應(yīng)對(duì)醫(yī)學(xué)成像中的時(shí)鐘分發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1970年代中后期，計(jì)算機(jī)X射線軸向分層造影(CAT)掃描就已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)界了。計(jì)算機(jī)處理能力和信息采集時(shí)間的改善大大提高了設(shè)備的掃描速度，信息內(nèi)容以及圖像的清晰度。今天，我們的掃描儀把正電子放射成像技術(shù)(PET)與核磁共振成像技術(shù)(MRI)或X-射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)結(jié)合在一起，提供了更好的信息記錄方式與更出色的畫(huà)面質(zhì)量，此即雙模式掃描，是當(dāng)下最新的設(shè)計(jì)之一。

時(shí)鐘，噪聲與圖像分辨率

特別的是，PET掃描儀需要放射性核素跟蹤劑，當(dāng)這些放射性核素衰變時(shí)就會(huì)產(chǎn)生正電子。當(dāng)正電子失去勢(shì)能，它們就會(huì)通過(guò)不同方式與電子結(jié)合在一起，通過(guò)這種結(jié)合，將產(chǎn)生幾乎朝向完全相反方向發(fā)射的511KeV的伽馬射線。為了記錄在它們穿過(guò)病人身體時(shí)，兩個(gè)伽馬射線光子的響應(yīng)線或弦，需要用到一個(gè)探測(cè)環(huán)。探測(cè)環(huán)的直徑必須能容納病人身體通過(guò)，大約需要1米，探測(cè)環(huán)上具有500到1000條信道。探測(cè)器則必須能把從正電子到電子覆滅過(guò)程所產(chǎn)生的兩條伽瑪射線事件關(guān)聯(lián)到的一個(gè)響應(yīng)線上，而不能作為隨機(jī)事件。另外，這些信道必須準(zhǔn)確測(cè)量出伽馬射線的能量，以此探測(cè)出康普頓散射引發(fā)的誤差，康普頓散射會(huì)導(dǎo)致發(fā)射源位置出錯(cuò)。要達(dá)到以上目的有幾種辦法，但均需要精確的時(shí)鐘信號(hào)配合檢測(cè)窗口。

產(chǎn)生一個(gè)精確且穩(wěn)定的高頻時(shí)鐘非常容易，但如何在直徑很大的探測(cè)環(huán)內(nèi)分布時(shí)鐘信號(hào)則是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)榭焖俚臅r(shí)鐘脈沖邊沿會(huì)因傳輸媒介而有所損耗。一些探測(cè)器借助光纖將閃爍晶體的輸出傳遞至具有光電子元器件(PMT或者APD)的信道板上。這樣的布局令探測(cè)電子裝置的距離變小，但時(shí)鐘脈沖分布依然會(huì)受到信道上的損傷、偏移、振動(dòng)以及其它退化問(wèn)題的影響，這些最終會(huì)影響圖像的噪聲，及需要達(dá)到的分辨率。

圖1：PET探測(cè)器構(gòu)成示意圖。

時(shí)鐘脈沖分發(fā)

在CT成像和其它類(lèi)似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)里，時(shí)鐘會(huì)限制那些以時(shí)間為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效果。為了保持高速時(shí)鐘干凈，信號(hào)采用差分形式如LVPECL或LVDS分發(fā)。因?yàn)樗鼈円谛诺腊迳蟼鬏敚隍?qū)動(dòng)負(fù)載（如大FPGA）和調(diào)整板布局歪斜時(shí)，時(shí)鐘脈沖的分布都會(huì)受到影響，即影響邊沿脈沖的到達(dá)時(shí)間。為了解決該問(wèn)題，半導(dǎo)體供應(yīng)商創(chuàng)建了允許工程師通過(guò)可編程延遲及重新驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)的“解決”歪斜問(wèn)題的時(shí)鐘分布器件。圖2所示的是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LMK01000系列時(shí)鐘脈沖分布器件的框圖，該器件不僅可以控制校正偏差，還可控制可編程分頻器、多路復(fù)用器和輸出驅(qū)動(dòng)器。這對(duì)于能實(shí)現(xiàn)管理時(shí)鐘和減少時(shí)序錯(cuò)誤的系統(tǒng)內(nèi)可編程性能是至關(guān)重要的。

圖2：LMK01000系列時(shí)鐘脈沖分布器件架構(gòu)框圖。

當(dāng)通過(guò)信道板傳輸時(shí)鐘脈沖時(shí)，需使用雙絞線或雙同軸電纜，但新問(wèn)題也會(huì)隨之出現(xiàn)。因?yàn)楦咚傩盘?hào)傳輸?shù)木嚯x不管是近是遠(yuǎn)，這些信號(hào)將遭遇高頻衰減、群延遲及其他由串?dāng)_造成的失真及系統(tǒng)噪音的影響，特別在需要高壓電驅(qū)動(dòng)PMT時(shí)。在多數(shù)情況下，時(shí)鐘脈沖的恢復(fù)都是通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)器件的重定時(shí)來(lái)完成的。例如，采用LMK03200精確零延遲時(shí)鐘調(diào)節(jié)器，它包括一個(gè)高頻鎖相環(huán)，集成的VCO以及LMX01000所具備的一些特性。

本文小結(jié)

大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如PET、 CT、 MRI和雙模式掃描儀，均需嚴(yán)格控制時(shí)鐘，以最小化圖像的失真、系統(tǒng)噪音并提升系統(tǒng)的整體性能。具有更大光輸出和更快衰減時(shí)間的新產(chǎn)品令使用PET掃描儀上進(jìn)行TOF檢測(cè)成為可能。這一最新的技術(shù)需要更高頻率的時(shí)鐘，從而產(chǎn)生更高清晰度的圖像。隨著新技術(shù)的發(fā)展，CT掃描的未來(lái)將愈加光明，但隨著檢測(cè)圖像分辨率的不斷提高，時(shí)序速率也會(huì)進(jìn)一步提升，因此時(shí)鐘分發(fā)將是設(shè)計(jì)人員需要長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。