Wilhelm Conrad R?tgen于1895年發(fā)現(xiàn)了X射線,，讓他獲得了第一個諾貝爾物理學(xué)獎，也為醫(yī)療成像領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ),。自那以后,，X射線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門廣泛的科學(xué)學(xué)科,，從最廣泛的意義上說，它是指眾多用于人體內(nèi)部的無創(chuàng)可視化技術(shù),。

　　本文討論一些主要的現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng),，這些系統(tǒng)雖然運(yùn)用完全不同的物理原理和處理技術(shù)，但都有一個共同點(diǎn)：采用模擬數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行信號調(diào)理，并將原始成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域,。

　　這個微小的前端功能模塊雖然深藏于復(fù)雜機(jī)器內(nèi)部,，但其性能卻會對整個系統(tǒng)的最終圖像質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它的信號鏈包括一個檢測元件,、一個低噪聲放大器(LNA),、一個濾波器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，而后者為本文討論的主題,。

　　在醫(yī)療成像領(lǐng)域的電子設(shè)計中,，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍、分辨率,、精度,、線性度和噪聲要求帶來了最嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文討論在不同成像模式環(huán)境中的這些設(shè)計挑戰(zhàn),，并概述了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳工作性能的高級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和集成解決方案,。

　　數(shù)字射線照相

　　數(shù)字射線照相(DR)的物理原理與所有傳統(tǒng)的吸收式射線照相系統(tǒng)相同。穿過人體的X射線經(jīng)過具有不同射線穿透性的人體組織衰減并投射在平板探測器系統(tǒng)上,，其原理如圖1所示,。探測器將X射線光子轉(zhuǎn)換為與入射粒子能量成正比的電荷。生成的電信號經(jīng)放大并轉(zhuǎn)換到數(shù)字域中,，以產(chǎn)生X射線圖像的精確數(shù)字表示,。其圖像質(zhì)量取決于空間與強(qiáng)度維度中的信號采樣。

　　在空間維度中,，最小采樣速率由探測器的像素矩陣大小和實(shí)時熒光透視成像的更新速率定義,。具有數(shù)百萬像素和典型更新速率高達(dá)25 fps至30 fps的平板探測器采用通道多路復(fù)用和多個ADC，采樣速率高達(dá)數(shù)十MSPS,，可在不犧牲精度的情況下滿足最短轉(zhuǎn)換時間要求,。

　　在強(qiáng)度維度中，ADC的數(shù)字輸出信號代表在特定曝光時間內(nèi)給定像素所吸收的X射線光子的積分量,。該值被分組為由ADC的位深度定義的離散電平的有限數(shù)值,。另一個重要參數(shù)是信噪比(SNR)，它定義了系統(tǒng)忠實(shí)地表示成像人體的解剖學(xué)特征的內(nèi)在能力,。數(shù)字X射線系統(tǒng)采用14位至18位ADC,，SNR水平范圍為70 dB至100 dB，具體取決于成像系統(tǒng)的類型及其要求,。有各種各樣的離散ADC和集成模擬前端,，可使各種類型的DR成像系統(tǒng)具有更高的動態(tài)范圍、更精細(xì)的分辨率,、更高的檢測效率和更低的噪聲,。

　　圖1.數(shù)字X射線探測器信號鏈,。

　　計算機(jī)斷層掃描

　　計算機(jī)斷層掃描(CT)同樣采用電離輻射技術(shù)，但與數(shù)字X射線技術(shù)不同的是,，它基于扇型探測器系統(tǒng),，與X射線源同步旋轉(zhuǎn)，并利用更復(fù)雜的處理技術(shù)生成血管,、軟組織等的高分辨率3D圖像,。

　　CT探測器是整個系統(tǒng)架構(gòu)的核心組件，它實(shí)際上是CT系統(tǒng)的心臟,。它由多個模塊組成,，如圖2所示。每個模塊將入射的X射線轉(zhuǎn)換為電信號,，并路由到多通道模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(ADAS),。每個模塊都包含一個閃爍晶體陣列、一個光電二極管陣列和含有多路復(fù)用至ADC的多個積分器通道的ADAS,。ADAS必須具有極低的噪聲性能,，以保持良好的空間分辨率，降低X射線劑量,，并具有極低的電流輸出以實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍性能,。為了避免圖像偽影并確保良好的對比度，轉(zhuǎn)換器前端必須具有出色的線性度性能并可提供低功耗工作模式,，以降低熱敏型探測器的冷卻要求,。

　　ADC必須具有至少24位的高分辨率才能獲得更優(yōu)質(zhì)、更清晰的圖像,，同時還要具有快速采樣速率（短至100 μs），以便數(shù)字化探測器讀數(shù),。ADC采樣速率還必須支持多路復(fù)用,，這樣就可以使用較少數(shù)量的轉(zhuǎn)換器，并且減小整個系統(tǒng)的尺寸和功耗,。

　　正電子發(fā)射斷層掃描

　　正電子發(fā)射斷層掃描(PET)涉及由引入人體的放射性核素產(chǎn)生的電離輻射,。它發(fā)射的正電子與組織中的電子碰撞，產(chǎn)生輻射方向大體相反的伽馬射線對,。這些高能光子對同時撞擊相對的PET探測器,，它們圍繞著支架口呈環(huán)狀排列。

　　PET探測器（如圖3所示）由一系列閃爍晶體和光電倍增管(PMT)組成,，它們將伽馬射線轉(zhuǎn)換為電流,，繼而轉(zhuǎn)換為電壓，然后通過可變增益放大器(VGA)放大并補(bǔ)償幅度變化,。然后將產(chǎn)生的信號在ADC和比較器路徑之間分離,，以提供能量和時序信息,，供PET重合處理器用于重建體內(nèi)放射性示蹤劑濃度的3D圖像。

　　圖2.CT探測器模塊信號鏈,。

　　圖3.PET電子前端信號鏈,。

　　如果兩個光子的能量約為511 keV，并且其探測時間相差不到十億分之一秒,，則它們可被歸類為相關(guān)光子,。光子的能量和探測時間差對ADC提出了嚴(yán)格的要求，ADC必須具有10至12位的高分辨率,，并且快速采樣速率通常需高于40 MSPS,。低噪聲性能可最大程度地擴(kuò)大動態(tài)范圍，而低功耗工作模式則可減少散熱,，這兩點(diǎn)對于PET成像也很重要,。

　　磁共振成像

　　磁共振成像(MRI)是一種無創(chuàng)醫(yī)療成像技術(shù)，它依賴于核磁共振現(xiàn)象,，并且無需使用電離輻射,，這使之有別于DR、CT和PET系統(tǒng),。

　　Mr信號的載波頻率直接與主磁場強(qiáng)度成比例,，其商用掃描儀頻率范圍為12.8 MHz至298.2 MHz。信號帶寬由頻率編碼方向的視場定義,，變化范圍從幾kHz到幾十kHz,。

　　這對接收器前端提出了特殊的要求，該前端通?；诰哂休^低速率SAR ADC的超外差式架構(gòu)（見圖4）,。然而，模數(shù)轉(zhuǎn)換的最新進(jìn)展使快速低功耗多通道流水線ADC能夠在最常見的頻率范圍內(nèi)以16位深度,、超過100 MSPS的轉(zhuǎn)換速率對MR信號直接進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換,。其動態(tài)范圍要求非常嚴(yán)苛，通常超過100 dB,。通過對MR信號過采樣可以提高分辨率,、增加SNR，并消除頻率編碼方向的混疊偽像,，從而增強(qiáng)圖像質(zhì)量,。為獲得快速掃描采集時間，可應(yīng)用基于欠采樣的壓縮檢測技術(shù),。

　　超聲波掃描術(shù)

　　超聲波掃描術(shù)或醫(yī)學(xué)超聲的物理原理與本文中討論的所有其他成像模式不同,。它使用頻率范圍為1 MHz至18 MHz的聲波脈沖。這些聲波掃描人體內(nèi)部組織并以不同強(qiáng)度的回波進(jìn)行反射,。實(shí)時獲取這些回波,，并顯示為超聲波掃描圖,，其中可能包含不同類型信息，如聲阻抗,、血流量,、組織隨時間的活動狀態(tài)或其僵硬程度。

　　醫(yī)療超聲前端（如圖5所示）的關(guān)鍵功能模塊由集成的多通道模擬前端(AFE)表示,，它包括低噪聲放大器,、可變增益放大器、抗混疊濾波器(AAF),、ADC和解調(diào)器,。對AFE最重要的要求之一是動態(tài)范圍。根據(jù)成像模式,，該要求可能需要達(dá)到70 dB至160 dB,，以便區(qū)分血液信號與探頭和身體組織運(yùn)動所產(chǎn)生的背景噪聲。因此,，ADC必須具有高分辨率,、高采樣速率和低總諧波失真(THD)，以保持超聲信號的動態(tài)保真度,。超聲前端的高通道密度還要求必須具有低功耗特性,。面向醫(yī)療超聲設(shè)備提供的一系列集成式AFE可實(shí)現(xiàn)最佳圖像質(zhì)量，并降低功耗,、系統(tǒng)尺寸和成本,。

　　圖4.MRI超外差式接收器信號鏈。

　　結(jié)論

　　醫(yī)療成像對電子設(shè)計提出了極為嚴(yán)苛的要求,。以低成本和緊湊的封裝提供低功耗,、低噪聲、高動態(tài)范圍和高分辨率性能,，是本文討論的現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)要求所決定的發(fā)展趨勢,。ADI公司可滿足這些要求，為關(guān)鍵的信號鏈功能模塊提供高度集成的解決方案,，推動實(shí)現(xiàn)一流的臨床成像設(shè)備，這些設(shè)備日益成為當(dāng)今國際醫(yī)療保健系統(tǒng)不可或缺的一部分,。下列產(chǎn)品適用于本文提到的各種醫(yī)療成像模式,。

　　  ADAS1256：這款高度集成的模擬前端包含256個通道，帶有低噪聲積分器,、低通濾波器和相關(guān)雙采樣器（多路復(fù)用到高速16位ADC中）,。它是一個完整的電荷-數(shù)字轉(zhuǎn)換解決方案，針對可直接安裝在數(shù)字X射線面板上的DR應(yīng)用而設(shè)計,。

　　  針對分立式DR系統(tǒng),，18位PulSAR?ADC AD7960提供99 dB的SNR和5 MSPS的采樣速率,，可提供無與倫比的性能，以滿足最高動態(tài)范圍的噪聲和線性度要求,。16位,、雙通道AD9269和14位、16通道AD9249流水線ADC分別可提供高達(dá)80 MSPS和65 MSPS的采樣速率,，以實(shí)現(xiàn)高速熒光透視系統(tǒng),。

　　  ADAS1135和ADAS1134：這兩款高度集成的256通道和128通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由低噪聲/低功耗/低輸入電流積分器、同步采樣保持器件以及具有可配置采樣速率和最高24位分辨率的兩個高速ADC組成,，提供出色的線性度,，可最大限度地提高CT應(yīng)用的圖像質(zhì)量。

　　  AD9228,、AD9637,、AD9219和AD9212：這幾款12位和10位多通道ADC的采樣速率從40 MSPS到80 MSPS，經(jīng)過優(yōu)化后具有出色的動態(tài)性能和低功耗,，可滿足PET要求,。

　　  AD9656：這款16位、四通道流水線ADC提供高達(dá)125 MSPS的轉(zhuǎn)換速率,，針對傳統(tǒng)的直接數(shù)字轉(zhuǎn)換MRI系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,，具有出色的動態(tài)性能和低功耗特性。

　　  AD9671：這款8通道集成式接收器前端專為低成本,、低功耗的醫(yī)療超聲應(yīng)用而設(shè)計,，采用14位ADC，采樣速率最高可達(dá)125 MSPS,。每個通道都經(jīng)過優(yōu)化,，在連續(xù)波模式下具有160 dBFS/√Hz的高動態(tài)性能和62.5 mW的低功率，適合要求小尺寸封裝的應(yīng)用,。

　　圖5.醫(yī)療超聲前端信號鏈,。

　　Anton Patyuchenko [[email protected]]于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后,，Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔(dān)任科學(xué)家,。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點(diǎn)客戶提供現(xiàn)場應(yīng)用支持,，主要負(fù)責(zé)醫(yī)療保健,、能源和微波應(yīng)用。