用于醫(yī)療成像系統(tǒng)的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

作者：Anton Patyuchenko

Wilhelm Conrad R?tgen于1895年發(fā)現(xiàn)了X射線，讓他獲得了第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也為醫(yī)療成像領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。自那以后，X射線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門廣泛的科學(xué)學(xué)科，從最廣泛的意義上說，它是指眾多用于人體內(nèi)部的無創(chuàng)可視化技術(shù)。

本文討論一些主要的現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)，這些系統(tǒng)雖然運(yùn)用完全不同的物理原理和處理技術(shù)，但都有一個(gè)共同點(diǎn)：采用模擬數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并將原始成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。

這個(gè)微小的前端功能模塊雖然深藏于復(fù)雜機(jī)器內(nèi)部，但其性能卻會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的最終圖像質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它的信號(hào)鏈包括一個(gè)檢測(cè)元件、一個(gè)低噪聲放大器(LNA)、一個(gè)濾波器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，而后者為本文討論的主題。

在醫(yī)療成像領(lǐng)域的電子設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲要求帶來了最嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文討論在不同成像模式環(huán)境中的這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并概述了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳工作性能的高級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和集成解決方案。

數(shù)字射線照相

數(shù)字射線照相(DR)的物理原理與所有傳統(tǒng)的吸收式射線照相系統(tǒng)相同。穿過人體的X射線經(jīng)過具有不同射線穿透性的人體組織衰減并投射在平板探測(cè)器系統(tǒng)上，其原理如圖1所示。探測(cè)器將X射線光子轉(zhuǎn)換為與入射粒子能量成正比的電荷。生成的電信號(hào)經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換到數(shù)字域中，以產(chǎn)生X射線圖像的精確數(shù)字表示。其圖像質(zhì)量取決于空間與強(qiáng)度維度中的信號(hào)采樣。

在空間維度中，最小采樣速率由探測(cè)器的像素矩陣大小和實(shí)時(shí)熒光透視成像的更新速率定義。具有數(shù)百萬像素和典型更新速率高達(dá)25 fps至30 fps的平板探測(cè)器采用通道多路復(fù)用和多個(gè)ADC，采樣速率高達(dá)數(shù)十MSPS，可在不犧牲精度的情況下滿足最短轉(zhuǎn)換時(shí)間要求。

在強(qiáng)度維度中，ADC的數(shù)字輸出信號(hào)代表在特定曝光時(shí)間內(nèi)給定像素所吸收的X射線光子的積分量。該值被分組為由ADC的位深度定義的離散電平的有限數(shù)值。另一個(gè)重要參數(shù)是信噪比(SNR)，它定義了系統(tǒng)忠實(shí)地表示成像人體的解剖學(xué)特征的內(nèi)在能力。數(shù)字X射線系統(tǒng)采用14位至18位ADC，SNR水平范圍為70 dB至100 dB，具體取決于成像系統(tǒng)的類型及其要求。有各種各樣的離散ADC和集成模擬前端，可使各種類型的DR成像系統(tǒng)具有更高的動(dòng)態(tài)范圍、更精細(xì)的分辨率、更高的檢測(cè)效率和更低的噪聲。

計(jì)算機(jī)斷層掃描

計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)同樣采用電離輻射技術(shù)，但與數(shù)字X射線技術(shù)不同的是，它基于扇型探測(cè)器系統(tǒng)，與X射線源同步旋轉(zhuǎn)，并利用更復(fù)雜的處理技術(shù)生成血管、軟組織等的高分辨率3D圖像。

CT探測(cè)器是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的核心組件，它實(shí)際上是CT系統(tǒng)的心臟。它由多個(gè)模塊組成，如圖2所示。每個(gè)模塊將入射的X射線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并路由到多通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(ADAS)。每個(gè)模塊都包含一個(gè)閃爍晶體陣列、一個(gè)光電二極管陣列和含有多路復(fù)用至ADC的多個(gè)積分器通道的ADAS。ADAS必須具有極低的噪聲性能，以保持良好的空間分辨率，降低X射線劑量，并具有極低的電流輸出以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍性能。為了避免圖像偽影并確保良好的對(duì)比度，轉(zhuǎn)換器前端必須具有出色的線性度性能并可提供低功耗工作模式，以降低熱敏型探測(cè)器的冷卻要求。

ADC必須具有至少24位的高分辨率才能獲得更優(yōu)質(zhì)、更清晰的圖像，同時(shí)還要具有快速采樣速率（短至100 μs），以便數(shù)字化探測(cè)器讀數(shù)。ADC采樣速率還必須支持多路復(fù)用，這樣就可以使用較少數(shù)量的轉(zhuǎn)換器，并且減小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和功耗。

正電子發(fā)射斷層掃描

正電子發(fā)射斷層掃描(PET)涉及由引入人體的放射性核素產(chǎn)生的電離輻射。它發(fā)射的正電子與組織中的電子碰撞，產(chǎn)生輻射方向大體相反的伽馬射線對(duì)。這些高能光子對(duì)同時(shí)撞擊相對(duì)的PET探測(cè)器，它們圍繞著支架口呈環(huán)狀排列。

PET探測(cè)器（如圖3所示）由一系列閃爍晶體和光電倍增管(PMT)組成，它們將伽馬射線轉(zhuǎn)換為電流，繼而轉(zhuǎn)換為電壓，然后通過可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)放大并補(bǔ)償幅度變化。然后將產(chǎn)生的信號(hào)在ADC和比較器路徑之間分離，以提供能量和時(shí)序信息，供PET重合處理器用于重建體內(nèi)放射性示蹤劑濃度的3D圖像。

如果兩個(gè)光子的能量約為511 keV，并且其探測(cè)時(shí)間相差不到十億分之一秒，則它們可被歸類為相關(guān)光子。光子的能量和探測(cè)時(shí)間差對(duì)ADC提出了嚴(yán)格的要求，ADC必須具有10至12位的高分辨率，并且快速采樣速率通常需高于40 MSPS。低噪聲性能可最大程度地?cái)U(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，而低功耗工作模式則可減少散熱，這兩點(diǎn)對(duì)于PET成像也很重要。

磁共振成像

磁共振成像(MRI)是一種無創(chuàng)醫(yī)療成像技術(shù)，它依賴于核磁共振現(xiàn)象，并且無需使用電離輻射，這使之有別于DR、CT和PET系統(tǒng)。MR信號(hào)的載波頻率直接與主磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例，其商用掃描儀頻率范圍為12.8 MHz至298.2 MHz。信號(hào)帶寬由頻率編碼方向的視場(chǎng)定義，變化范圍從幾kHz到幾十kHz。

這對(duì)接收器前端提出了特殊的要求，該前端通?；诰哂休^低速率SAR ADC的超外差式架構(gòu)（見圖4）。然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換的最新進(jìn)展使快速低功耗多通道流水線ADC能夠在最常見的頻率范圍內(nèi)以16位深度、超過100 MSPS的轉(zhuǎn)換速率對(duì)MR信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。其動(dòng)態(tài)范圍要求非常嚴(yán)苛，通常超過100 dB。通過對(duì)MR信號(hào)過采樣可以提高分辨率、增加SNR，并消除頻率編碼方向的混疊偽像，從而增強(qiáng)圖像質(zhì)量。為獲得快速掃描采集時(shí)間，可應(yīng)用基于欠采樣的壓縮檢測(cè)技術(shù)。

超聲波掃描術(shù)

超聲波掃描術(shù)或醫(yī)學(xué)超聲的物理原理與本文中討論的所有其他成像模式不同。它使用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖。這些聲波掃描人體內(nèi)部組織并以不同強(qiáng)度的回波進(jìn)行反射。實(shí)時(shí)獲取這些回波，并顯示為超聲波掃描圖，其中可能包含不同類型信息，如聲阻抗、血流量、組織隨時(shí)間的活動(dòng)狀態(tài)或其僵硬程度。

醫(yī)療超聲前端（如圖5所示）的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端(AFE)表示，它包括低噪聲放大器、可變?cè)鲆娣糯笃?/u>、抗混疊濾波器(AAF)、ADC和解調(diào)器。對(duì)AFE最重要的要求之一是動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)成像模式，該要求可能需要達(dá)到70 dB至160 dB，以便區(qū)分血液信號(hào)與探頭和身體組織運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的背景噪聲。因此，ADC必須具有高分辨率、高采樣速率和低總諧波失真(THD)，以保持超聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)保真度。超聲前端的高通道密度還要求必須具有低功耗特性。面向醫(yī)療超聲設(shè)備提供的一系列集成式AFE可實(shí)現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗、系統(tǒng)尺寸和成本。

圖4. MRI超外差式接收器信號(hào)鏈。

結(jié)論

醫(yī)療成像對(duì)電子設(shè)計(jì)提出了極為嚴(yán)苛的要求。以低成本和緊湊的封裝提供低功耗、低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和高分辨率性能，是本文討論的現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)要求所決定的發(fā)展趨勢(shì)。ADI公司可滿足這些要求，為關(guān)鍵的信號(hào)鏈功能模塊提供高度集成的解決方案，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)一流的臨床成像設(shè)備，這些設(shè)備日益成為當(dāng)今國(guó)際醫(yī)療保健系統(tǒng)不可或缺的一部分。下列產(chǎn)品適用于本文提到的各種醫(yī)療成像模式。

* ADAS1256：這款高度集成的模擬前端包含256個(gè)通道，帶有低噪聲積分器、低通濾波器和相關(guān)雙采樣器（多路復(fù)用到高速16位ADC中）。它是一個(gè)完整的電荷-數(shù)字轉(zhuǎn)換解決方案，針對(duì)可直接安裝在數(shù)字X射線面板上的DR應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
* 針對(duì)分立式DR系統(tǒng)，18位PulSAR? ADC AD7960提供99 dB的SNR和5 MSPS的采樣速率，可提供無與倫比的性能，以滿足最高動(dòng)態(tài)范圍的噪聲和線性度要求。16位、雙通道AD9269和14位、16通道AD9249流水線ADC分別可提供高達(dá)80 MSPS和65 MSPS的采樣速率，以實(shí)現(xiàn)高速熒光透視系統(tǒng)。
* ADAS1135和ADAS1134：這兩款高度集成的256通道和128通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由低噪聲/低功耗/低輸入電流積分器、同步采樣保持器件以及具有可配置采樣速率和最高24位分辨率的兩個(gè)高速ADC組成，提供出色的線性度，可最大限度地提高CT應(yīng)用的圖像質(zhì)量。
* AD9228、AD9637、AD9219和AD9212：這幾款12位和10位多通道ADC的采樣速率從40 MSPS到80 MSPS，經(jīng)過優(yōu)化后具有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功耗，可滿足PET要求。
* AD9656：這款16位、四通道流水線ADC提供高達(dá)125 MSPS的轉(zhuǎn)換速率，針對(duì)傳統(tǒng)的直接數(shù)字轉(zhuǎn)換MRI系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，具有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功耗特性。
* AD9671：這款8通道集成式接收器前端專為低成本、低功耗的醫(yī)療超聲應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用14位ADC，采樣速率最高可達(dá)125 MSPS。每個(gè)通道都經(jīng)過優(yōu)化，在連續(xù)波模式下具有160dBFS/√Hz的高動(dòng)態(tài)性能和62.5 mW的低功率，適合要求小尺寸封裝的應(yīng)用

圖5. 醫(yī)療超聲前端信號(hào)鏈。

作者簡(jiǎn)介

Anton Patyuchenko [anton.patyuchenko@analog.com]于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，Anton曾在德國(guó)航空航天中心(DLR)擔(dān)任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點(diǎn)客戶提供現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持，主要負(fù)責(zé)醫(yī)療保健、能源和微波應(yīng)用。