利用高速信號(hào)鏈提高醫(yī)學(xué)成像質(zhì)量的研究

就數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器而言，醫(yī)療產(chǎn)業(yè)是一個(gè)不斷增長(zhǎng)市場(chǎng)。在將溫度、圖像和聲音轉(zhuǎn)換成患者監(jiān)控和診斷過(guò)程中處理和使用的數(shù)字信息時(shí)，我們就必須要使用高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。特別是對(duì)于 10 比特及更精度的設(shè)備來(lái)說(shuō)，醫(yī)療成像設(shè)備呈現(xiàn)出一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)機(jī)遇。三個(gè)主要細(xì)分市場(chǎng)包括超聲波、磁共振成像 (MRI)，計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù) (CT)，以及正電子放射斷層掃描術(shù) (PET)。技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)了更快、更高精度的成像，以及更高的患者安全性。

與所有非常依賴(lài)科技進(jìn)步的行業(yè)一樣，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備廠商不得不持續(xù)改進(jìn)他們的產(chǎn)品——主要是改進(jìn)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。無(wú)論是超聲波反射聲波、核磁共振成像 (MRI) 磁場(chǎng)擾動(dòng)還是正電子發(fā)射斷層成像 (PET) 的正電子發(fā)射，大多數(shù)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)均需要患者信號(hào)接收傳感器陣列。提高成像質(zhì)量的最直接方法就是擴(kuò)大傳感器陣列規(guī)模。但是由于為設(shè)備添加了更多的傳感器，因此將信號(hào)傳輸至處理引擎的信號(hào)鏈就必須增加電子器件。

與此同時(shí)，廠商還必須提高其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，包括特定電子組件的尺寸、功耗以及成本。系統(tǒng)某一方面的性能提升也許會(huì)給其他方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。僅僅增加傳感器和信號(hào)鏈就可能會(huì)引發(fā)包括系統(tǒng)尺寸及功耗增大在內(nèi)的不利影響，就更不要說(shuō)額外增加多個(gè)芯片的更多成本了。但是，用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的最新 一代信號(hào)鏈組件使醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既能改善信號(hào)鏈密度和功耗，同時(shí)又不影響動(dòng)態(tài)性能——即系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的成像質(zhì)量、更低 的功耗及更小的尺寸。

醫(yī)學(xué)成像接收機(jī)的組成元件

對(duì)于大多數(shù)典型醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用來(lái)說(shuō)，傳感器陣列的每個(gè)元件都需要其自己的信號(hào)鏈從而將傳感器的小信號(hào)響應(yīng)傳送并轉(zhuǎn)換成“1”以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。因?yàn)槌上駪?yīng)用傳感器的信號(hào)響應(yīng)性質(zhì)不盡相同，因此信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中通常離不開(kāi)三個(gè)主要有源組件。首先是低噪聲放大器 (LNA)，其主要功能是將模擬系統(tǒng)的噪聲系數(shù) (NF) 盡可能地固定在一個(gè)較低水平。在 LNA 之后是對(duì)信 號(hào)進(jìn)行增益的另一個(gè)放大級(jí)，以實(shí)現(xiàn)與末級(jí)（即模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)）輸入范圍的最佳匹配。

諸如 MRI 的應(yīng)用（其通常在信號(hào)振幅方面擺幅不大）可以使用固定增益級(jí)。但是，如果系統(tǒng)在信號(hào)強(qiáng)度（如超聲波）方面存在很大差異，那么該系統(tǒng)則需要可變?cè)鲆娣糯笃?(VGA)，并且需要在 ADC 之前使用可編程增益放大器 (PGA)，以匹配 ADC 的滿(mǎn)量程輸入并最大化信噪比 (SNR)。經(jīng)過(guò) ADC 以后，模擬信號(hào)將被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并準(zhǔn)備發(fā)送至系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，該過(guò)程一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 完成進(jìn)入末級(jí)的信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換。對(duì)于 MRI 而言，在 LNA 和放大器之間也可能有一系列混頻級(jí)，以將磁體射頻 (RF) 能量轉(zhuǎn)換成為低頻能量。因?yàn)槊總€(gè)元件都需要三個(gè)或更多器件，傳感器每增加一倍，僅接收信號(hào)鏈的模擬組件數(shù)量就可能需要增加到原來(lái)的 6 到 10 倍！另外，功耗要求的增加就更不用說(shuō)了。難怪系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員總是不斷要求組件供應(yīng)商對(duì)其新型集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，以解決尺寸相關(guān)的問(wèn)題。

集成：更多信號(hào)鏈、空間更小、功耗更低

一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來(lái)越多的模擬有源器件集成在一個(gè)芯片上，進(jìn)而減少系統(tǒng)所需的 IC 數(shù)量。就一個(gè)典型的超聲波接收鏈而言，每個(gè)傳感器可能都需要四個(gè)器件，其中三個(gè)為放大器。憑借現(xiàn)代設(shè)計(jì)與工藝，IC 供應(yīng)商現(xiàn)在可提供將LNA、VCA 以及 PGA 集成在一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞯钠骷?，與分立解決方案相比最終將芯片數(shù)量減少了三分之一。另外，當(dāng)前的諸多設(shè)計(jì)都在單個(gè)芯片中集成了多個(gè) VGA 通道，從而使設(shè)計(jì)更先進(jìn)一步。TI 的新型 VCA8500 便是一個(gè)極好例子，在采用了 64 引腳 QFN 封裝的單個(gè) IC 中就集成了 8 個(gè)VGA 通道。通過(guò)緊挨 PGA 集成一個(gè)低通抗混淆濾波器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需額外無(wú)源或有源外部組件的情況下 VGA 輸出可以直接進(jìn)入 ADC 的輸入，從而節(jié)省更多的板級(jí)空間。利用這種方法，該器件領(lǐng)先于其他同類(lèi)產(chǎn)品。請(qǐng)注意，在圖 1 中，如連續(xù)波 (CW) 開(kāi)關(guān)矩陣和鉗位電路等醫(yī)療成像系統(tǒng)所特有的其他功能模塊也都集成到了該器件中。

圖 1 VCA8500的功能模塊圖

在一個(gè)器件中集成多個(gè)通道除具有體積優(yōu)勢(shì)以外，還擁有一些其他的好處。隨著單個(gè)芯片中集成的有源和無(wú)源組件越來(lái)越多，功耗也同時(shí)得到降低。一般而言，所有組件的設(shè)計(jì)目的都是為了取得作為獨(dú)立實(shí)體的自身功耗和性能平衡。為此，盡管它們的設(shè)計(jì)可能是為了互相配合工作，但是就系統(tǒng)而言，每一個(gè)組件的性能可能會(huì)高于需求。因此，當(dāng)一起工作時(shí)，每一個(gè)組件往往都會(huì)改變功耗和性能平衡，讓系統(tǒng)性能過(guò)高，帶來(lái)過(guò)高的功耗。但是，在一個(gè)器件中集成多個(gè)級(jí)時(shí)，情況卻并非如此。當(dāng)設(shè)計(jì)多級(jí) IC 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)功耗進(jìn)行分配，以便最為有效地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而浪費(fèi)極少的模塊功耗。更新的 VGA 便是一個(gè)較好的例子。由于低噪聲是超聲波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此 LNA 功能是 VGA 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。其輸入噪聲決定系統(tǒng)的最小可達(dá)到噪聲系數(shù)，而其增益又直接影響來(lái)自后面各級(jí)的噪聲數(shù)量，從而影響最終的噪聲系數(shù)（NF）。通過(guò)平衡和微調(diào) LNA 級(jí)的功耗和性能關(guān)系，我們可以在提高 VGA 性能的同時(shí)獲得低功耗設(shè)計(jì)。圖 2 對(duì)此進(jìn)行了較好描述。以前的多通道 VGA 通常依靠一條趨勢(shì)線來(lái)平衡功耗和輸入?yún)⒖荚肼?。如?1.2 輸入等效噪聲充分，則您可以使用一個(gè)每條通道僅消耗 75mW 的設(shè)計(jì)?；蛘?，如果每條通道消耗 150mW 沒(méi)有超過(guò)您的功耗預(yù)算，則您會(huì)擁有0.7 的輸入等效噪聲。但是，由于有較高效的低噪聲雙極結(jié)式晶體管 (BJT)，因此 VCA8500 代 VGA 已能夠?qū)η岸嗽O(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得僅為 63m /信道的 0.8 輸入等效噪聲，較好地控制在前代趨勢(shì)線中。這讓高性能成像系統(tǒng)能夠使用更少的功耗，變得更小巧、更便攜。

圖 2 選定 VGA 的噪聲系數(shù)和性能對(duì)比關(guān)系

降低功耗

其他 ADC 部分也經(jīng)歷了同放大器類(lèi)似的集成。目前的許多設(shè)計(jì)都擁有 8 條高速 ADC 通道以匹配 8 通道 VGA，并且具有 10 到 14 比特的精度和每秒 40 到 65 兆的采樣速率 (MSPS)。通過(guò)集成諸如雙數(shù)據(jù)速率低壓差分信號(hào)擺動(dòng) (DDR LVDS) 等輸出標(biāo)準(zhǔn)，這些八通道 ADC 還減少了每個(gè) ADC 的輸出引腳數(shù)目，從而讓其可以適合于小尺寸封裝。另外，串行化的數(shù)據(jù)格式減少了 ADC 和數(shù)字處理引擎之間的 I/O 線跡數(shù)量，當(dāng)想要使用多個(gè) 8 通道 ADC 布局電路板時(shí)其為一種極為重要的特性。例如，8 個(gè) 12比特 ADC 會(huì)要求 96 個(gè)引腳和線跡以并行 CMOS 格式輸出其數(shù)據(jù)。但是，如果每個(gè) ADC 均使用一個(gè)串行化 LVDS 對(duì)，則只需 20 個(gè)引腳和線跡，ADC 使用 8個(gè)LVDS對(duì)，而幀和比特時(shí)鐘則使用一對(duì)。

正如 VGA 一樣，在典型的醫(yī)療成像應(yīng)用中 ADC 也在沒(méi)有影響其性能的情況下極大地降低了功耗。由于醫(yī)療成像應(yīng)用帶來(lái)的噪聲和線性要求，高效放大器級(jí)通常為一些使用低噪聲 BJT 的嵌入工藝，例如：硅鍺 (SiGe) 工藝。這些工藝在 DC 到 20 MHz 一般響應(yīng)頻率下具有優(yōu)異的低噪聲、低功耗和高線性平衡性能。恰恰相反，醫(yī)療成像所需典型采樣率的高速 ADC 一般使用 CMOS 工藝來(lái)制造，因?yàn)?65 MSPS 及以上的 10 到 14 比特精度轉(zhuǎn)換器條件下這種技術(shù)具有較好的功耗和性能平衡性。

由于 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步，功耗特性和 ADC 體積均已得到極大減少，并且沒(méi)有影響其噪聲和失真性能。ADS5281 便是一個(gè)極好的例子。相比以前的八通道設(shè)計(jì)，這種新型 ADC 將功耗降低了 50%，體積也減小了約 60%，同時(shí)維持 70 dB SNR的 12 比特精度。通過(guò)讓設(shè)計(jì)能夠動(dòng)態(tài)地利用采樣速率調(diào)節(jié)功耗，基于 CMOS 的ADC 還提供了另一種層面的節(jié)能。就 CMOS 工藝管線 ADC 而言，由于采樣速率的降低，ADC 內(nèi)核和數(shù)據(jù)輸出模塊的功耗需求更低。低功耗 ADC 便利用這一點(diǎn)，并能根據(jù) IC 的采樣時(shí)鐘輸入調(diào)節(jié)其功耗要求。圖 3 說(shuō)明了 ADS5281/82 如何通過(guò)采樣速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在 65 MSPS 的高端，ADC 每通道消耗 77 mW，但是 在 20 MSPS 低數(shù)據(jù)速率時(shí)，它僅消耗 43mW（即降低 45%）功耗。通過(guò)讓 ADC 能夠切換至節(jié)能模式便可以在系統(tǒng)中利用這個(gè)特性，此時(shí) ADC 仍然能夠轉(zhuǎn)換有限的模擬信號(hào)，并將它們傳送至數(shù)字處理引擎。

圖 3 ADS5281/82 中通過(guò)采樣速率調(diào)節(jié)功耗

輸入頻率 (IF) 方面 ADC 性能的提高已經(jīng)考慮到 MRI 的全新系統(tǒng)架構(gòu)。MRI 設(shè)備的主磁產(chǎn)生一種窄帶 IF，其存在于 30 – 140 MHz 范圍內(nèi)，有賴(lài)于主磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小。傳統(tǒng)架構(gòu)將 IF 混頻至 DC 附近，此時(shí)它可以由一個(gè)高精度 ?∑ ADC 進(jìn)行采樣。現(xiàn)在，更新型的 14 比特和 16 比特 ADC 均可以輕松地在該范圍內(nèi)采樣，并維持高性能，即便它們?cè)诟?IF 范圍中低采樣信號(hào)的情況下也是如此。利用數(shù)字抽取和降頻轉(zhuǎn)換，這些 ADC 可以獲得同使用傳統(tǒng)架構(gòu)時(shí)類(lèi)似的 SNR，從而在提高成像性能的同時(shí)節(jié)省板級(jí)空間和模擬混頻元件的成本。

由于組成電子元件的這些改進(jìn)，MRI、超聲波和 PET 成像系統(tǒng)不斷完善。這些新型醫(yī)療成像信號(hào)鏈改進(jìn)的結(jié)果是，可以將系統(tǒng)制造得更小巧、更低功耗，或者能夠在不增加體積和功耗的情況下提高其成像性能，或者可以?xún)烧呒娴?。最終，可能不再要求廣大患者到醫(yī)院或診所進(jìn)行病情診斷。將來(lái)有一天，高品質(zhì)的診斷成像設(shè)備可能會(huì)直接來(lái)到他們的面前。

總結(jié)

TI 完整信號(hào)鏈的所有系列半導(dǎo)體器件和解決方案將幫助用戶(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以應(yīng)對(duì)不斷增加的醫(yī)療挑戰(zhàn)DD老齡化人口、不斷上升的成本以及新興經(jīng)濟(jì)體的高需求。從構(gòu)建模塊到整套解決方案，TI　的產(chǎn)品、用戶(hù)技術(shù)支持和應(yīng)用知識(shí)都讓設(shè)計(jì)人員更加輕松地在各種醫(yī)療應(yīng)用中實(shí)施醫(yī)療設(shè)計(jì)創(chuàng)新，例如：醫(yī)療成像、消費(fèi)類(lèi)醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療儀器，以及診斷、患者監(jiān)控和治療。我們正同廣大的用戶(hù)一起開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的解決方案，以滿(mǎn)足各種產(chǎn)品尺寸的需要，從而使醫(yī)療保健變得更簡(jiǎn)便、更低成本和更便攜。

作者簡(jiǎn)介

Charles (Chuck) Sanna 現(xiàn)任德克薩斯州達(dá)拉斯 TI 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。他畢業(yè)于美國(guó)西北大學(xué) (Northwestern University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)-達(dá)拉斯分校 (The University of Texas at Dallas)，獲電子工程碩士學(xué)位。在閑暇時(shí)間，Chuck 喜歡看足球比賽。

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