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利用高速信号链提高医学成像质量的研究

发布时间:2020-07-21 18:37:29 阅读: 来源:架子管厂家

就数据转换器而言,医疗产业是一个不断增长市场。在将温度、图像和声音转换成患者监控和诊断过程中处理和使用的数字信息时,我们就必须要使用高速数据转换器。特别是对于 10 比特及更精度的设备来说,医疗成像设备呈现出一个快速增长的市场机遇。三个主要细分市场包括超声波、磁共振成像 (MRI),计算机断层扫描术 (CT),以及正电子放射断层扫描术 (PET)。技术进步带来了更快、更高精度的成像,以及更高的患者安全性。

本文引用地址:与所有非常依赖科技进步的行业一样,医学成像设备厂商不得不持续改进他们的产品——主要是改进系统的成像质量。无论是超声波反射声波、核磁共振成像 (MRI) 磁场扰动还是正电子发射断层成像 (PET) 的正电子发射,大多数医学成像技术均需要患者信号接收传感器阵列。提高成像质量的最直接方法就是扩大传感器阵列规模。但是由于为设备添加了更多的传感器,因此将信号传输至处理引擎的信号链就必须增加电子器件。

与此同时,厂商还必须提高其系统标准,包括特定电子组件的尺寸、功耗以及成本。系统某一方面的性能提升也许会给其他方面带来挑战。仅仅增加传感器和信号链就可能会引发包括系统尺寸及功耗增大在内的不利影响,就更不要说额外增加多个芯片的更多成本了。但是,用于医学成像系统的最新 一代信号链组件使医疗系统设计人员既能改善信号链密度和功耗,同时又不影响动态性能——即系统同时实现更高的成像质量、更低 的功耗及更小的尺寸。

医学成像接收机的组成元件

对于大多数典型医学成像应用来说,传感器阵列的每个元件都需要其自己的信号链从而将传感器的小信号响应传送并转换成“1”以进行数字信号处理。因为成像应用传感器的信号响应性质不尽相同,因此信号转换过程中通常离不开三个主要有源组件。首先是低噪声放大器 (LNA),其主要功能是将模拟系统的噪声系数 (NF) 尽可能地固定在一个较低水平。在 LNA 之后是对信 号进行增益的另一个放大级,以实现与末级(即模数转换器 (ADC))输入范围的最佳匹配。

诸如 MRI 的应用(其通常在信号振幅方面摆幅不大)可以使用固定增益级。但是,如果系统在信号强度(如超声波)方面存在很大差异,那么该系统则需要可变增益放大器 (VGA),并且需要在 ADC 之前使用可编程增益放大器 (PGA),以匹配 ADC 的满量程输入并最大化信噪比 (SNR)。经过 ADC 以后,模拟信号将被转换成数字信号并准备发送至系统的数字信号处理器 (DSP),该过程一般通过现场可编程门阵列 (FPGA) 完成进入末级的信号处理和转换。对于 MRI 而言,在 LNA 和放大器之间也可能有一系列混频级,以将磁体射频 (RF) 能量转换成为低频能量。因为每个元件都需要三个或更多器件,传感器每增加一倍,仅接收信号链的模拟组件数量就可能需要增加到原来的 6 到 10 倍!另外,功耗要求的增加就更不用说了。难怪系统设计人员总是不断要求组件供应商对其新型集成电路 (IC) 设计进行创新,以解决尺寸相关的问题。

集成:更多信号链、空间更小、功耗更低

一个主要的改进方面就是将越来越多的模拟有源器件集成在一个芯片上,进而减少系统所需的 IC 数量。就一个典型的超声波接收链而言,每个传感器可能都需要四个器件,其中三个为放大器。凭借现代设计与工艺,IC 供应商现在可提供将LNA、VCA 以及 PGA 集成在一个可变增益放大器的器件,与分立解决方案相比最终将芯片数量减少了三分之一。另外,当前的诸多设计都在单个芯片中集成了多个 VGA 通道,从而使设计更先进一步。TI 的新型 VCA8500 便是一个极好例子,在采用了 64 引脚 QFN 封装的单个 IC 中就集成了 8 个VGA 通道。通过紧挨 PGA 集成一个低通抗混淆滤波器,实现了无需额外无源或有源外部组件的情况下 VGA 输出可以直接进入 ADC 的输入,从而节省更多的板级空间。利用这种方法,该器件领先于其他同类产品。请注意,在图 1 中,如连续波 (CW) 开关矩阵和钳位电路等医疗成像系统所特有的其他功能模块也都集成到了该器件中。

图 1 VCA8500的功能模块图

在一个器件中集成多个通道除具有体积优势以外,还拥有一些其他的好处。随着单个芯片中集成的有源和无源组件越来越多,功耗也同时得到降低。一般而言,所有组件的设计目的都是为了取得作为独立实体的自身功耗和性能平衡。为此,尽管它们的设计可能是为了互相配合工作,但是就系统而言,每一个组件的性能可能会高于需求。因此,当一起工作时,每一个组件往往都会改变功耗和性能平衡,让系统性能过高,带来过高的功耗。但是,在一个器件中集成多个级时,情况却并非如此。当设计多级 IC 时,设计人员可以对功耗进行分配,以便最为有效地满足设计要求,从而浪费极少的模块功耗。更新的 VGA 便是一个较好的例子。由于低噪声是超声波成像系统的关键,因此 LNA 功能是 VGA 设计的关键。其输入噪声决定系统的最小可达到噪声系数,而其增益又直接影响来自后面各级的噪声数量,从而影响最终的噪声系数(NF)。通过平衡和微调 LNA 级的功耗和性能关系,我们可以在提高 VGA 性能的同时获得低功耗设计。图 2 对此进行了较好描述。以前的多通道 VGA 通常依靠一条趋势线来平衡功耗和输入参考噪声。如果 1.2 输入等效噪声充分,则您可以使用一个每条通道仅消耗 75mW 的设计。或者,如果每条通道消耗 150mW 没有超过您的功耗预算,则您会拥有0.7 的输入等效噪声。但是,由于有较高效的低噪声双极结式晶体管 (BJT),因此 VCA8500 代 VGA 已能够对前端设计进行优化,从而获得仅为 63m /信道的 0.8 输入等效噪声,较好地控制在前代趋势线中。这让高性能成像系统能够使用更少的功耗,变得更小巧、更便携。

图 2 选定 VGA 的噪声系数和性能对比关系

降低功耗

其他 ADC 部分也经历了同放大器类似的集成。目前的许多设计都拥有 8 条高速 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 兆的采样速率 (MSPS)。通过集成诸如双数据速率低压差分信号摆动 (DDR LVDS) 等输出标准,这些八通道 ADC 还减少了每个 ADC 的输出引脚数目,从而让其可以适合于小尺寸封装。另外,串行化的数据格式减少了 ADC 和数字处理引擎之间的 I/O 线迹数量,当想要使用多个 8 通道 ADC 布局电路板时其为一种极为重要的特性。例如,8 个 12比特 ADC 会要求 96 个引脚和线迹以并行 CMOS 格式输出其数据。但是,如果每个 ADC 均使用一个串行化 LVDS 对,则只需 20 个引脚和线迹,ADC 使用 8个LVDS对,而帧和比特时钟则使用一对。

正如 VGA 一样,在典型的医疗成像应用中 ADC 也在没有影响其性能的情况下极大地降低了功耗。由于医疗成像应用带来的噪声和线性要求,高效放大器级通常为一些使用低噪声 BJT 的嵌入工艺,例如:硅锗 (SiGe) 工艺。这些工艺在 DC 到 20 MHz 一般响应频率下具有优异的低噪声、低功耗和高线性平衡性能。恰恰相反,医疗成像所需典型采样率的高速 ADC 一般使用 CMOS 工艺来制造,因为 65 MSPS 及以上的 10 到 14 比特精度转换器条件下这种技术具有较好的功耗和性能平衡性。

由于 CMOS 技术的进步,功耗特性和 ADC 体积均已得到极大减少,并且没有影响其噪声和失真性能。ADS5281 便是一个极好的例子。相比以前的八通道设计,这种新型 ADC 将功耗降低了 50%,体积也减小了约 60%,同时维持 70 dB SNR的 12 比特精度。通过让设计能够动态地利用采样速率调节功耗,基于 CMOS 的ADC 还提供了另一种层面的节能。就 CMOS 工艺管线 ADC 而言,由于采样速率的降低,ADC 内核和数据输出模块的功耗需求更低。低功耗 ADC 便利用这一点,并能根据 IC 的采样时钟输入调节其功耗要求。图 3 说明了 ADS5281/82 如何通过采样速率进行调节。在 65 MSPS 的高端,ADC 每通道消耗 77 mW,但是 在 20 MSPS 低数据速率时,它仅消耗 43mW(即降低 45%)功耗。通过让 ADC 能够切换至节能模式便可以在系统中利用这个特性,此时 ADC 仍然能够转换有限的模拟信号,并将它们传送至数字处理引擎。

图 3 ADS5281/82 中通过采样速率调节功耗

输入频率 (IF) 方面 ADC 性能的提高已经考虑到 MRI 的全新系统架构。MRI 设备的主磁产生一种窄带 IF,其存在于 30 – 140 MHz 范围内,有赖于主磁场的强度大小。传统架构将 IF 混频至 DC 附近,此时它可以由一个高精度 ?∑ ADC 进行采样。现在,更新型的 14 比特和 16 比特 ADC 均可以轻松地在该范围内采样,并维持高性能,即便它们在高 IF 范围中低采样信号的情况下也是如此。利用数字抽取和降频转换,这些 ADC 可以获得同使用传统架构时类似的 SNR,从而在提高成像性能的同时节省板级空间和模拟混频元件的成本。

由于组成电子元件的这些改进,MRI、超声波和 PET 成像系统不断完善。这些新型医疗成像信号链改进的结果是,可以将系统制造得更小巧、更低功耗,或者能够在不增加体积和功耗的情况下提高其成像性能,或者可以两者兼得。最终,可能不再要求广大患者到医院或诊所进行病情诊断。将来有一天,高品质的诊断成像设备可能会直接来到他们的面前。

总结

TI 完整信号链的所有系列半导体器件和解决方案将帮助用户进行设计,以应对不断增加的医疗挑战DD老龄化人口、不断上升的成本以及新兴经济体的高需求。从构建模块到整套解决方案,TI的产品、用户技术支持和应用知识都让设计人员更加轻松地在各种医疗应用中实施医疗设计创新,例如:医疗成像、消费类医疗设备、医疗仪器,以及诊断、患者监控和治疗。我们正同广大的用户一起开发创新的解决方案,以满足各种产品尺寸的需要,从而使医疗保健变得更简便、更低成本和更便携。

作者简介

Charles (Chuck) Sanna 现任德克萨斯州达拉斯 TI 高速模数转换器 (ADC) 和数模转换器产品营销工程师。他毕业于美国西北大学 (Northwestern University),获电子工程理学士学位,后又毕业于德克萨斯大学-达拉斯分校 (The University of Texas at Dallas),获电子工程硕士学位。在闲暇时间,Chuck 喜欢看足球比赛。

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