用于医疗成像系统的高性能数据转换器

本文探讨了现代医学成像系统的主要类型，它们利用根本不同的物理原理和处理技术，但有一个共同点——模拟数据采集前端，用于信号调理和将原始成像数据转换为数字域。

这个微小的功能前端块隐藏在一台复杂的机器深处。然而，它的性能对整个系统的图像质量有着至关重要的影响。其信号链包括一个检测元件、一个低噪声放大器（LNA）、一个滤波器和一个模数转换器（ADC），后者是本文的主要主题。

数据转换器构成了医学成像在所需动态范围、分辨率、精度、线性度和噪声方面对电子设计提出的最苛刻的挑战。本文讨论了不同成像模式背景下的这些设计挑战，并概述了使其以最佳水平工作所需的高级数据转换器和集成解决方案。

数字射线照相

数字射线照相（DR）基于所有传统吸收式射线照相系统通用的物理原理。穿过身体的X射线被不同射线不透明度的组织衰减，并投射在平板检测器系统上，如图1所示。探测器将X射线光子转换为与入射粒子能量成比例的电荷。产生的电信号被放大并转换为数字域，以产生X射线图像的精确数字表示。该图像的质量取决于空间和强度维度上的信号采样。

在空间维度上，最小采样率由探测器的像素矩阵大小和实时荧光透视成像的更新速率定义。具有数百万像素和典型更新速率高达25 fps至30 fps的平板检波器采用通道多路复用和采样速率高达几十 MSPS的多个ADC，在不牺牲精度的情况下满足最短转换时间。

在强度维度上，ADC的数字输出信号表示在特定曝光时间内给定像素吸收的X射线光子的积分量。该值被分箱为由ADC的位深度定义的有限数量的离散电平。信噪比（SNR）是另一个重要参数，它定义了系统忠实地表示成像身体的解剖特征的内在能力。数字 X 射线系统使用 14 位至 18 位 ADC，SNR 水平范围为 70 dB 至 100 dB，具体取决于成像系统的类型及其要求。有各种各样的分立式ADC和集成模拟前端，使各种类型的DR成像系统具有更大的动态范围、更精细的分辨率、更高的检测效率和更低的噪声。

图1.数字X射线探测器信号链。

计算机断层扫描

计算机断层扫描（CT）也使用电离辐射，但与数字X射线技术不同，它基于与X射线源同步旋转的弧形探测器系统，并利用更复杂的处理技术来生成血管，软组织等的高分辨率3D图像。

CT探测器是整个系统架构的核心组件，实际上是CT系统的核心。它由多个模块组成，如图 2 所示。每个模块将入射X射线转换为电信号，路由到多通道模拟数据采集系统（ADAS）。每个模块包含一个闪烁晶体阵列、一个光电二极管阵列和ADAS，ADAS包含多个多路复用到ADC中的积分器通道。ADAS必须具有非常低的噪声性能，以在减少X射线剂量的情况下保持良好的空间分辨率，并以极低的电流输出实现高动态范围性能。为避免图像伪影并确保良好的对比度，转换器前端必须具有高度线性性能并提供低功耗操作，以放宽对温度敏感探测器的冷却要求。

ADC必须具有至少24位的高分辨率才能获得更好、更清晰的图像，并具有快速采样速率，才能对短至100 μs的检测器读数进行数字化处理。ADC采样速率还必须支持多路复用，这将允许使用更少的转换器，并减小整个系统的尺寸和功耗。

图2.CT探测器模块信号链。

正电子发射断层扫描

正电子发射断层扫描（PET）涉及由引入人体的放射性核素产生的电离辐射。它发射正电子，与组织中的电子碰撞，产生大致相反方向辐射的伽马射线对。这些高能光子对同时撞击相对的PET探测器，这些探测器围绕龙门孔排列成一个环。

PET探测器如图3所示，由一系列闪烁体和光电倍增管（PMT）组成，将伽马射线转换为电流，电流被转换为电压，然后使用可变增益放大器（VGA）放大和补偿幅度变化。产生的信号在ADC和比较器路径之间分配，以提供能量和时序信息，PET重合处理器用于重建体内放射性示踪剂浓度的3D图像。

如果两个光子的能量约为511 keV，并且它们的检测时间相差小于百亿分之一秒，则可以将其归类为相关光子。光子的能量和检测时间差对ADC提出了严格的要求，ADC必须具有10至12位的良好分辨率和通常优于40 MSPS的快速采样速率。低噪声性能以最大化动态范围和低功耗操作以减少散热对于PET成像也很重要。

图3.PET电子前端信号链。

磁共振成像

磁共振成像（MRI）是一种无创医学成像技术，它依赖于核磁共振现象，不使用电离辐射，这与DR，CT和PET系统区分开来。

MR信号的载波频率与主磁场强度直接成比例，商用扫描仪的频率范围为12.8 MHz至298.2 MHz。 信号带宽由频率编码方向的视场定义，可以从几kHz到几十kHz不等。

这对接收器前端提出了特定要求，该前端通常基于超外差架构（见图4）和较低速度SAR ADC。然而，模数转换的最新进展使快速、低功耗多通道流水线ADC能够在最常见的频率范围内对MR信号进行直接数字转换，转换速率超过100 MSPS，16位深度。对动态范围的要求非常苛刻，通常超过100 dB。通过对MR信号进行过采样来提高图像质量，从而提高分辨率，增加SNR，并消除频率编码方向上的混叠伪影。为了缩短扫描采集时间，应用了基于欠采样的压缩传感技术。

图4.MRI超外差接收器信号链。

超声

超声检查或医学超声基于与本文讨论的所有其他成像方式不同的物理原理。它利用频率范围为1 MHz至18 MHz的声波脉冲。这些波筛选身体内部组织，并将它们反射回不同强度的回波。这些回波被实时采集并显示为超声图，其中可能包含不同类型的信息，包括声阻抗、血流、组织随时间推移的运动或其硬度。

图5所示医疗超声前端的关键功能模块由集成的多通道模拟前端（AFE）表示，该前端包括低噪声放大器、可变增益放大器、抗混叠滤波器（AAF）、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态范围。根据成像模式，此要求可能需要70 dB至160 dB，以区分血液信号和探头和身体组织运动产生的背景噪声。因此，ADC必须提供高分辨率、高采样速率和低总谐波失真（THD），以保持超声信号的动态保真度。低功耗是超声前端高通道密度的另一个重要要求。有一系列用于医疗超声设备的集成AFE，可实现最佳图像质量，降低功耗，并减小系统尺寸和成本。

图5.医疗超声前端信号链。

结论

医学成像对电子设计提出了最苛刻的要求。低功耗、低噪声、高动态范围以及低成本和紧凑封装的高分辨率性能是本文讨论的现代医疗成像系统要求的常见趋势。ADI公司满足这些要求，并为关键信号链功能模块提供高度集成的解决方案，以实现一流的临床成像设备，这些设备正日益成为当今国际医疗保健系统不可或缺的一部分。以下是本文中提到的各种医学成像模式的理想选择产品列表。

ADAS1256：这款高度集成的模拟前端集成了256个通道，带有低噪声积分器、低通滤波器和相关双采样器，多路复用到高速16位ADC中。它是一种完整的电荷数字转换解决方案，专为DR应用而设计，可以直接安装在数字X射线面板上。

对于分立式DR系统，18位PulSAR ADC AD7960提供99 dB的SNR和5 MSPS的采样速率，可提供无与伦比的性能，满足对噪声和线性度最高动态范围的要求。16位、双通道AD9269和14位、16通道AD9249流水线ADC分别提供高达80 MSPS和65 MSPS的采样速率，支持高速荧光透视系统。®

ADAS1135和ADAS1134：这些高度集成的256通道和128通道数据采集系统由低噪声、低功耗、低输入电流积分器、同步采样保持器件和两个高速ADC组成，具有可配置的采样速率和高达24位的分辨率，具有出色的线性度性能，可最大限度地提高CT应用的图像质量。

AD9228、AD9637、AD9219和AD9212：这两款12位和10位多通道ADC的采样速率为40 MSPS至80 MSPS，针对出色的动态性能和低功耗进行了优化，可满足PET要求。

AD9656：这款16位四通道流水线ADC提供高达125 MSPS的转换速率，并针对传统和直接数字转换MRI系统架构的出色动态和低功耗性能进行了优化。

AD9671：这款8通道集成接收器前端专为低成本、低功耗医疗超声应用而设计，内置14位ADC，速率高达125 MSPS。每个通道都针对连续波模式下的 160 dBFS/√Hz 高动态性能和 62.5 mW 的低功耗进行了优化，适用于小封装尺寸至关重要的应用。

审核编辑：郭婷