消耗更低的電能。

降低功耗

圖 3 隨采樣速率變化的功耗調節示例

ADC 也歷經(jīng)了類(lèi)似的集成。許多現代設計都具有與 8 通道 VGA 相匹配的 8 個(gè)高速 ADC 通道，通常精度在 10～14 位之間，采樣速率在 40～-65 MSPS 之間。通過(guò)整合輸出標準（如雙倍數據速率低壓差分信號 （LVDS）），八通道 ADC 減少了每個(gè) ADC 的輸出引腳數量，從而實(shí)現了更小的封裝尺寸。這還減少了 ADC 和數字處理引擎之間 I/O 線(xiàn)跡的數量，從而簡(jiǎn)化了布局。 例如，8 個(gè)12 位 ADC 將需要96 個(gè)引腳和線(xiàn)跡來(lái)以并行 CMOS 格式輸出其數據。但是在每個(gè) ADC 都使用了一個(gè)串行化的 LVDS 對以后，只需要 20 個(gè)引腳和線(xiàn)跡就足夠了（ADC 具有 8 個(gè) LVDS 對，每個(gè)幀和位時(shí)鐘使用一個(gè) LVDS 對）。

ADC 雖然大幅降低了功耗，但是不會(huì )影響它們在典型醫學(xué)成像應用中運行包絡(luò )的性能。由于醫學(xué)成像應用的噪聲和線(xiàn)性度的約束，高效放大器級通常為諸如鍺-硅之類(lèi)的內置工藝以充分利用低噪聲 BJT。這些工藝使典型響應頻率（從 DC 至 20 MHz）達到了最佳平衡——低噪聲、低功耗以及高線(xiàn)性度。相反，具有醫學(xué)成像所需典型采樣速率的高速 ADC 通常使用 CMOS 工藝進(jìn)行構建，因為該技術(shù)針對 10-14 位精度采樣速率高達 65 MSPS 或以上的轉換器在功耗與性能方面做了很好的權衡。