利用高速信號鏈提高醫學(xué)成像質(zhì)量的研究

就數據轉換器而言，醫療產(chǎn)業(yè)是一個(gè)不斷增長(cháng)市場(chǎng)。在將溫度、圖像和聲音轉換成患者監控和診斷過(guò)程中處理和使用的數字信息時(shí)，我們就必須要使用高速數據轉換器。特別是對于 10 比特及更精度的設備來(lái)說(shuō)，醫療成像設備呈現出一個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)機遇。三個(gè)主要細分市場(chǎng)包括超聲波、磁共振成像 (MRI)，計算機斷層掃描術(shù) (CT)，以及正電子放射斷層掃描術(shù) (PET)。技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)了更快、更高精度的成像，以及更高的患者安全性。

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)商還必須提高其系統標準，包括特定電子組件的尺寸、功耗以及成本。系統某一方面的性能提升也許會(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，就更不要說(shuō)額外增加多個(gè)芯片的更多成本了。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 的功耗及更小的尺寸。

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從而將傳感器的小信號響應傳送并轉換成“1”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)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)現與末級（即模數轉換器 (ADC)）輸入范圍的最佳匹配。

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)，以匹配 ADC 的滿(mǎn)量程輸入并最大化信噪比 (SNR)。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 到 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。

集成：更多信號鏈、空間更小、功耗更低

一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來(lái)越多的模擬有源器件集成在一個(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，與分立解決方案相比最終將芯片數量減少了三分之一。另外，當前的諸多設計都在單個(gè)芯片中集成了多個(gè) VGA 通道，從而使設計更先進(jìn)一步。TI 的新型 VCA8500 便是一個(gè)極好例子，在采用了 64 引腳 QFN 封裝的單個(gè) IC 中就集成了 8 個(gè)VGA 通道。通過(guò)緊挨 PGA 集成一個(gè)低通抗混淆濾波器，實(shí)現了無(wú)需額外無(wú)源或有源外部組件的情況下 VGA 輸出可以直接進(jìn)入 ADC 的輸入，從而節省更多的板級空間。利用這種方法，該器件領(lǐng)先于其他同類(lèi)產(chǎn)品。請注意，在圖 1 中，如連續波 (CW) 開(kāi)關(guān)矩陣和鉗位電路等醫療成像系統所特有的其他功能模塊也都集成到了該器件中。

圖 1 VCA8500的功能模塊圖

在一個(gè)器件中集成多個(gè)通道除具有體積優(yōu)勢以外，還擁有一些其他的好處。隨著(zhù)單個(gè)芯片中集成的有源和無(wú)源組件越來(lái)越多，功耗也同時(shí)得到降低。一般而言，所有組件的設計目的都是為了取得作為獨立實(shí)體的自身功耗和性能平衡。為此，盡管它們的設計可能是為了互相配合工作，但是就系統而言，每一個(gè)組件的性能可能會(huì )高于需求。因此，當一起工作時(shí)，每一個(gè)組件往往都會(huì )改變功耗和性能平衡，讓系統性能過(guò)高，帶來(lái)過(guò)高的功耗。但是，在一個(gè)器件中集成多個(gè)級時(shí)，情況卻并非如此。當設計多級 IC 時(shí)，設計人員可以對功耗進(jìn)行分配，以便最為有效地滿(mǎn)足設計要求，從而浪費極少的模塊功耗。更新的 VGA 便是一個(gè)較好的例子。由于低噪聲是超聲波成像系統的關(guān)鍵，因此 LNA 功能是 VGA 設計的關(guān)鍵。其輸入噪聲決定系統的最小可達到噪聲系數，而其增益又直接影響來(lái)自后面各級的噪聲數量，從而影響最終的噪聲系數（NF）。通過(guò)平衡和微調 LNA 級的功耗和性能關(guān)系，我們可以在提高 VGA 性能的同時(shí)獲得低功耗設計。圖 2 對此進(jìn)行了較好描述。以前的多通道 VGA 通常依靠一條趨勢線(xiàn)來(lái)平衡功耗和輸入參考噪聲。如果 1.2 輸入等效噪聲充分，則您可以使用一個(gè)每條通道僅消耗 75mW 的設計?；蛘?，如果每條通道消耗 150mW 沒(méi)有超過(guò)您的功耗預算，則您會(huì )擁有0.7 的輸入等效噪聲。但是，由于有較高效的低噪聲雙極結式晶體管 (BJT)，因此 VCA8500 代 VGA 已能夠對前端設計進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得僅為 63m /信道的 0.8 輸入等效噪聲，較好地控制在前代趨勢線(xiàn)中。這讓高性能成像系統能夠使用更少的功耗，變得更小巧、更便攜。

圖 2 選定 VGA 的噪聲系數和性能對比關(guān)系

降低功耗

其他 ADC 部分也經(jīng)歷了同放大器類(lèi)似的集成。目前的許多設計都擁有 8 條高速 ADC 通道以匹配 8 通道 VGA，并且具有 10 到 14 比特的精度和每秒 40 到 65 兆的采樣速率 (MSPS)。通過(guò)集成諸如雙數據速率低壓差分信號擺動(dòng) (DDR LVDS) 等輸出標準，這些八通道 ADC 還減少了每個(gè) ADC 的輸出引腳數目，從而讓其可以適合于小尺寸封裝。另外，串行化的數據格式減少了 ADC 和數字處理引擎之間的 I/O 線(xiàn)跡數量，當想要使用多個(gè) 8 通道 ADC 布局電路板時(shí)其為一種極為重要的特性。例如，8 個(gè) 12比特 ADC 會(huì )要求 96 個(gè)引腳和線(xiàn)跡以并行 CMOS 格式輸出其數據。但是，如果每個(gè) ADC 均使用一個(gè)串行化 LVDS 對，則只需 20 個(gè)引腳和線(xiàn)跡，ADC 使用 8個(gè)LVDS對，而幀和比特時(shí)鐘則使用一對。

正如 VGA 一樣，在典型的醫療成像應用中 ADC 也在沒(méi)有影響其性能的情況下極大地降低了功耗。由于醫療成像應用帶來(lái)的噪聲和線(xiàn)性要求，高效放大器級通常為一些使用低噪聲 BJT 的嵌入工藝，例如：硅鍺 (SiGe) 工藝。這些工藝在 DC 到 20 MHz 一般響應頻率下具有優(yōu)異的低噪聲、低功耗和高線(xiàn)性平衡性能。恰恰相反，醫療成像所需典型采樣率的高速 ADC 一般使用 CMOS 工藝來(lái)制造，因為 65 MSPS 及以上的 10 到 14 比特精度轉換器條件下這種技術(shù)具有較好的功耗和性能平衡性。

由于 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步，功耗特性和 ADC 體積均已得到極大減少，并且沒(méi)有影響其噪聲和失真性能。ADS5281 便是一個(gè)極好的例子。相比以前的八通道設計，這種新型 ADC 將功耗降低了 50%，體積也減小了約 60%，同時(shí)維持 70 dB SNR的 12 比特精度。通過(guò)讓設計能夠動(dòng)態(tài)地利用采樣速率調節功耗，基于 CMOS 的ADC 還提供了另一種層面的節能。就 CMOS 工藝管線(xiàn) ADC 而言，由于采樣速率的降低，ADC 內核和數據輸出模塊的功耗需求更低。低功耗 ADC 便利用這一點(diǎn)，并能根據 IC 的采樣時(shí)鐘輸入調節其功耗要求。圖 3 說(shuō)明了 ADS5281/82 如何通過(guò)采樣速率進(jìn)行調節。在 65 MSPS 的高端，ADC 每通道消耗 77 mW，但是 在 20 MSPS 低數據速率時(shí)，它僅消耗 43mW（即降低 45%）功耗。通過(guò)讓 ADC 能夠切換至節能模式便可以在系統中利用這個(gè)特性，此時(shí) ADC 仍然能夠轉換有限的模擬信號，并將它們傳送至數字處理引擎。

圖 3 ADS5281/82 中通過(guò)采樣速率調節功耗

輸入頻率 (IF) 方面 ADC 性能的提高已經(jīng)考慮到 MRI 的全新系統架構。MRI 設備的主磁產(chǎn)生一種窄帶 IF，其存在于 30 – 140 MHz 范圍內，有賴(lài)于主磁場(chǎng)的強度大小。傳統架構將 IF 混頻至 DC 附近，此時(shí)它可以由一個(gè)高精度 ?∑ ADC 進(jìn)行采樣?，F在，更新型的 14 比特和 16 比特 ADC 均可以輕松地在該范圍內采樣，并維持高性能，即便它們在高 IF 范圍中低采樣信號的情況下也是如此。利用數字抽取和降頻轉換，這些 ADC 可以獲得同使用傳統架構時(shí)類(lèi)似的 SNR，從而在提高成像性能的同時(shí)節省板級空間和模擬混頻元件的成本。

由于組成電子元件的這些改進(jìn)，MRI、超聲波和 PET 成像系統不斷完善。這些新型醫療成像信號鏈改進(jìn)的結果是，可以將系統制造得更小巧、更低功耗，或者能夠在不增加體積和功耗的情況下提高其成像性能，或者可以?xún)烧呒娴?。最終，可能不再要求廣大患者到醫院或診所進(jìn)行病情診斷。將來(lái)有一天，高品質(zhì)的診斷成像設備可能會(huì )直接來(lái)到他們的面前。

總結

TI 完整信號鏈的所有系列半導體器件和解決方案將幫助用戶(hù)進(jìn)行設計，以應對不斷增加的醫療挑戰DD老齡化人口、不斷上升的成本以及新興經(jīng)濟體的高需求。從構建模塊到整套解決方案，TI　的產(chǎn)品、用戶(hù)技術(shù)支持和應用知識都讓設計人員更加輕松地在各種醫療應用中實(shí)施醫療設計創(chuàng )新，例如：醫療成像、消費類(lèi)醫療設備、醫療儀器，以及診斷、患者監控和治療。我們正同廣大的用戶(hù)一起開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的解決方案，以滿(mǎn)足各種產(chǎn)品尺寸的需要，從而使醫療保健變得更簡(jiǎn)便、更低成本和更便攜。

作者簡(jiǎn)介

Charles (Chuck) Sanna 現任德克薩斯州達拉斯 TI 高速模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他畢業(yè)于美國西北大學(xué) (Northwestern University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)-達拉斯分校 (The University of Texas at Dallas)，獲電子工程碩士學(xué)位。在閑暇時(shí)間，Chuck 喜歡看足球比賽。

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