高性能数据转换器用于医疗成像系统

高性能数据转换器用于医疗成像系统

（2024年11月23日更新）

Wilhelm Conrad R?tgenX射线于1895年被发现，这使他获得了第一个诺贝尔物理学奖，为医学成像领域奠定了基础。从那以后，X从最广泛的意义上说，射线技术已经发展成为一门广泛的科学学科，是指人体内使用的许多无创可视化技术。

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本文讨论了一些主要的现代医学成像系统。虽然这些系统使用了完全不同的物理原理和处理技术，但它们都有一个共同点：使用模拟数据采集前端进行信号调节，并将原始成像数据转换为数字域。

虽然这个小的前端功能模块隐藏在复杂的机器中，但它的性能将对整个系统的最终图像质量产生至关重要的影响。其信号链包括检测元件和低噪声放大器(LNA)、滤波器和模数转换器(ADC)，后者是本文讨论的主题。

在医学成像领域的电子设计中，数据转换器的动态范围、分辨率、精度、线性和噪声要求带来了最严峻的挑战。本文讨论了不同成像模式环境中的这些设计挑战，并总结了先进的数据转换器和集成解决方案，可以实现最佳的工作性能。

数字射线照相

数字射线照相(DR)物理原理与所有传统的吸收射线照相系统相同。穿过人体的X射线通过具有不同射线穿透性的人体组织衰减并投射到平板探测器系统上。探测器将x射线光子转化为与入射粒子能量成正比的电荷。将生成的电信号放大并转换为数字域，以生成X射线图像的精确数字表示。其图像质量取决于空间和强度维度中的信号采样。

在空间维度中，最小采样率由探测器的像素矩阵大小和实时荧光透视成像的更新率定义。数百万像素和典型更新率高达25 fps至30 fps平板探测器采用多通道复用和多通道复用ADC，采样速率高达数十MSPS，最短的转换时间要求可以在不牺牲精度的情况下满足。

在强度维度中，ADC数字输出信号代表X射线光子在特定曝光时间内被定像素吸收的积分量。该值以分组为由ADC离散电平的有限值由位深定义。另一个重要参数是信噪比(SNR)，它定义了系统忠实地表示成像人体的解剖学特征的内在能力。数字x射线系统14-18位ADC，SNR水平范围为70 dB至100 dB，这取决于成像系统的类型和要求。各种离散ADC集成模拟前端可以使各种类型DR成像系统具有更高的动态范围、更精细的分辨率、更高的检测效率和更低的噪声。

图1.数字X射线探测器信号链。

扫描计算机断层

扫描计算机断层(CT)电离辐射技术也采用，但与数字x射线技术不同，它基于风扇探测器系统，与x射线源同步旋转，并利用更复杂的处理技术生成血管和软组织的高分辨率3D图像。

CT探测器实际上是整个系统架构的核心组件CT系统的心脏。它由多个模块组成，。每个模块将x射线转换为电信号，并通过多通道模拟数据采集系统(ADAS)。每个模块都包含烁晶体阵列、光电二极管阵列和多路复用ADC多个积分器通道ADAS。ADAS必须具有极低的噪声性能，以保持良好的空间分辨率，降低X射线剂量，并具有极低的电流输出以实现高动态范围性能。为避免图像伪影，保证良好的对比度，转换器前端必须具有优异的线性性能，并能提供低功耗工作模式，以降低热敏探测器的冷却要求。

ADC为了获得更好、更清晰的图像，必须有至少24位的高分辨率，同时还要有快速采样率(短至100 μs），数字探测器读数。ADC采样速率还必须支持多路复用，这样就可以使用较少数量的转换器，并且减小整个系统的尺寸和功耗。

扫描正电子发射断层

扫描正电子发射断层(PET)它涉及引入人体的放射性核素产生的电离辐射。它发射的正电子与组织中的电子碰撞产生相反的伽马射线。这些高能光子同时相对冲击PET探测器，它们围绕支架口呈环状排列。

PET探测器()由一系列闪烁晶体和光电倍增管组成(PMT)它们通过可变增益放大器将伽马射线转换为电流，然后转换为电压(VGA)扩大和补偿范围的变化。然后产生信号ADC与比较器路径分离，提供能量和时间信息PET重合处理器用于重建体内放射性示踪剂浓度的3D图像。

图2.CT探测器模块信号链。

图3.PET电子前端信号链。

如果两个光子的能量约为511 keV，而且探测时间相差不到十亿分之一秒，则可分为相关光子。光子的能量和探测时间差ADC严格要求，ADC高分辨率必须在10到12位，快速采样速率通常高于40位 MSPS。低噪声性能可以最大限度地扩大动态范围，而低功耗工作模式可以减少散热PET成像也很重要。

磁共振成像

磁共振成像(MRI)它是一种依赖核磁共振而不使用电离辐射的无创医学成像技术DR、CT和PET系统。

Mr信号的载波频率直接与主磁场强度成比例，商用扫描仪的频率范围为12.8 MHz至298.2 MHz。信号带宽由频率编码方向的视场定义，变化范围从几个方向定义kHz到几十kHz。

这对接收器前端提出了特殊要求，通常基于低速率SAR ADC超外差架构(见图4)。然而，模数转换的最新进展使多通道流水线快速、低功耗ADC它可以在最常见的频率范围内以16位深度超过100位 MSPS转换速率对MR信号直接进行数字转换。其动态范围要求非常严格，通常超过100 dB。通过对MR信号过采样可以提高分辨率SNR，并消除频率编码方向的混叠伪像，从而提高图像质量。基于欠采样的压缩检测技术可用于快速扫描采集时间。

超声扫描

超声波扫描术或医学超声的物理原理与本文中讨论的所有其他成像模式不同。它使用频率范围为1 MHz至18 MHz声波脉冲。这些声波扫描人体内部组织，反射不同强度的回波。实时获取这些回波并显示为超声波扫描图，可能包含声阻抗、血流、组织随时间的活动状态或僵硬程度等不同类型的信息。

集成多通道模拟医疗超声前端()的关键功能模块(AFE)它包括低噪声放大器、可变增益放大器和抗混叠滤波器(AAF)、ADC和解调器。对AFE动态范围是最重要的要求之一。可能需要70个成像模式 dB至160 dB，以区分血液信号、探头和身体组织运动产生的背景噪声。因此，ADC必须有高分辨率AD公司、高采样速率和低总谐波失真(THD)，为了保持超声信号的动态真实性。超声前端的高通道密度也需要低功耗特性。为医疗超声设备提供的一系列集成AFE可实现最佳图像质量，降低功耗、系统尺寸和成本。

图4.MRI超外差接收器信号链。

结论

对电子设计提出了极其严格的要求。以低成本、紧凑的包装提供低功耗、低噪声、高动态范围、高分辨率性能，是本文讨论的现代医疗成像系统要求的发展趋势。AD公司能够满足这些要求，为关键信号链功能模块提供高度集成的解决方案，促进一流的临床成像设备的实现，日益成为国际医疗保健系统不可或缺的一部分。以下产品适用于本文提到的各种医疗成像模式。

?ADAS1256:这个高度集成的模拟前端包含256个通道，包括低噪声积分器、低通滤波器和相关双采样器(多路复用到高速16位ADC中间)。它是一个完整的电荷-数字转换解决方案，可以直接安装在数字射线面板上DR应用设计。

?针对分立式DR系统，18位PulSARADC AD7960提供99 dB的SNR和5 MSPS采样速率可提供无与伦比的性能，以满足最高动态噪声和线性要求。16位、双通道AD9269和14位、16通道AD9249流水线ADC可分别提供高达80 MSPS和65 MSPS高速荧光透视系统采样速率。

?ADAS1135和ADAS1134：这两个高度集成的256通道和128通道数据采集系统有两个高速公路：低噪声/低功耗/低输入电流积分器、同步采样保持器和可配置采样率和最高分辨率24位ADC成分，提供优秀的线性度，可以最大限度地提高CT应用的图像质量。

?AD9228、AD9637、AD9219和AD9212:12位和10位多通道ADC采样速率为40 MSPS到80 MSPS，优化后动态性能优异，功耗低，能满足要求PET要求。

?AD9656:这款16位，四通道流水线ADC提供高达125 MSPS转换速率，针对传统的直接数字转换MRI系统架构优化，动态性能优异，功耗低。

?AD9671:这款8通道集成接收器的前端是为低成本、低功耗的医疗超声应用而设计的，采用14位ADC，最高采样率为125 MSPS。每个通道都经过优化，在连续波模式下有160 dBFS/√Hz高动态性能和62.5 mW低功率适用于小尺寸封装。