高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增強(qiáng)數(shù)字X射線和MRI圖像

數(shù)字 X 射線 （DXR）、磁共振成像 （MRI） 和其他醫(yī)療設(shè)備需要小型、高性能、低功耗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以滿足醫(yī)生、患者和制造商在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中的需求。本文展示了一種高精度、低功耗信號(hào)鏈，可解決多通道應(yīng)用（如數(shù)字X射線）的挑戰(zhàn)，這些應(yīng)用需要多通道的大小信號(hào)測(cè)量，以及過(guò)采樣應(yīng)用（如MRI），需要低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和寬帶寬。AD7960 18位、5 MSPS PulSAR差分ADC集高吞吐速率、低噪聲、高線性度、低功耗和小尺寸于一身，非常適合這些高性能成像應(yīng)用以及其他精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)字 X 射線

當(dāng)X射線在1895年首次被發(fā)現(xiàn)時(shí)，它們是使用膠片或閃爍屏幕檢測(cè)到的。自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，X射線技術(shù)已被用于腫瘤學(xué)，牙科和獸醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)診斷，以及許多其他工業(yè)成像應(yīng)用。數(shù)字X射線用固態(tài)傳感器取代膠片探測(cè)器，包括平板和線掃描探測(cè)器。平板探測(cè)器使用兩種技術(shù)：直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換。通過(guò)直接轉(zhuǎn)換，硒陣列形成電容元件，直接將高頻X射線光子轉(zhuǎn)換為電子電流。通過(guò)間接轉(zhuǎn)換，碘化銫閃爍體首先將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見光，然后硅光電二極管陣列將可見光轉(zhuǎn)換為電子電流。每個(gè)光電二極管代表一個(gè)像素。低噪聲模擬前端將來(lái)自每個(gè)像素的小電流轉(zhuǎn)換為大電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為可由圖像處理器處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。典型的DXR系統(tǒng)（如圖1所示）以高采樣速率將多個(gè)通道多路復(fù)用到單個(gè)ADC中，而不會(huì)犧牲精度。

圖1.數(shù)字 X 射線信號(hào)鏈。

如今，數(shù)字X射線探測(cè)器制造商通常使用間接轉(zhuǎn)換。非晶硅平板探測(cè)器或超過(guò)一百萬(wàn)像素的光電二極管陣列捕獲光子能量，將輸出多路復(fù)用到一二十多個(gè)ADC中。該技術(shù)提供有效的X射線光子吸收和高信噪比，以實(shí)時(shí)獲得動(dòng)態(tài)高分辨率圖像，X射線劑量降低50%。每個(gè)像素的采樣率很低，從骨骼和牙齒的幾赫茲到捕獲嬰兒心臟圖像的最大 120 Hz，這是體內(nèi)最快的器官。

數(shù)字射線照相探測(cè)器的性能是通過(guò)其圖像質(zhì)量來(lái)衡量的，因此X射線束的精確采集和精確處理至關(guān)重要。數(shù)字射線照相的動(dòng)態(tài)范圍更大，采集速度和幀速率快，以及使用特殊圖像處理技術(shù)的均勻性，使其能夠顯示增強(qiáng)的圖像。

醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)必須提供增強(qiáng)的圖像以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的診斷和更短的掃描時(shí)間，以減少患者暴露于X射線劑量。高端射線照相系統(tǒng)（動(dòng)態(tài)采集）通常用于外科中心和手術(shù)室，而基本系統(tǒng)則用于緊急情況、小型醫(yī)院或醫(yī)生辦公室。工業(yè)成像系統(tǒng)必須堅(jiān)固耐用，因?yàn)樗鼈兙哂休^長(zhǎng)的使用壽命，并且在惡劣環(huán)境中會(huì)受到高輻射劑量的影響。安檢或行李檢查應(yīng)用可以使用低 X 射線劑量，因?yàn)?X 射線源長(zhǎng)時(shí)間保持開啟狀態(tài)。

磁共振梯度控制

MRI系統(tǒng)（如圖2所示）最適合腦成像或骨科、血管造影和血管研究，因?yàn)閽呙杩稍谲浗M織上提供高對(duì)比度，而不會(huì)使其暴露于電離輻射。MRI 在 1 MHz 至 100 MHz RF 頻段工作，而計(jì)算機(jī)斷層掃描 （CT） 和 DXR 在 1016 Hz 至 1018 Hz 頻率范圍內(nèi)工作，使患者受到可能損害活組織的電離輻射。

MRI控制系統(tǒng)規(guī)定了嚴(yán)格的公差，因此需要高性能的組件。在MRI系統(tǒng)中，使用大線圈產(chǎn)生1.5 T至3 T的主磁場(chǎng)。向線圈施加高達(dá) 1000 V 的高電壓，以產(chǎn)生高達(dá) 1000 A 的所需電流。MRI 系統(tǒng)使用梯度控制通過(guò)改變特殊線圈中的電流來(lái)線性改變主磁場(chǎng)。這些梯度線圈被快速而精確地調(diào)制，改變主磁場(chǎng)以瞄準(zhǔn)體內(nèi)非常小的位置。梯度控制使用射頻能量為身體組織的薄橫截面提供能量，以生成 x、y 和 z 軸圖像。MRI需要快速響應(yīng)時(shí)間，其梯度精確控制在1 mA（1 ppm）以內(nèi)。MRI系統(tǒng)制造商可以在模擬域或數(shù)字域中控制梯度。MRI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及大量的開發(fā)時(shí)間，巨大的物料清單成本，以及與整體硬件和軟件復(fù)雜性相關(guān)的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

圖2.磁共振成像系統(tǒng)。

高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

圖3顯示了一個(gè)高精度、低噪聲、18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈，具有±0.8 LSB積分非線性（INL）、±0.5 LSB差分非線性（DNL）和99 dB信噪比（SNR）。圖4顯示了使用5 V基準(zhǔn)電壓源的典型FFT和線性度性能。信號(hào)鏈的總功耗約為345 mW，比競(jìng)爭(zhēng)解決方案低約50%。

圖3.采用AD7960、ADA4899、AD8031和ADR4550的精密、快速建立信號(hào)鏈。

圖4.AD7960的典型FFT和線性度性能

這種類型的高速、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于CT、DXR和其他需要更高采樣率而又不犧牲精度的醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。其 18 位線性度和低噪聲可提供增強(qiáng)的圖像質(zhì)量，其 5-MSPS 吞吐量允許更短的掃描周期（每秒更多幀）并減少暴露于 X 射線劑量，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的醫(yī)生診斷和更好的患者體驗(yàn)。多路復(fù)用多個(gè)通道可創(chuàng)建更高分辨率的圖像，用于對(duì)心臟等器官進(jìn)行全面分析，并在最大限度地降低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的診斷。精度、成本、功耗、尺寸、復(fù)雜性和可靠性對(duì)醫(yī)療設(shè)備制造商至關(guān)重要。

在CT掃描儀中，每個(gè)通道使用一個(gè)采樣保持連續(xù)捕獲像素電流，輸出多路復(fù)用到高速ADC。高吞吐速率允許將多個(gè)像素多路復(fù)用到單個(gè)ADC，從而節(jié)省成本、空間和功耗。低噪聲和良好的線性度可提供高質(zhì)量的圖像。高分辨率紅外熱像儀可以從該解決方案中受益。

過(guò)采樣是以遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率的速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程。過(guò)采樣用于光譜、MRI、氣相色譜、血液分析和其他需要寬動(dòng)態(tài)范圍的醫(yī)療儀器，以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和測(cè)量來(lái)自多個(gè)通道的小信號(hào)和大信號(hào)。高分辨率和高精度、低噪聲、快速刷新率和極低的輸出漂移可以顯著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低MRI系統(tǒng)的開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

MRI系統(tǒng)的關(guān)鍵要求之一是在醫(yī)院或醫(yī)生辦公室中長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。為了提高圖像質(zhì)量，這些系統(tǒng)還需要嚴(yán)格的線性度和從直流到幾十千赫茲的高動(dòng)態(tài)范圍（DR）。通常，對(duì)ADC進(jìn)行四倍過(guò)采樣可提供額外的一位分辨率，或DR增加6 dB。由于過(guò)采樣而導(dǎo)致的 DR 改進(jìn)為 ΔDR = log2（OSR） × 3 dB。在許多情況下，過(guò)采樣在Σ-Δ型ADC中實(shí)現(xiàn)得非常好，但是當(dāng)需要在通道之間快速切換和精確直流測(cè)量時(shí)，過(guò)采樣受到限制。使用逐次逼近（SAR）ADC進(jìn)行過(guò)采樣還可以改善抗混疊并降低噪聲。

先進(jìn)的ADC架構(gòu)

CT、DXR 和其他多通道應(yīng)用（或光譜學(xué)、MRI 和其他過(guò)采樣應(yīng)用）中使用的精密高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要最先進(jìn)的 ADC。AD7960 18位、5 MSPS PulSAR差分ADC（如圖5所示）采用容性數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CAPDAC），可提供前所未有的噪聲和線性度，無(wú)延遲或流水線延遲。它提供醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用所需的寬帶寬、高精度（100 dB DR）和快速采樣（200 ns），并顯著降低了多通道應(yīng)用的功耗和成本。該器件采用小型（5 mm × 5 mm）、易于使用的 32 引腳 LFCSP 封裝，額定溫度范圍為 –40°C 至 +85°C 工業(yè)溫度范圍。16位AD7961與AD7960引腳兼容，可在16位性能足夠時(shí)使用。

圖5.AD7960功能框圖

容性DAC（如圖6所示）由差分18位二進(jìn)制加權(quán)電容陣列（也用作采集模擬輸入信號(hào)的采樣電容）、比較器和控制邏輯組成。采集階段完成后，轉(zhuǎn)換控制輸入（CNV±）變?yōu)楦唠娖?，捕獲輸入IN+和IN?之間的差分電壓，轉(zhuǎn)換階段開始。電容陣列的每個(gè)元件在GND和REF之間連續(xù)切換，重新分配電荷，將輸入與DAC值進(jìn)行比較，并根據(jù)結(jié)果保留或丟棄位?？刂七壿嬙诖诉^(guò)程完成時(shí)生成ADC輸出代碼。AD7960在轉(zhuǎn)換開始后約100 ns返回采集模式。采集時(shí)間約為總周期時(shí)間的50%，使AD7960易于驅(qū)動(dòng)，并放寬ADC驅(qū)動(dòng)器所需的建立時(shí)間。

圖6.AD7960簡(jiǎn)化的內(nèi)部原理圖

AD7960系列采用1.8 V和5 V電源供電，在自時(shí)鐘模式下轉(zhuǎn)換時(shí)，5 MSPS時(shí)的功耗僅為39 mW。功耗與采樣速率成線性關(guān)系，如圖7所示。

圖7.AD7960功耗與吞吐速率的關(guān)系

極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態(tài)功耗決定。與業(yè)界速度第二快的18位SAR ADC相比，AD7960的速度是其兩倍，功耗降低70%，占位面積小50%。

AD7960提供三種外部基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)：2.048 V、4.096 V和5 V。片內(nèi)緩沖器使2.048 V基準(zhǔn)電壓加倍，因此轉(zhuǎn)換以4.096 V或5 V為基準(zhǔn)。

數(shù)字接口使用低壓差分信號(hào)（LVDS），提供自時(shí)鐘和回波時(shí)鐘模式，以實(shí)現(xiàn)ADC和主機(jī)處理器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸（高達(dá)300 MHz）。LVDS接口減少了數(shù)字信號(hào)的數(shù)量，簡(jiǎn)化了信號(hào)路由，因?yàn)槎鄠€(gè)器件可以共享一個(gè)公共時(shí)鐘。這也降低了功耗，這在多路復(fù)用應(yīng)用中特別有用。自時(shí)鐘模式簡(jiǎn)化了與主機(jī)處理器的接口，允許使用標(biāo)頭進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)時(shí)，以同步每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。需要報(bào)頭以允許數(shù)字主機(jī)獲取數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)闆]有與數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘輸出?；夭〞r(shí)鐘模式以額外的差分對(duì)為代價(jià)提供可靠的時(shí)序。AD7960在輸出數(shù)據(jù)速率低于20 kSPS時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過(guò)120 dB的典型動(dòng)態(tài)范圍，如圖8所示。

圖8.AD7960動(dòng)態(tài)范圍與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)器

ADC的采集時(shí)間決定了ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間要求。表1顯示了選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)必須考慮的一些規(guī)格。與往常一樣，應(yīng)在工作臺(tái)上驗(yàn)證信號(hào)鏈性能，以確?？蓪?shí)現(xiàn)所需的性能。

表 1.AD7960 ADC驅(qū)動(dòng)器選擇基準(zhǔn)測(cè)試

ADC 驅(qū)動(dòng)器規(guī)格	通式	最低要求
帶寬（ f-3dB_amp)		40兆赫
壓擺率

運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供線性建立和轉(zhuǎn)換時(shí)間的組合建立時(shí)間規(guī)格;給出的公式是一階近似值，假設(shè)線性建立率為50%，回轉(zhuǎn)（多路復(fù)用應(yīng)用）為50%。

ADA4899-1軌到軌放大器具有600 MHz帶寬、–117 dBc失真@ 1 MHz和1 nV/√Hz噪聲，如圖9所示。當(dāng)配置為單位增益緩沖器以5 V差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)AD7960的輸入時(shí)，它在50 ns內(nèi)建立至0.1%。

圖9.ADA4899噪聲頻譜密度

引用和緩沖區(qū)

低噪聲、低功耗AD8031軌到軌放大器緩沖基準(zhǔn)電壓源ADR4550的5 V輸出，具有高精度（最大初始誤差±0.02%）、低漂移（最大2 ppm/°C）、低噪聲（1 μV p-p）和低功耗（最大950 μA）等特性。第二個(gè)AD8031緩沖ADC的2.5 V共模輸出電壓。其低輸出阻抗可保持與ADC輸入電壓無(wú)關(guān)的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓，從而最大限度地降低INL。AD8031在大容性負(fù)載下保持穩(wěn)定，可以驅(qū)動(dòng)去耦電容，以最大限度地減小瞬態(tài)電流引起的尖峰。它非常適合各種應(yīng)用，從寬帶電池供電系統(tǒng)到需要低功耗的高速、高密度系統(tǒng)。

結(jié)論

采用ADI專有技術(shù)的高精度、低功耗信號(hào)鏈可提供前所未有的速度、噪聲和線性度，解決了用于DXR和MRI梯度控制的高性能多路復(fù)用和過(guò)采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難題。高性能信號(hào)鏈組件采用小尺寸封裝，可在多通道應(yīng)用中節(jié)省空間并降低成本。

審核編輯：郭婷