負載點穩(wěn)壓器改善醫(yī)療成像質(zhì)量

成像技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新

傳統(tǒng)模擬X射線成像系統(tǒng)以專門的感光膠片為介質(zhì)，將通過的X射線轉(zhuǎn)變成可視圖像。為了完成這一任務(wù)，該膠片必須經(jīng)過一種化學顯影過程，這個過程可能需要幾分鐘，因此推遲了開始對病人進行治療的時間。此外，顯影過程完成以后，醫(yī)療團隊可能會發(fā)現(xiàn)，由于X射線曝光不正確，該圖像需要重新攝取。膠片處理完成后，必須派人送給主治醫(yī)生，然后儲存在患者的醫(yī)療檔案里，在醫(yī)院里，患者的醫(yī)療檔案有可能占用大量的儲藏柜。此外，顯影過程中使用的化學制劑使用壽命有限，必須仔細儲存，而且一旦超過壽命期，就必須銷毀。如果采用直接X射線攝影(Direct Radiography–DR)，所有這些挑戰(zhàn)都沒有了。直接X射線攝影是一種數(shù)字X射線成像技術(shù)，正得到越來越多的采用。

隨著初始擁有成本的下降以及優(yōu)勢日趨明顯，傳統(tǒng)X射線成像向直接X射線攝影遷移的勢頭不斷增強。采用直接X射線攝影時，給患者拍照幾秒鐘后，就可得到X射線圖像，而且該圖像可以立即發(fā)送到全球各地，以向任何一個地方的醫(yī)學專家咨詢。患者的X射線圖像是數(shù)字形式的，可以在小型硬盤上歸檔和檢索，而無需大型文件柜。流行的直接X射線攝影方法采用平板檢測器板來獲取經(jīng)過的X射線。該平板檢測器無需移動或手工挪動，就可顯示不同的拍照角度，以拍出多種圖像，而且傳感器-圖像尺寸比為1：1。較新的平板X射線檢測器能以無線方式向控制單元發(fā)送圖像，以供查看、歸檔和分發(fā)。有了平板檢測器，就不必再購買、儲存或銷毀與處理膠片有關(guān)的化學制劑了。也許最重要的是，歐洲的兩項研究表明，存檔一幅與模擬照相記錄膠片質(zhì)量相當?shù)腄R圖像所需的X射線劑量將減低30%到70%。有些平板設(shè)計可將照射率實時地傳遞至X射線源，從而確保正確曝光的圖像和極低的輻射劑量。較低的X射線劑量可改善患者及附近醫(yī)療保健專業(yè)人員的安全境況，他們可能隨后會遇到四散的X射線粒子。

為了產(chǎn)生圖像，許多直接X射線攝影系統(tǒng)采用了全幀平板探測器，這種探測器由覆蓋了一個閃爍層的CMOS傳感器構(gòu)成。這個閃爍層將入射的X射線的波長轉(zhuǎn)變成硅材料能更好地吸收的波長。CMOS傳感器由于制造工藝的原因而常常受到青睞，這類傳感器與混合信號及邏輯架構(gòu)是兼容的，因而有助于形成集成度更高的解決方案。200mm和300mm硅晶片制造技術(shù)的改進進一步促進了向直接X射線攝影轉(zhuǎn)變的趨勢。較大的晶片使更少的CMOS傳感器模塊能結(jié)合在一起，從而使得所形成的X射線平板傳感器與35cm x 43cm(14英寸x17英寸)1.5cm厚ISO標準X射線膠片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的醫(yī)院都使用這類膠片暗匣。毫不奇怪，系統(tǒng)的硬件設(shè)計對這類產(chǎn)品的圖像質(zhì)量、外形尺寸、人員安全和工作壽命產(chǎn)生了直接影響，起到了重要的作用。不過，這種起到重要作用的硬件設(shè)計中包括電源管理組件嗎?

與電子噪聲的艱苦斗爭

為了讓直接X射線攝影實現(xiàn)全部潛在優(yōu)勢，必須關(guān)注電子噪聲、熱量和尺寸問題。必須保持高信噪比(SNR)，同時降低加到患者身上的X射線劑量也是一個關(guān)鍵目標。盡管傳感器本身的噪聲性能獲得了極大關(guān)注，但是電源注入的噪聲也值得仔細考慮。

電源架構(gòu)對信噪比性能有直接影響。電源軌上的電壓紋波被饋送到圖像傳感器，而且A/D轉(zhuǎn)換器可能將噪聲注入到圖像中。X射線CMOS傳感器制造商們聲稱，已經(jīng)實現(xiàn)了14位甚至16位A/D轉(zhuǎn)換，從而可支持很寬的對比度范圍，進而產(chǎn)生非常詳細的圖像。使問題更加復(fù)雜的是圖像傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和/或儀表放大器要正常工作，除了需要一個穩(wěn)定的正電壓，常常還需要一個穩(wěn)壓的-3.3V至-7V負電壓軌。此外，電池組或AC/DC電源可能僅提供一個未調(diào)節(jié)的正電壓。因此，中間的DC/DC轉(zhuǎn)換器必須具有低輸出紋波性能(幾十mV)、高工作效率和低的自發(fā)熱量。

為了患者的舒適度和便利性，很多新的X射線成像單元(包括傳感器平板)都是移動的。傳感器平板的電源常常選擇標稱電壓為12V的可再充電電池。為了充電一次就可拍攝并傳送數(shù)百個圖像，需要較高的工作效率，這促使人們使用開關(guān)穩(wěn)壓器。不幸的是，開關(guān)模式穩(wěn)壓器是一種電磁干擾(EMI)輻射源，這增加了系統(tǒng)的噪聲水平。此外，為幫助醫(yī)務(wù)人員與患者之間保持一個安全的邊界，某些X射線傳感器面板擁有無線數(shù)據(jù)傳輸能力。較高的EMI水平有可能導致所拍攝的圖像失真，和/或干擾向用戶終端的無線數(shù)據(jù)傳送。也許更麻煩的是，EMI輻射水平有可能超出政府監(jiān)管機構(gòu)所允許的值，從而使醫(yī)療產(chǎn)品無法進入市場，本文稍后討論這個問題。

要求較高的工作效率還有第二個目的，即努力保持高信噪比(SNR)。CMOS傳感器內(nèi)部的暗電流會隨溫度的上升呈指數(shù)性增加。暗電流是由電荷移動形成的，在X射線曝光之前就存在了。根據(jù)一家X射線CMOS傳感器制造商的說法，溫度每上升8°C，暗電流就大約增大一倍。盡管后期處理可以從圖像中去掉一些暗電流假影，但是較高的工作溫度以及反復(fù)進行的X射線曝光所累積的損傷加速增大了暗電流。最終，暗電流將淹沒入射X射線粒子在傳感器上沉積的電荷，這時候，平板檢測器就必須更換了。此外，因為醫(yī)療設(shè)備常常接觸人體組織，所以如果對散熱不加以控制，那么除了會縮短設(shè)備的工作壽命，還有可能導致患者不舒服或燙傷。

與熱量的斗爭

正如之前提到的那樣，較高的工作溫度降低了CMOS傳感器的信噪比性能，并縮短了這類傳感器的壽命。此外，較高的工作溫度還造成了患者的安全風險。為了保持卓越的圖像分辨率，X射線平板檢測器會與患者的身體直接接觸。當溫度達到40°C(100°F)時，人的皮膚就開始受到灼傷。因此，有可能與人的皮膚接觸之任何醫(yī)療設(shè)備的外部都必須保持低于這個溫度限制。所以，高工作效率以及能將在大面積上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，對很多方面都是至關(guān)重要的，例如對傳感器壽命、圖像清晰度和患者安全等。

保持緊湊的外形尺寸

從外科手術(shù)系統(tǒng)附件到手持式檢查工具，新一代醫(yī)療設(shè)備的復(fù)雜性越來越高，而裝入這么多組件以支持更多功能的可用空間卻沒有相應(yīng)增大。就平板X射線探測器而言，現(xiàn)有的醫(yī)院基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)配置了一個被稱為“濾線柵插槽”的固定尺寸插槽，而原先這個地方是用來擺放模擬X射線膠片暗匣的。這些膠片暗匣一般遵循ISO4090指導原則，可以有46cm x 38.6cm x 1.5cm的外部尺寸，所允許的X射線圖像尺寸為43cm x 35cm(14英寸x17英寸)。電源管理解決方案必須緊湊和高效，才能符合這么受限的尺寸要求，并最大限度地減少工作溫度的上升。

監(jiān)管法規(guī)

作為美國和歐洲監(jiān)管要求的一部分，醫(yī)療設(shè)備必須證明符合CISPR11(又稱為EN55011)法規(guī)。因為開關(guān)穩(wěn)壓器輻射電磁場，所以設(shè)計師必須全面了解開關(guān)穩(wěn)壓器對EMI兼容性的影響，或者必須選擇一種經(jīng)過測試、滿足制造商EMI輻射限制的電源解決方案。否則，為了實現(xiàn)與相關(guān)標準的符合性，有可能需要進行量大費時的產(chǎn)品迭代設(shè)計工作。對打算用于辦公樓的醫(yī)療設(shè)備規(guī)定了最為嚴格的輻射EMI限值，Group 1–Class B設(shè)備的輻射限值等同于針對辦公樓及家庭用信息技術(shù)設(shè)備所規(guī)定的EN55022 Class B (CISPR22 Class B)限值。

較長的產(chǎn)品壽命

對醫(yī)療設(shè)備而言，證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對于X射線平板傳感器來說，必須一次就正確獲得圖像，否則患者和醫(yī)護人員就會令人遺憾地再次面對輻射。最低限度，也會因診斷延遲而導致治療延遲，按照現(xiàn)代醫(yī)療標準，這種情況是不可接受的。

另一個需要考慮的因素是：選定電子組件的供貨時間能延續(xù)多久?經(jīng)歷了CE、UL、IEC和FDA等機構(gòu)漫長的監(jiān)管審批程序并獲得認證之后，每種醫(yī)療電子設(shè)備都應(yīng)能長期制造－達15年以上。這一時間長度比消費類產(chǎn)品的周期長得多，而消費類產(chǎn)品市場是很多電源管理半導體廠商的主要市場。僅由于組件淘汰而對產(chǎn)品重新進行鑒定，對于工程資源和公司收益都是一個沉重的負擔。

解決方案：先進的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器

為了幫助設(shè)計工程師應(yīng)對醫(yī)療應(yīng)用中的電子噪聲、熱量和尺寸挑戰(zhàn)，凌力爾特提供了超過50種不同的微型模塊(μModule)電源產(chǎn)品，為客戶提供了廣泛選擇。這些產(chǎn)品每一種都是高效率、全面集成的DC/DC開關(guān)電源管理解決方案，采用緊湊的表面貼裝封裝(圖1)。這些開關(guān)模式穩(wěn)壓器經(jīng)過仔細設(shè)計，在負輸出電壓和正輸出電壓電路配置中，以低輸出紋波工作，如圖2和3所示。微型模塊電源產(chǎn)品的一個子類是通過了EN55022 Class B認證的微型模塊穩(wěn)壓器，是克服醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)EMI挑戰(zhàn)之理想解決方案。這類開關(guān)穩(wěn)壓器經(jīng)過TUV等獨立實驗室的認證，以在輸出電流高達8A時，滿足行業(yè)標準EN55022 Class B(相當于CISPR11/EN55011 Group 1–Class B)對輻射EMI的要求。用各自的標準演示電路板進行測試所得的結(jié)果已公開在線提供。部分測試情況如圖4所示。選擇一個兼容和全面集成的降壓型解決方案，例如微型模塊穩(wěn)壓器，可在滿足這類要求時，節(jié)省設(shè)計時間，并降低與常見開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器相關(guān)的風險。

與高輸出紋波和輻射EMI有關(guān)的風險不應(yīng)該低估。這兩種因素都影響產(chǎn)品第一次就能正常發(fā)揮作用以及滿足嚴格的政府法規(guī)的能力。至于這兩種因素對X射線平板工作的影響，產(chǎn)品設(shè)計如果良好地控制了輸出紋波和EMI輻射，那么產(chǎn)品就能提供高信噪比，從而能提供高質(zhì)量、高分辨率的圖像，第一次就能獲得正確的圖像以避免治療延遲以及不必要地重復(fù)暴露于輻射之中，還能提供可靠的無線通信，并加速EMI兼容性測試。出于這些原因，凌力爾特做了很多工作，以確保這些設(shè)備通過TUV等獨立測試實驗室的認證，并公開在線提供測試結(jié)果。在克服噪聲和EMI問題以后，合適的電源管理解決方案就需要解決效率、可靠性和散熱問題了。

微型模塊電源產(chǎn)品是效率非常高的開關(guān)穩(wěn)壓器，采用由導熱塑料構(gòu)成的表面貼裝LGA或BGA封裝，封裝頂部是平坦的。一整塊平坦的封裝頂部覆蓋整個電源管理解決方案，有利于采取散熱措施，以最大限度地減少醫(yī)療設(shè)備外部任何一點的溫度上升(圖5)。正如之前提到的那樣，保持較低的工作溫度可提高對患者的安全性、信噪比以及設(shè)備的工作壽命。最大的微型模塊電源產(chǎn)品的尺寸為15mm x 15mm x 5mm，最小的則為6.25mm x 6.25mm x 2.3mm，因此采用微型模塊電源產(chǎn)品有助于為實現(xiàn)更重要的功能釋放空間，例如增大電池尺寸以在兩次充電之間工作更長時間。

微型模塊穩(wěn)壓器經(jīng)過了廣泛的器件級和電路板級測試，以確?？煽抗ぷ?。迄今為止，該產(chǎn)品系列已經(jīng)累計經(jīng)過了逾2350萬個器件-小時的電源周期和300萬次器件-小時加速壽命測試，從未發(fā)生故障。全套設(shè)計、應(yīng)用和制造指導原則確保這些微型模塊的性能滿足產(chǎn)品預(yù)期，這進一步為可靠性提供了支持。在網(wǎng)址www.linear.com.cn/umodule上，有一份完整的報告，列出了已進行過的所有可靠性測試以及測試結(jié)果。在長生產(chǎn)壽命以支持醫(yī)療設(shè)備方面，凌力爾特一直堅定不移地貫徹執(zhí)行產(chǎn)品的“不停產(chǎn)政策”，μModule電源產(chǎn)品將繼續(xù)秉承這一政策，因而可支持具有長生產(chǎn)期限的醫(yī)療設(shè)備。

圖1：微型模塊電源產(chǎn)品是完整的DC/DC開關(guān)解決方案，采用耐熱增強型LGA或BGA封裝，為通過封裝的頂部和底部散熱提供了一條便利的途徑。
Thermally Enhanced BGA or LGA Package：耐熱增強型BGA或LGA封裝
Magnetics：磁性材料
Compensation Circuitry：補償電路
Diodes：二極管
Capacitors Resistors：電容器和電阻器
Power Switches DC/DC Controller：電源開關(guān)和DC/DC控制器

圖2a和2b：LTM8023原理圖，12VIN至-7VOUT/1A，以不到30mVpp的輸出紋波工作，最大限度地減少了注入CMOS傳感器和信號調(diào)理組件的噪聲，需要一個負電壓源。
參見圖2a，獲取組件值
全帶寬

圖3：LTM4613僅有26mVpp的輸出紋波(12VIN至5VOUT/5A)，可最大限度地降低注入到CMOS傳感器和信號調(diào)理組件中的噪聲，從而提供高質(zhì)量圖像。

圖4：LTM4613以超過6dBuV/m的裕度，滿足EN55022 ClassB (相當于CISPR11 Group 1 Class B)的要求(12VIN至5VOUT/8A)。

圖5：沒有散熱器、在空氣自然對流情況下，LTM4613的最高外殼溫度為41°C (12VIN至5VOUT/5A)。如果熱連接到金屬外殼(無需額外費用的散熱器)，那么最高溫度會進一步降至低于40°C。
AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度
NO FORCED AIRFLOW：無強制氣流
NO HEAT SINK：無散熱器

結(jié)論

盡管本文專注于論述與數(shù)字X射線平板檢測器有關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)，但是本文所述挑戰(zhàn)并不是此產(chǎn)品獨有的。從外科手術(shù)系統(tǒng)附件、內(nèi)窺鏡到便攜式成像和監(jiān)視系統(tǒng)，醫(yī)療專業(yè)人員始終在尋求最有效、最可靠和最小的可用工具。在這些方面不斷實現(xiàn)突破的設(shè)備使醫(yī)療實踐得以取得進步，最大限度地減少了患者的不適、結(jié)疤和恢復(fù)時間，同時提高了人員的安全性。這類產(chǎn)品中的電子組件使醫(yī)生能更準確地實施治療、更全面地了解病情、以及有更好的控制能力，甚至能延長訓練有素的外科醫(yī)生的職業(yè)生涯。再加上商業(yè)企業(yè)對于有限的工程資源、產(chǎn)品上市時間、需要得到證明的產(chǎn)品可靠性和相匹配的長生產(chǎn)壽命，什么樣的電源解決方案才能滿足這些業(yè)務(wù)需求呢?凌力爾特的微型模塊電源產(chǎn)品線經(jīng)過仔細設(shè)計，已經(jīng)證明能滿足這些令人生畏的需求。