用先進(jìn)的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器改善醫(yī)療成像質(zhì)量

　　傳統(tǒng)模擬 X 射線成像系統(tǒng)以專(zhuān)門(mén)的感光膠片為介質(zhì)，將通過(guò)的 X 射線轉(zhuǎn)變成可視圖像。為了完成這一任務(wù)，該膠片必須經(jīng)過(guò)一種化學(xué)顯影過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可能需要幾分鐘，因此推遲了開(kāi)始對(duì)病人進(jìn)行治療的時(shí)間。此外，顯影過(guò)程完成以后，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于 X 射線曝光不正確，該圖像需要重新攝取。膠片處理完成后，必須派人送給主治醫(yī)生，然后儲(chǔ)存在患者的醫(yī)療檔案里，在醫(yī)院里，患者的醫(yī)療檔案有可能占用大量的儲(chǔ)藏柜。此外，顯影過(guò)程中使用的化學(xué)制劑使用壽命有限，必須仔細(xì)儲(chǔ)存，而且一旦超過(guò)壽命期，就必須銷(xiāo)毀。如果采用直接 X 射線攝影 （Direct Radiography – DR），所有這些挑戰(zhàn)都沒(méi)有了。直接 X 射線攝影是一種數(shù)字 X 射線成像技術(shù)，正得到越來(lái)越多的采用。

　　隨著初始擁有成本的下降以及優(yōu)勢(shì)日趨明顯，傳統(tǒng) X 射線成像向直接 X 射線攝影遷移的勢(shì)頭不斷增強(qiáng)。采用直接 X 射線攝影時(shí)，給患者拍照幾秒鐘后，就可得到 X 射線圖像，而且該圖像可以立即發(fā)送到全球各地，以向任何一個(gè)地方的醫(yī)學(xué)專(zhuān)家咨詢(xún)?；颊叩?X 射線圖像是數(shù)字形式的，可以在小型硬盤(pán)上歸檔和檢索，而無(wú)需大型文件柜。流行的直接 X 射線攝影方法采用平板檢測(cè)器板來(lái)獲取經(jīng)過(guò)的 X 射線。該平板檢測(cè)器無(wú)需移動(dòng)或手工挪動(dòng)，就可顯示不同的拍照角度，以拍出多種圖像，而且傳感器-圖像尺寸比為 1：1。較新的平板 X 射線檢測(cè)器能以無(wú)線方式向控制單元發(fā)送圖像，以供查看、歸檔和分發(fā)。有了平板檢測(cè)器，就不必再購(gòu)買(mǎi)、儲(chǔ)存或銷(xiāo)毀與處理膠片有關(guān)的化學(xué)制劑了。也許最重要的是，歐洲的兩項(xiàng)研究表明，存檔一幅與模擬照相記錄膠片質(zhì)量相當(dāng)?shù)?DR 圖像所需的 X 射線劑量將減低 30% 到 70%。有些平板設(shè)計(jì)可將照射率實(shí)時(shí)地傳遞至 X 射線源，從而確保正確曝光的圖像和極低的輻射劑量。較低的 X 射線劑量可改善患者及附近醫(yī)療保健專(zhuān)業(yè)人員的安全境況，他們可能隨后會(huì)遇到四散的 X 射線粒子。

　　為了產(chǎn)生圖像，許多直接 X 射線攝影系統(tǒng)采用了全幀平板探測(cè)器，這種探測(cè)器由覆蓋了一個(gè)閃爍層的 CMOS 傳感器構(gòu)成。這個(gè)閃爍層將入射的 X 射線的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變成硅材料能更好地吸收的波長(zhǎng)。CMOS 傳感器由于制造工藝的原因而常常受到青睞，這類(lèi)傳感器與混合信號(hào)及邏輯架構(gòu)是兼容的，因而有助于形成集成度更高的解決方案。200mm 和 300mm 硅晶片制造技術(shù)的改進(jìn)進(jìn)一步促進(jìn)了向直接 X 射線攝影轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。較大的晶片使更少的 CMOS 傳感器模塊能結(jié)合在一起，從而使得所形成的 X 射線平板傳感器與 35cm x 43cm （14 英寸 x 17 英寸） 1.5cm 厚 ISO 標(biāo)準(zhǔn) X 射線膠片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的醫(yī)院都使用這類(lèi)膠片暗匣。毫不奇怪，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品的圖像質(zhì)量、外形尺寸、人員安全和工作壽命產(chǎn)生了直接影響，起到了重要的作用。不過(guò)，這種起到重要作用的硬件設(shè)計(jì)中包括電源管理組件嗎？

　　與電子噪聲的艱苦斗爭(zhēng)

　　為了讓直接 X 射線攝影實(shí)現(xiàn)全部潛在優(yōu)勢(shì)，必須關(guān)注電子噪聲、熱量和尺寸問(wèn)題。必須保持高信噪比 （SNR），同時(shí)降低加到患者身上的 X 射線劑量也是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。盡管傳感器本身的噪聲性能獲得了極大關(guān)注，但是電源注入的噪聲也值得仔細(xì)考慮。

　　電源架構(gòu)對(duì)信噪比性能有直接影響。電源軌上的電壓紋波被饋送到圖像傳感器，而且 A/D 轉(zhuǎn)換器可能將噪聲注入到圖像中。X 射線 CMOS 傳感器制造商們聲稱(chēng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 14 位甚至 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換，從而可支持很寬的對(duì)比度范圍，進(jìn)而產(chǎn)生非常詳細(xì)的圖像。使問(wèn)題更加復(fù)雜的是圖像傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器和 / 或儀表放大器要正常工作，除了需要一個(gè)穩(wěn)定的正電壓，常常還需要一個(gè)穩(wěn)壓的 -3.3V 至 -7V 負(fù)電壓軌。此外，電池組或 AC/DC 電源可能僅提供一個(gè)未調(diào)節(jié)的正電壓。因此，中間的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須具有低輸出紋波性能 （幾十 mV）、高工作效率和低的自發(fā)熱量。

　　為了患者的舒適度和便利性，很多新的 X 射線成像單元 （包括傳感器平板） 都是移動(dòng)的。傳感器平板的電源常常選擇標(biāo)稱(chēng)電壓為 12V 的可再充電電池。為了充電一次就可拍攝并傳送數(shù)百個(gè)圖像，需要較高的工作效率，這促使人們使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。不幸的是，開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器是一種電磁干擾 （EMI） 輻射源，這增加了系統(tǒng)的噪聲水平。此外，為幫助醫(yī)務(wù)人員與患者之間保持一個(gè)安全的邊界，某些 X 射線傳感器面板擁有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力。較高的 EMI 水平有可能導(dǎo)致所拍攝的圖像失真，和 / 或干擾向用戶(hù)終端的無(wú)線數(shù)據(jù)傳送。也許更麻煩的是，EMI 輻射水平有可能超出政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)所允許的值，從而使醫(yī)療產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)入市場(chǎng)，本文稍后討論這個(gè)問(wèn)題。

　　要求較高的工作效率還有第二個(gè)目的，即努力保持高信噪比 （SNR）。CMOS 傳感器內(nèi)部的暗電流會(huì)隨溫度的上升呈指數(shù)性增加。暗電流是由電荷移動(dòng)形成的，在 X 射線曝光之前就存在了。根據(jù)一家 X 射線 CMOS 傳感器制造商的說(shuō)法，溫度每上升 8°C，暗電流就大約增大一倍。盡管后期處理可以從圖像中去掉一些暗電流假影，但是較高的工作溫度以及反復(fù)進(jìn)行的 X 射線曝光所累積的損傷加速增大了暗電流。最終，暗電流將淹沒(méi)入射 X 射線粒子在傳感器上沉積的電荷，這時(shí)候，平板檢測(cè)器就必須更換了。此外，因?yàn)獒t(yī)療設(shè)備常常接觸人體組織，所以如果對(duì)散熱不加以控制，那么除了會(huì)縮短設(shè)備的工作壽命，還有可能導(dǎo)致患者不舒服或燙傷。

　　與熱量的斗爭(zhēng)

　　正如之前提到的那樣，較高的工作溫度降低了 CMOS 傳感器的信噪比性能，并縮短了這類(lèi)傳感器的壽命。此外，較高的工作溫度還造成了患者的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保持卓越的圖像分辨率，X 射線平板檢測(cè)器會(huì)與患者的身體直接接觸。當(dāng)溫度達(dá)到 40°C （100°F） 時(shí)，人的皮膚就開(kāi)始受到灼傷。因此，有可能與人的皮膚接觸之任何醫(yī)療設(shè)備的外部都必須保持低于這個(gè)溫度限制。所以，高工作效率以及能將在大面積上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，對(duì)很多方面都是至關(guān)重要的，例如對(duì)傳感器壽命、圖像清晰度和患者安全等。

　　保持緊湊的外形尺寸

　　從外科手術(shù)系統(tǒng)附件到手持式檢查工具，新一代醫(yī)療設(shè)備的復(fù)雜性越來(lái)越高，而裝入這么多組件以支持更多功能的可用空間卻沒(méi)有相應(yīng)增大。就平板 X 射線探測(cè)器而言，現(xiàn)有的醫(yī)院基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)配置了一個(gè)被稱(chēng)為“濾線柵插槽”的固定尺寸插槽，而原先這個(gè)地方是用來(lái)擺放模擬 X 射線膠片暗匣的。這些膠片暗匣一般遵循 ISO4090 指導(dǎo)原則，可以有 46cm x 38.6cm x 1.5cm 的外部尺寸，所允許的 X 射線圖像尺寸為 43cm x 35cm （14 英寸 x 17 英寸）。電源管理解決方案必須緊湊和高效，才能符合這么受限的尺寸要求，并最大限度地減少工作溫度的上升。

　　監(jiān)管法規(guī)

　　作為美國(guó)和歐洲監(jiān)管要求的一部分，醫(yī)療設(shè)備必須證明符合 CISPR11 （又稱(chēng)為 EN55011） 法規(guī)。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輻射電磁場(chǎng)，所以設(shè)計(jì)師必須全面了解開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器對(duì) EMI 兼容性的影響，或者必須選擇一種經(jīng)過(guò)測(cè)試、滿(mǎn)足制造商 EMI 輻射限制的電源解決方案。否則，為了實(shí)現(xiàn)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的符合性，有可能需要進(jìn)行量大費(fèi)時(shí)的產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)工作。對(duì)打算用于辦公樓的醫(yī)療設(shè)備規(guī)定了最為嚴(yán)格的輻射 EMI 限值，Group1 – Class B 設(shè)備的輻射限值等同于針對(duì)辦公樓及家庭用信息技術(shù)設(shè)備所規(guī)定的 EN55022 Class B （CISPR22 Class B） 限值。

　　較長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命

　　對(duì)醫(yī)療設(shè)備而言，證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對(duì)于 X 射線平板傳感器來(lái)說(shuō)，必須一次就正確獲得圖像，否則患者和醫(yī)護(hù)人員就會(huì)令人遺憾地再次面對(duì)輻射。最低限度，也會(huì)因診斷延遲而導(dǎo)致治療延遲，按照現(xiàn)代醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，這種情況是不可接受的。

　　另一個(gè)需要考慮的因素是：選定電子組件的供貨時(shí)間能延續(xù)多久？ 經(jīng)歷了 CE、UL、IEC 和 FDA 等機(jī)構(gòu)漫長(zhǎng)的監(jiān)管審批程序并獲得認(rèn)證之后，每種醫(yī)療電子設(shè)備都應(yīng)能長(zhǎng)期制造 － 達(dá) 15 年以上。這一時(shí)間長(zhǎng)度比消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的周期長(zhǎng)得多，而消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)是很多電源管理半導(dǎo)體廠商的主要市場(chǎng)。僅由于組件淘汰而對(duì)產(chǎn)品重新進(jìn)行鑒定，對(duì)于工程資源和公司收益都是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。