醫(yī)學(xué)成像：不斷縮小外形尺寸、提高性能

與所有非常依賴科技進(jìn)步的行業(yè)一樣，醫(yī)學(xué)成像設(shè)備廠商不得不持續(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。無論是超聲波反射聲波、核磁共振成像 （MRI） 磁場擾動(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)，廠商還必須縮小其系統(tǒng)尺寸、降低功耗并提高性能。系統(tǒng)某一方面的性能增強(qiáng)也許會(huì)給其他方面帶來挑戰(zhàn)。僅僅增加傳感器和信號(hào)鏈就可能會(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、更低的功耗以及更小的尺寸。

圖 1 超低功耗 VGA 的功能結(jié)構(gòu)圖

醫(yī)學(xué)成像接收機(jī)的組成元件

對于大多數(shù)典型醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用來說，傳感器陣列的每個(gè)元件都需要其自己的信號(hào)鏈將傳感器的小信號(hào)響應(yīng)傳送并轉(zhuǎn)換成一個(gè)匹配的小信號(hào)響應(yīng)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)換過程中通常離不開三個(gè)主要有源組件。首先是低噪聲放大器 （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)盡可能低的水平。第二個(gè)放大器通常是在 LNA 之后，以最佳匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 末級(jí)輸入擺幅的信號(hào)。

圖 2 噪聲系數(shù)與所選VGA 性能的對比關(guān)系

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)則需要可變增益放大器 （VGA），并且需要在 ADC 之前使用可編程增益放大器 （PGA）。經(jīng)過 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），該過程一般通過現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 完成進(jìn)入末級(jí)的信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換。對于 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，僅接收信號(hào)鏈的模擬組件數(shù)量就可能需要增加到原來的 6 至 10 倍！另外，功耗要求的增加就更不用說了。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)的問題。

高集成度：更多的信號(hào)鏈、更小的空間以及更低的功耗

一個(gè)主要的改進(jìn)方面就是將越來越多的模擬器件集成在一個(gè)芯片上，進(jìn)而減少系統(tǒng)所需的 IC 數(shù)量。就一個(gè)典型的超聲波接收鏈而言，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)可變增益放大器的器件，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，采用 64 引腳 QFN 封裝的一個(gè) IC 封裝就包含了多達(dá) 8 個(gè) VGA 通道。這就允許了 VGA 輸出直接進(jìn)入 ADC 的輸入端，而無需外部無源或有源組件，從而節(jié)約了更多的板級(jí)空間。在圖 1 中，其他功能模塊（如連續(xù)波距陣開關(guān)和鉗位電路，特別是對醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)而言）也被集成到了該器件中。

在一個(gè)器件中集成多個(gè)通道除了外形尺寸優(yōu)勢以外還有其他諸多優(yōu)勢。通常，第一個(gè)組件都是設(shè)計(jì)旨在作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體實(shí)現(xiàn)功耗與性能的平衡。雖然設(shè)計(jì)用于協(xié)同工作，但每個(gè)組件的性能看起來都要優(yōu)于系統(tǒng)所需的性能。因此當(dāng)各個(gè)組件協(xié)同工作時(shí)，每個(gè)組件都會(huì)向著過性能方向歪曲功耗與性能平衡，從而帶來比期望功耗更高的功耗。

但是在多級(jí) IC 中，設(shè)計(jì)人員可以對電源進(jìn)行分配，以最大程度地滿足設(shè)計(jì)要求，從而在不需要電能的模塊上幾乎不浪費(fèi)什么電能。較新的 VGA 就是一個(gè)不錯(cuò)的例子。由于低噪聲對超聲波成像系統(tǒng)至關(guān)重要，因此 LNA 功能對 VGA 設(shè)計(jì)而言也很重要。其輸入噪聲設(shè)置了系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的最低噪聲系數(shù)，而其增益又會(huì)直接影響后級(jí)噪聲的數(shù)量，該后級(jí)會(huì)影響最終的噪聲系數(shù)。通過平衡 LNA 級(jí)中功耗與性能，我們在提高 VGA 性能的同時(shí)便可實(shí)現(xiàn)較低功耗設(shè)計(jì)（請參見圖 2）。 以前的多通道 VGA 借助一條趨勢線在功耗與輸入等效噪聲之間權(quán)衡?？梢允褂妹客ǖ纼H消耗 75 mW的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)1.2 輸入等效噪聲，或?qū)崿F(xiàn) 0.7 輸入等效噪聲（如果每通道 150 mW 的功耗不過載功耗預(yù)算的話）。但是由于有了非常高效的低噪聲雙極結(jié)晶體管 （BJT），當(dāng)今的 VGA 可以對前端進(jìn)行優(yōu)化，從而在每通道僅為 63 mW 的情況下便可實(shí)現(xiàn) 0.8 的輸入等效噪聲。這就使得高性能成像系統(tǒng)在越來越小且更加便攜的同時(shí)功消耗更低的電能。

降低功耗

圖 3 隨采樣速率變化的功耗調(diào)節(jié)示例

ADC 也歷經(jīng)了類似的集成。許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)都具有與 8 通道 VGA 相匹配的 8 個(gè)高速 ADC 通道，通常精度在 10～14 位之間，采樣速率在 40～-65 MSPS 之間。通過整合輸出標(biāo)準(zhǔn)（如雙倍數(shù)據(jù)速率低壓差分信號(hào) （LVDS）），八通道 ADC 減少了每個(gè) ADC 的輸出引腳數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了更小的封裝尺寸。這還減少了 ADC 和數(shù)字處理引擎之間 I/O 線跡的數(shù)量，從而簡化了布局。 例如，8 個(gè)12 位 ADC 將需要96 個(gè)引腳和線跡來以并行 CMOS 格式輸出其數(shù)據(jù)。但是在每個(gè) ADC 都使用了一個(gè)串行化的 LVDS 對以后，只需要 20 個(gè)引腳和線跡就足夠了（ADC 具有 8 個(gè) LVDS 對，每個(gè)幀和位時(shí)鐘使用一個(gè) LVDS 對）。

ADC 雖然大幅降低了功耗，但是不會(huì)影響它們在典型醫(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)用的噪聲和線性度的約束，高效放大器級(jí)通常為諸如鍺-硅之類的內(nèi)置工藝以充分利用低噪聲 BJT。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、低功耗以及高線性度。相反，具有醫(yī)學(xué)成像所需典型采樣速率的高速 ADC 通常使用 CMOS 工藝進(jìn)行構(gòu)建，因?yàn)樵摷夹g(shù)針對 10-14 位精度采樣速率高達(dá) 65 MSPS 或以上的轉(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，但是其噪聲未受影響且性能大大提高，如 ADS5281。與以前的八通道設(shè)計(jì)相比，ADS5281 的功耗降低了近 50% 且外形尺寸也降低了幾乎 60%，與此同時(shí)信噪比 （SNR） 保持在 70dB。

基于 CMOS 的 ADC 簡化了可提供更多功率節(jié)省并隨著采樣速率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其功耗的設(shè)計(jì)。由于采樣速率降低了，因此 ADC 內(nèi)核和數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘需要的功耗也就少了。更新型的低功耗 ADC 充分利用了這一優(yōu)勢根據(jù) IC 采樣時(shí)鐘輸入調(diào)節(jié)其功耗。圖 3 顯示了 ADS5281/82 隨采樣速率而對其功耗進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況。在高采樣速率 （65 MSPS） 下，ADC 的每通道功耗為 77 mW，但是在低采樣速率 （20 MSPS） 下，其只消耗 43 mW 的功耗，即功耗降低了 45%。ADC 可進(jìn)入低功耗模式，但仍可轉(zhuǎn)換一定的模擬信號(hào)并將其傳輸?shù)綌?shù)字處理引擎。

ADC 在輸入頻率 （IF） 方面的性能提高已實(shí)現(xiàn)了 MRI 的全新系統(tǒng)架構(gòu)。MRI 機(jī)器主磁體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍介于 30～140 MHz 窄帶 IF 頻率，具體取決于主磁體磁場強(qiáng)度。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 Δ-Σ ADC對其進(jìn)行采樣?，F(xiàn)在，新一代 14 和 16 位 ADC 可以在保持高性能的同時(shí)在此范圍對 IF 進(jìn)行輕松采樣。憑借數(shù)字抽取和向下轉(zhuǎn)換技術(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)空間并節(jié)約了模擬混頻元件成本。

結(jié)論

由于諸如上述方面的不斷改進(jìn)，超聲波、MRI 以及 PET 成像質(zhì)量將不斷提高。憑借這些新型醫(yī)學(xué)成像信號(hào)鏈的改進(jìn)，我們將系統(tǒng)做的更小巧、更高效，或在不增加功耗的同時(shí)提高成像質(zhì)量?？傆幸惶旄哔|(zhì)量成像機(jī)器設(shè)備可以用來在家庭中檢查患者病情，而不再是患者必須要到醫(yī)院或診所等待醫(yī)生診斷。

作者簡介

Chuck Sanna 現(xiàn)任德州儀器 （TI） 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）及數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 產(chǎn)品營銷工程師。他畢業(yè)于美國西北大學(xué) （Northwestern University），獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于得克薩斯大學(xué)-達(dá)拉斯分校 （The University of Texas at Dallas），獲電子工程碩士學(xué)位。

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