基于高速信號鏈提高醫學(xué)成像質(zhì)量的設計研究

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，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、更低的功耗及更小的尺寸。

1 醫學(xué)成像接收鏈的組成元件

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一個(gè) fit (one fit) 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(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)。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，僅接受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。

2 高集成度： 數量更多，尺寸更小

一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來(lái)越多的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)典型的超聲波接受鏈而言，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，如 TI 推出的VCA8617 器件在其每個(gè)芯片中都擁有多達 8 個(gè) VGA 通道。通過(guò)器件的集成，系統設計人員可以?xún)?yōu)化其設計，從而在功耗與性能之間做出權衡。VCA8613 為一款類(lèi)似的器件，相對于 105 mW 而言，該器件的功耗僅為 75 mW，但是卻出現了較高的噪聲（1.2 nV / Hz 與 1.0 nV / Hz 相比較而言）。

3 更低的功耗以及更高的性能

和放大器一樣，對 ADC 的其他部分也進(jìn)行了類(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) ADC 通道。同時(shí)，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，放大級通常為諸如鍺-硅之類(lèi)的內置工藝。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，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 位精度轉換器在功耗與性能方面做了很好的權衡。

由于 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步，ADC 的功耗特性與外形尺寸已大大降低，但是其性能卻大大提高。與以前的 ADC 相比，ADS5271 的 ADC 通道增加了四倍，信噪比 (SNR) 提高了5.5dB。通過(guò)進(jìn)一步提高通道密度，新一代 ADC 將每個(gè)通道的功耗和板級空間降低了66%。另外，輸入頻率 (IF) 的 ADC 性能提高已實(shí)現了 MRI 的全新系統架構。MRI 機器主磁體的窄帶 IF 范圍為 30 至 140 MHz。傳統架構將 IF 向下混合接近 DC，在此可以使用一個(gè)高精度ADC 對輸入頻率進(jìn)行采樣?，F在，新一代 14 和 16 位 ADC 可在此范圍內對 IF 進(jìn)行輕松采樣。憑借數字抽取技術(shù)，這些 ADC 可實(shí)現與使用傳統架構所實(shí)現的相似的信噪比 (SNR)，從而在提高成像性能的同時(shí)節省了板級空間。

隨著(zhù)成像技術(shù)在醫學(xué)應用中更加廣泛的使用，設備廠(chǎng)商將不斷設計推出成像質(zhì)量更佳的新型系統。為了幫助設備廠(chǎng)商追求卓越的成像效果，領(lǐng)先的半導體公司將不斷研究、開(kāi)發(fā)和推出其所需的技術(shù)，以滿(mǎn)足高品質(zhì)成像產(chǎn)品的需求，這些產(chǎn)品的外形尺寸將更加小巧、功耗更低。