MRI 架構(gòu)的改進(jìn)

現(xiàn)代核磁共振成像(MRI)掃描儀的設(shè)計(jì)已發(fā)生了革命性的變化，這都得益于現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)的一系列發(fā)展和進(jìn)步。MRI等醫(yī)療成像設(shè)備雖產(chǎn)生一定的影響，但并不是IC發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素。相反，它們是無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施等行業(yè)持續(xù)發(fā)展的受益者。這種技術(shù)進(jìn)步不僅提供MRI各種子系統(tǒng)改善性能的機(jī)會(huì)，同時(shí)也使子系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。

MRI子系統(tǒng)受益于現(xiàn)代IC的一個(gè)例子是梯度控制。高端MRI掃描儀要求以1ppm量級(jí)的精密度、精確度和穩(wěn)定度來(lái)控制梯度場(chǎng)，這本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)；而且，在實(shí)現(xiàn)如此高水平控制的同時(shí)，還必須提供數(shù)百kHz或更大的吞吐速率。若無(wú)法維持所需的控制，將會(huì)因?yàn)閳?chǎng)梯度的非線性生成干擾偽像。若無(wú)法達(dá)到所需的噪聲水平，圖像中可能會(huì)出現(xiàn)“重影”。

過(guò)去高性能梯度控制一直采用復(fù)雜的分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1a為這種方式的一個(gè)簡(jiǎn)化示例。在此例中，兩個(gè)16位DAC相結(jié)合，用來(lái)產(chǎn)生更高的等效精度。次要DAC的輸出會(huì)經(jīng)過(guò)衰減，以提供更精細(xì)步進(jìn)，隨后與主要DAC輸出結(jié)合。然而，這種組合不能提供所需的線性度，因此要在反饋環(huán)路中使用一個(gè)高性能ADC。該ADC不太可能用于音頻方面，故在數(shù)字邏輯中須進(jìn)行額外的校正。對(duì)于典型高分辨率ADC，另一個(gè)可能發(fā)生的問(wèn)題是空閑音，也必須消除掉。盡管本圖已經(jīng)將復(fù)雜問(wèn)題大大簡(jiǎn)化，但應(yīng)明白，實(shí)際運(yùn)作狀況絕不會(huì)如圖示那么簡(jiǎn)單。

圖1 MRI的梯度控制

當(dāng)今的IC工藝及設(shè)計(jì)技術(shù)允許工程師將所有這些需求整合到一個(gè)1×10-6 DAC當(dāng)中，如圖1b所示。這是通過(guò)經(jīng)改善的薄膜匹配與片內(nèi)自校正功能相結(jié)合加以實(shí)現(xiàn)的。線性度、穩(wěn)定度和噪聲能夠改善高階MRI梯度控制的性能，并且其電路與傳統(tǒng)方法相比大大簡(jiǎn)化。然而，要達(dá)成總體1×10-6精度的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)仍然相當(dāng)大，但DAC不再是限制因素，支持電路、器件選型和適當(dāng)?shù)牟季植季€均起著重要的作用。

射頻(RF)接收機(jī)是另一個(gè)受到新技術(shù)巨大沖擊的領(lǐng)域。該領(lǐng)域一直在不斷變化，不同的原始設(shè)備制造商(OEM)采用不同的方式完成任務(wù)。然而，一個(gè)共同發(fā)展趨勢(shì)是希望能夠?qū)⒔邮针娮悠骷浦粮拷€圈組件的位置，這樣做合情合理，如果從前置放大器到后續(xù)接收電子器件之間使用較長(zhǎng)的同軸電纜，則不僅體積龐大，而且不利于接收機(jī)的性能。若將接收電子器件移至更靠近線圈的位置，會(huì)對(duì)電子器件有兩大限制。電子器件必須更小，因?yàn)橐菁{大量的接收通道，所以可用空間更少。另外，功耗也是一個(gè)主要因素，在更小容量的空間內(nèi)必定會(huì)產(chǎn)生散熱問(wèn)題。

圖2 MRI的數(shù)字轉(zhuǎn)換