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医学成像:不断缩小外形尺寸、提高性能

导读: 用于医学成像系统的最新信号链组件允许设计人员在不降低动态性能的同时提高信号链密度并降低功耗。此外,这些技术还可提高系统成像质量、降低功耗并缩小外形尺寸。本文将对这些令人振奋的产品进行概述。

  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,厂商还必须缩小其系统尺寸、降低功耗并提高性能。系统某一方面的性能增强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。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、更低的功耗以及更小的尺寸。

  

  图 1 超低功耗 VGA 的功能结构图

  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将传感器的小信号响应传送并转换成一个匹配的小信号响应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尽可能低的水平。第二个放大器通常是在 LNA 之后,以最佳匹配模数转换器 (ADC) 末级输入摆幅的信号。

  

  图 2 噪声系数与所选 VGA 性能的对比关系

  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)。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 至 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。

  高集成度:更多的信号链、更小的空间以及更低的功耗

  一个主要的改进方面就是将越来越多的模拟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,最终将芯片数量减少了三分之一。另外,当前的设计通常在每个芯片中都包括多个信号链通道,采用 64 引脚 QFN 封装的一个 IC 封装就包含了多达 8 个 VGA 通道。这就允许了 VGA 输出直接进入 ADC 的输入端,而无需外部无源或有源组件,从而节约了更多的板级空间。在图 1 中,其他功能模块(如连续波距阵开关和钳位电路,特别是对医学成像系统而言)也被集成到了该器件中。

  在一个器件中集成多个通道除了外形尺寸优势以外还有其他诸多优势。通常,第一个组件都是设计旨在作为一个独立的实体实现功耗与性能的平衡。虽然设计用于协同工作,但每个组件的性能看起来都要优于系统所需的性能。因此当各个组件协同工作时,每个组件都会向着过性能方向歪曲功耗与性能平衡,从而带来比期望功耗更高的功耗。

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