核磁共振成像(MRI)的系統架構
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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。
針對無(wú)線(xiàn)基礎設施所做的數據轉換器改進(jìn)同樣能簡(jiǎn)化這項工作。蜂窩基站對更好的噪聲與失真性能的需求，推動(dòng)了能夠實(shí)現高中頻(IF)頻率采樣的高性能16位ADC的發(fā)展，而這正好也符合MRI的需求，在主流的1.5 T及3 T系統中，信號的中心頻率約為64MHz和128MHz。反觀(guān)傳統的MRI系統通常會(huì )牽涉到這樣一個(gè)問(wèn)題，就是在轉換至數字域，供進(jìn)一步處理之前，必須先在模擬域中下變頻至低中頻，如圖2a所示。新一代ADC的出現使這種轉換過(guò)程得以省去，進(jìn)而縮小總體解決方案，如圖2b所示。這至少能部分滿(mǎn)足對縮小尺寸的需求，從而適合更小尺寸應用。
如同任何其他的設計問(wèn)題一樣，在運用新ADC技術(shù)的優(yōu)勢時(shí)，也需要加以權衡。由于MRI掃描儀中的RF信號電平較低，因此信噪比(SNR)是ADC的一項關(guān)鍵特性規格。在開(kāi)發(fā)突破性產(chǎn)品時(shí)，信噪比也是一項重要的目標特性規格。研發(fā)新功能時(shí)，諸如功耗之類(lèi)的規格常常退居其次，后來(lái)的新一代ADC可以通過(guò)對主要規格的性能，例如信噪比做些讓步來(lái)實(shí)現這些次要規格。最后，隨著(zhù)技術(shù)日益成熟，在第一代中達成的突破性功能，也可以在維持低功耗(或是其他次要規格)的情況下實(shí)現。因此，MRI系統設計廠(chǎng)商可以選擇和權衡不同ADC的強項及弱點(diǎn)，找出最符合其系統目標的ADC。
提高個(gè)別器件的性能，并不是蓬勃發(fā)展的IC技術(shù)助力實(shí)現更緊湊MRI接收架構的唯一方法，更高集成度也是受通信行業(yè)推動(dòng)而發(fā)展。隨著(zhù)采用模擬下變頻轉換的架構逐漸被直接采樣架構所取代，此功能也正轉換到數字領(lǐng)域，通常成為FPGA的一部分。信號被分成I與Q兩個(gè)分量，并且利用正交數控振蕩器(NCO)轉換至基帶，然后進(jìn)行過(guò)濾;接著(zhù)，此信號會(huì )傳送到系統處理器中，此時(shí)可應用更為全面的信號處理技術(shù)。
圖3 集合數模轉換器和數字下變頻功能的單芯片
這種分隔式方案可以很好地運作，然而，對于試圖使接收機解決方案尺寸最小化的設計廠(chǎng)商而言，具有更高集成度的解決方案會(huì )有所助益。舉例來(lái)說(shuō)，高性能標準器件將模數轉換功能與針對多通道的數字下變頻功能結合到單芯片中(見(jiàn)圖3)，這些器件可省去介于A(yíng)DC與FPGA之間的高速鏈路開(kāi)發(fā)需求，進(jìn)而簡(jiǎn)化設計工作。片內數字下變頻器非常靈活，能夠適應不同的系統，若將此功能從FPGA上移轉出來(lái)，便可實(shí)現更小、更簡(jiǎn)單的FPGA設計，以節省更多空間或成本。
為滿(mǎn)足通信基礎設施需求所做的RF器件改進(jìn)，不僅對MRI掃描儀的接收端有幫助。DAC技術(shù)的改進(jìn)，特別是直接數字頻率合成(DDS)方面的改進(jìn)，亦可簡(jiǎn)化掃描時(shí)脈沖生成的設計工作。對于任何可能在未來(lái)使用到的場(chǎng)強，這些器件具有足堪勝任的速度。如同集成DDC能夠從FPGA上將任務(wù)移轉出來(lái)一樣，DDS元件也能夠在發(fā)射端執行相同的工作，配置為正交數字上變頻器(QDUC)的DDS具有足夠的靈活性來(lái)產(chǎn)生所需的脈沖。另外還有一項能夠簡(jiǎn)化FPGA設計的特性，就是脈沖可以存儲在片上存儲器中，等到需要時(shí)再回放。
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