醫(yī)學(xué)成像：兩高一低新風(fēng)尚

　　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。（標(biāo)題中所說(shuō)的“兩高一低”指的是下文所提及的高集成度、高性能和低功耗。）

　　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(lái)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(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(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(duì)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?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA），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，僅接收信號(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。