基于高速信號(hào)鏈提高醫(yī)學(xué)成像質(zhì)量的設(shè)計(jì)研究

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(chǎng)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(chǎng)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、功耗以及性能。系統(tǒng)某一方面的性能增強(qiáng)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，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。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。

1 醫(yī)學(xué)成像接收鏈的組成元件

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)換成一個(gè) fit (one fit) 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(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)。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，僅接受信號(hào)鏈的模擬組件數(shù)量就可能需要增加到原來(lái)的 6 至 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。

2 高集成度： 數(shù)量更多，尺寸更小

一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來(lái)越多的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)典型的超聲波接受鏈而言，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?，最終將芯片數(shù)量減少了三分之一。另外，當(dāng)前的設(shè)計(jì)通常在每個(gè)芯片中都包括多個(gè)信號(hào)鏈通道，如 TI 推出的VCA8617 器件在其每個(gè)芯片中都擁有多達(dá) 8 個(gè) VGA 通道。通過(guò)器件的集成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以?xún)?yōu)化其設(shè)計(jì)，從而在功耗與性能之間做出權(quán)衡。VCA8613 為一款類(lèi)似的器件，相對(duì)于 105 mW 而言，該器件的功耗僅為 75 mW，但是卻出現(xiàn)了較高的噪聲（1.2 nV / Hz 與 1.0 nV / Hz 相比較而言）。

3 更低的功耗以及更高的性能

和放大器一樣，對(duì) ADC 的其他部分也進(jìn)行了類(lèi)似的集成。許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)都具有與 8 通道VGA 相匹配的 8 個(gè) ADC 通道。同時(shí)，ADC 雖然大幅降低了功耗，但是不會(huì)影響它們?cè)诘湫歪t(yī)學(xué)成像應(yīng)用中運(yùn)行包絡(luò)的性能。由于醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用的噪聲和線(xiàn)性度的約束，放大級(jí)通常為諸如鍺-硅之類(lèi)的內(nèi)置工藝。這些工藝使典型響應(yīng)頻率（從 DC 至 20 MHz）達(dá)到了最佳平衡——低噪聲、低功耗以及高線(xiàn)性度。相反，高速 ADC 通常使用 CMOS 工藝進(jìn)行構(gòu)建，因?yàn)樵摷夹g(shù)針對(duì) 10-14 位精度轉(zhuǎn)換器在功耗與性能方面做了很好的權(quán)衡。

由于 CMOS 技術(shù)的進(jìn)步，ADC 的功耗特性與外形尺寸已大大降低，但是其性能卻大大提高。與以前的 ADC 相比，ADS5271 的 ADC 通道增加了四倍，信噪比 (SNR) 提高了5.5dB。通過(guò)進(jìn)一步提高通道密度，新一代 ADC 將每個(gè)通道的功耗和板級(jí)空間降低了66%。另外，輸入頻率 (IF) 的 ADC 性能提高已實(shí)現(xiàn)了 MRI 的全新系統(tǒng)架構(gòu)。MRI 機(jī)器主磁體的窄帶 IF 范圍為 30 至 140 MHz。傳統(tǒng)架構(gòu)將 IF 向下混合接近 DC，在此可以使用一個(gè)高精度ADC 對(duì)輸入頻率進(jìn)行采樣?，F(xiàn)在，新一代 14 和 16 位 ADC 可在此范圍內(nèi)對(duì) IF 進(jìn)行輕松采樣。憑借數(shù)字抽取技術(shù)，這些 ADC 可實(shí)現(xiàn)與使用傳統(tǒng)架構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的相似的信噪比 (SNR)，從而在提高成像性能的同時(shí)節(jié)省了板級(jí)空間。

隨著成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中更加廣泛的使用，設(shè)備廠(chǎng)商將不斷設(shè)計(jì)推出成像質(zhì)量更佳的新型系統(tǒng)。為了幫助設(shè)備廠(chǎng)商追求卓越的成像效果，領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司將不斷研究、開(kāi)發(fā)和推出其所需的技術(shù)，以滿(mǎn)足高品質(zhì)成像產(chǎn)品的需求，這些產(chǎn)品的外形尺寸將更加小巧、功耗更低。