醫學(xué)數字成像的挑戰和最新動(dòng)態(tài)

21 世紀數字成像技術(shù)的出現給我們帶來(lái)優(yōu)異的診斷功能、圖像存檔以及隨時(shí)隨地的檢索功能。自20世紀70年代早期醫學(xué)成像數字技術(shù)出現以來(lái)，數字成像的重要性得以日益彰顯。半導體器件中混合信號設計能力方面的一些新進(jìn)展，讓成像系統實(shí)現了史無(wú)前例的電子封裝密度，從而帶來(lái)醫學(xué)成像的巨大發(fā)展。同時(shí)，嵌入式處理器極大地提高了醫療圖像處理和實(shí)時(shí)圖像顯示的能力，從而實(shí)現了更迅速、更準確的診斷。這些技術(shù)的融合以及許多新興的電子健康記錄標準為更為完善的病人護理提供了發(fā)展動(dòng)力。

本文將介紹不同成像方法電子設計存在的諸多挑戰和一些最新動(dòng)態(tài)，具體包括數字X射線(xiàn)、磁共振成像(MRI)和超聲波系統。

數字X射線(xiàn)系統

傳統的X射線(xiàn)系統使用一種膠片/屏幕裝置來(lái)檢測發(fā)射到人身體的X射線(xiàn)。然而，探測器系統中的數字X射線(xiàn)信號鏈包含一個(gè)照片探測器陣列，該探測器陣列將輻射轉換成電荷。其后面是一些電荷積分器電路和模數轉換器(ADC)電路，以數字化輸入。圖1顯示了一個(gè)典型數字X射線(xiàn)系統結構圖的例子。

圖 1 數字X射線(xiàn)系統結構圖示例

數字X射線(xiàn)系統性能與積分器和ADC模塊的噪聲性能密切相關(guān)。為了在低功耗條件下獲得更高的圖像質(zhì)量，某個(gè)系統中支持大量信號通道所需的電子集成程度為技術(shù)的創(chuàng )新設定了一定的標準。正是由于組成探測器系統的許多高性能模擬組件以及執行高級圖像處理任務(wù)的嵌入式處理器，X射線(xiàn)系統才擁有了許多相對于傳統X射線(xiàn)系統的優(yōu)勢。這種組合支持更大的動(dòng)態(tài)范圍，從而可以獲得更好的圖像對比度和更低的患者X射線(xiàn)輻射水平，同時(shí)產(chǎn)生可電子存儲和傳輸的數字圖像。

超聲波系統

超聲波系統的接收通道信號鏈包括低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、低通濾波器(LPF)和高速高精度ADC。緊跟在這些組件后面的是數字波束生成、圖像和多普勒處理以及其他信號處理軟件(圖 2)。

圖 2 超聲波系統結構圖示例

信號鏈組件的噪聲和帶寬特性定義了系統的總性能上限。另外，在耗散更低系統功率的同時(shí)，需要在更小的區域內集成更多的高性能通道。典型的手持式超聲波系統可能具有約16到32條通道，而一些高端系統可能會(huì )有128條以上的通道，以獲得更高的圖像質(zhì)量。要減少占用全部這些陣列通道的印制電路板(PCB)，重點(diǎn)是在模擬前端IC中集成盡可能多的通道?？傁到y功耗是手持式系統的另一個(gè)重要性能指標。直接將接收端電子器件集成到了探針中是創(chuàng )新的另一個(gè)方面。

這樣做有助于縮短探針中低壓模擬信號源與LNAs之間的距離，從而減少信號的損耗。集成會(huì )進(jìn)一步增加探針件數目，從而增強3D成像。除了這些模擬信號鏈考慮因素以外，高性能、低功耗嵌入式處理器還能夠比以前更快速、高效地完成便攜式設備的波束生成和圖像處理任務(wù)。

MRI

如欲了解典型MRI 通道模擬信號處理鏈的例子，請參見(jiàn)圖3。

圖 3 MRI 系統結構圖示例

全身 MRI 系統可能有一個(gè)多達76個(gè)元件或通道的線(xiàn)圈矩陣。另外，低壓(LV)模擬輸入沿長(cháng)同軸線(xiàn)纜從肢體線(xiàn)圈傳輸至模擬信號鏈前置放大器。當談到MRI接收信號鏈時(shí)，兩個(gè)關(guān)鍵隨之出現：如何獲得高信噪比(SNR)(至少約84dB或14位);如何實(shí)現總系統的極高總動(dòng)態(tài)范圍(至少150dB/Hz左右)。獲得高SNR要求一個(gè)超低噪聲系數的高性能前置放大器。使用如動(dòng)態(tài)增益調節或模擬輸入壓縮等創(chuàng )新方案可以達到高動(dòng)態(tài)范圍要求。

總之，通過(guò)增加MRI系統中所用線(xiàn)圈數，既可以獲得更好的圖像范圍，也可以縮短圖像掃描時(shí)間。線(xiàn)圈數的增加可能會(huì )要求對線(xiàn)圈和前置放大器之間的信號通信進(jìn)一步優(yōu)化，而使用高速數字或光鏈路時(shí)則要求主系統進(jìn)一步優(yōu)化。另外，高集成度會(huì )導致不同于目前的系統劃分，這可能會(huì )將電子器件更靠近于線(xiàn)圈。就這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，可能要求半導體IC非磁性封裝，并符合更加嚴格的功耗和面積規定。以上要求成功的實(shí)現能使輸入信號衰減降低，從而獲得更高品質(zhì)的醫學(xué)圖像。

總結

數字成像是當今醫學(xué)行業(yè)中最為活躍的技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域之一。IC模擬/混合信號功能以及各種嵌入式處理所取得的巨大進(jìn)步正不斷推動(dòng)其發(fā)展。這些技術(shù)的出現提高了成像系統的性能，同時(shí)也極大地提高了為患者提供診斷和醫療護理服務(wù)的質(zhì)量。