本文探討了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的主要類型，它們利用根本不同的物理原理和處理技術(shù)，但有一個共同點(diǎn)——模擬數(shù)據(jù)采集前端，用于信號調(diào)理和將原始成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。

這個微小的功能前端塊隱藏在一臺復(fù)雜的機(jī)器深處。然而，它的性能對整個系統(tǒng)的圖像質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。其信號鏈包括一個檢測元件、一個低噪聲放大器（LNA）、一個濾波器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），后者是本文的主要主題。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了醫(yī)學(xué)成像在所需動態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲方面對電子設(shè)計(jì)提出的最苛刻的挑戰(zhàn)。本文討論了不同成像模式背景下的這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并概述了使其以最佳水平工作所需的高級數(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）基于所有傳統(tǒng)吸收式射線照相系統(tǒng)通用的物理原理。穿過身體的X射線被不同射線不透明度的組織衰減，并投射在平板檢測器系統(tǒng)上，如圖1所示。探測器將X射線光子轉(zhuǎn)換為與入射粒子能量成比例的電荷。產(chǎn)生的電信號被放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，以產(chǎn)生X射線圖像的精確數(shù)字表示。該圖像的質(zhì)量取決于空間和強(qiáng)度維度上的信號采樣。

在空間維度上，最小采樣率由探測器的像素矩陣大小和實(shí)時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的平板檢波器采用通道多路復(fù)用和采樣速率高達(dá)幾十 MSPS的多個ADC，在不犧牲精度的情況下滿足最短轉(zhuǎn)換時間。

在強(qiáng)度維度上，ADC的數(shù)字輸出信號表示在特定曝光時間內(nèi)給定像素吸收的X射線光子的積分量。該值被分箱為由ADC的位深度定義的有限數(shù)量的離散電平。信噪比（SNR）是另一個重要參數(shù)，它定義了系統(tǒng)忠實(shí)地表示成像身體的解剖特征的內(nèi)在能力。數(shù)字 X 射線系統(tǒng)使用 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。有各種各樣的分立式ADC和集成模擬前端，使各種類型的DR成像系統(tǒng)具有更大的動態(tài)范圍、更精細(xì)的分辨率、更高的檢測效率和更低的噪聲。

圖1.數(shù)字X射線探測器信號鏈。

計(jì)算機(jī)斷層掃描

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）也使用電離輻射，但與數(shù)字X射線技術(shù)不同，它基于與X射線源同步旋轉(zhuǎn)的弧形探測器系統(tǒng)，并利用更復(fù)雜的處理技術(shù)來生成血管，軟組織等的高分辨率3D圖像。

CT探測器是整個系統(tǒng)架構(gòu)的核心組件，實(shí)際上是CT系統(tǒng)的核心。它由多個模塊組成，如圖 2 所示。每個模塊將入射X射線轉(zhuǎn)換為電信號，路由到多通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ADAS）。每個模塊包含一個閃爍晶體陣列、一個光電二極管陣列和ADAS，ADAS包含多個多路復(fù)用到ADC中的積分器通道。ADAS必須具有非常低的噪聲性能，以在減少X射線劑量的情況下保持良好的空間分辨率，并以極低的電流輸出實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍性能。為避免圖像偽影并確保良好的對比度，轉(zhuǎn)換器前端必須具有高度線性性能并提供低功耗操作，以放寬對溫度敏感探測器的冷卻要求。

ADC必須具有至少24位的高分辨率才能獲得更好、更清晰的圖像，并具有快速采樣速率，才能對短至100 μs的檢測器讀數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理。ADC采樣速率還必須支持多路復(fù)用，這將允許使用更少的轉(zhuǎn)換器，并減小整個系統(tǒng)的尺寸和功耗。

圖2.CT探測器模塊信號鏈。

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)射正電子，與組織中的電子碰撞，產(chǎn)生大致相反方向輻射的伽馬射線對。這些高能光子對同時撞擊相對的PET探測器，這些探測器圍繞龍門孔排列成一個環(huán)。

PET探測器如圖3所示，由一系列閃爍體和光電倍增管（PMT）組成，將伽馬射線轉(zhuǎn)換為電流，電流被轉(zhuǎn)換為電壓，然后使用可變增益放大器（VGA）放大和補(bǔ)償幅度變化。產(chǎn)生的信號在ADC和比較器路徑之間分配，以提供能量和時序信息，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。

如果兩個光子的能量約為511 keV，并且它們的檢測時間相差小于百億分之一秒，則可以將其歸類為相關(guān)光子。光子的能量和檢測時間差對ADC提出了嚴(yán)格的要求，ADC必須具有10至12位的良好分辨率和通常優(yōu)于40 MSPS的快速采樣速率。低噪聲性能以最大化動態(tài)范圍和低功耗操作以減少散熱對于PET成像也很重要。

圖3.PET電子前端信號鏈。

磁共振成像

磁共振成像（MRI）是一種無創(chuàng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，它依賴于核磁共振現(xiàn)象，不使用電離輻射，這與DR，CT和PET系統(tǒng)區(qū)分開來。

MR信號的載波頻率與主磁場強(qiáng)度直接成比例，商用掃描儀的頻率范圍為12.8 MHz至298.2 MHz。 信號帶寬由頻率編碼方向的視場定義，可以從幾kHz到幾十kHz不等。

這對接收器前端提出了特定要求，該前端通?；诔獠罴軜?gòu)（見圖4）和較低速度SAR ADC。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)對MR信號進(jìn)行直接數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率超過100 MSPS，16位深度。對動態(tài)范圍的要求非?？量?，通常超過100 dB。通過對MR信號進(jìn)行過采樣來提高圖像質(zhì)量，從而提高分辨率，增加SNR，并消除頻率編碼方向上的混疊偽影。為了縮短掃描采集時間，應(yīng)用了基于欠采樣的壓縮傳感技術(shù)。

圖4.MRI超外差接收器信號鏈。

超聲

超聲檢查或醫(yī)學(xué)超聲基于與本文討論的所有其他成像方式不同的物理原理。它利用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖。這些波篩選身體內(nèi)部組織，并將它們反射回不同強(qiáng)度的回波。這些回波被實(shí)時采集并顯示為超聲圖，其中可能包含不同類型的信息，包括聲阻抗、血流、組織隨時間推移的運(yùn)動或其硬度。

圖5所示醫(yī)療超聲前端的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端（AFE）表示，該前端包括低噪聲放大器、可變增益放大器、抗混疊濾波器（AAF）、ADC和解調(diào)器。對AFE最重要的要求之一是動態(tài)范圍。根據(jù)成像模式，此要求可能需要70 dB至160 dB，以區(qū)分血液信號和探頭和身體組織運(yùn)動產(chǎn)生的背景噪聲。因此，ADC必須提供高分辨率、高采樣速率和低總諧波失真（THD），以保持超聲信號的動態(tài)保真度。低功耗是超聲前端高通道密度的另一個重要要求。有一系列用于醫(yī)療超聲設(shè)備的集成AFE，可實(shí)現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量，降低功耗，并減小系統(tǒng)尺寸和成本。

圖5.醫(yī)療超聲前端信號鏈。

結(jié)論

醫(yī)學(xué)成像對電子設(shè)計(jì)提出了最苛刻的要求。低功耗、低噪聲、高動態(tài)范圍以及低成本和緊湊封裝的高分辨率性能是本文討論的現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)要求的常見趨勢。ADI公司滿足這些要求，并為關(guān)鍵信號鏈功能模塊提供高度集成的解決方案，以實(shí)現(xiàn)一流的臨床成像設(shè)備，這些設(shè)備正日益成為當(dāng)今國際醫(yī)療保健系統(tǒng)不可或缺的一部分。以下是本文中提到的各種醫(yī)學(xué)成像模式的理想選擇產(chǎn)品列表。

ADAS1256：這款高度集成的模擬前端集成了256個通道，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。它是一種完整的電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換解決方案，專為DR應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以直接安裝在數(shù)字X射線面板上。

對于分立式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，滿足對噪聲和線性度最高動態(tài)范圍的要求。16位、雙通道AD9269和14位、16通道AD9249流水線ADC分別提供高達(dá)80 MSPS和65 MSPS的采樣速率，支持高速熒光透視系統(tǒng)。?

ADAS1135和ADAS1134：這些高度集成的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、同步采樣保持器件和兩個高速ADC組成，具有可配置的采樣速率和高達(dá)24位的分辨率，具有出色的線性度性能，可最大限度地提高CT應(yīng)用的圖像質(zhì)量。

AD9228、AD9637、AD9219和AD9212：這兩款12位和10位多通道ADC的采樣速率為40 MSPS至80 MSPS，針對出色的動態(tài)性能和低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，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，并針對傳統(tǒng)和直接數(shù)字轉(zhuǎn)換MRI系統(tǒng)架構(gòu)的出色動態(tài)和低功耗性能進(jìn)行了優(yōu)化。

AD9671：這款8通道集成接收器前端專為低成本、低功耗醫(yī)療超聲應(yīng)用而設(shè)計(jì)，內(nèi)置14位ADC，速率高達(dá)125 MSPS。每個通道都針對連續(xù)波模式下的 160 dBFS/√Hz 高動態(tài)性能和 62.5 mW 的低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，適用于小封裝尺寸至關(guān)重要的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷