醫(yī)學影像技術及前端模擬子系統(tǒng)的需求介紹

自從威廉。倫琴于1895年給他妻子拍下了第一張模糊的X射線膠片，科學家們一直在尋找研究一種更好的，無創(chuàng)的能夠探測人類內部結構的方法。這項研究最近幾年受到越來越多的關注，因為嬰兒潮（生育高峰期）的人們年紀越來越大，他們希望該項技術能提醒許多懸而未決的問題。他們肯定對一張模糊不清的照片不滿意。

隨著每天有超過1000個新生兒的生育高峰期（嬰兒潮）出生的人到達65歲，醫(yī)療成像市場也在蓬勃發(fā)展。研究表明，由于人口老齡化和社會的發(fā)展，膠片市場以及醫(yī)療成像市場預計在2016年達到266億美元。

對于嬰兒潮出生的那一代人來說，幸運的是，對于人體探測已經存在多項技術，最早的是這個受人敬仰的X-射線，不過，有4項更復雜的探測人體方法正在試圖提高精度和壓低成本：計算機斷層掃描（CT），正電子發(fā)射斷層成像（PET），核磁共振成像（MRI）以及超聲波成像。這些設備發(fā)送一個信號到人體，然后看人體有怎樣的反應以及這種反應如何影響原始的信號或者返回的信號。

所有這些技術必須從前端一堆很大的噪音中識別出細微的重要的有效信號，這主要是在模擬領域。高保真，低噪聲組件，以及設計在提取這些微弱的信號并且提供盡可能清晰的數字域信號以進一步進行處理和顯示中起著非常重要的作用。根據是否可移植性，或者簡單的減少痕跡，設計師要求更小的，更低功耗的組件。醫(yī)療成像在電子設計領域是要求最高（因而也是非常有趣和高利潤）的行業(yè)。

我們將簡單介紹下這4個技術，并了解前端模擬子系統(tǒng)的需求。

計算機斷層掃描（CT）

一個二維的X-射線告訴不了你太多信息，但是CT卻可以攝取大量的信息并結合電腦生成一個高分辨率的3D圖像。

CT也是利用電離輻射創(chuàng)建人體內圖像的兩種技術之一。最簡單的，CT掃描是人體的X-射線膠片的一部分。膠片會在感興趣的領域重復。盡管由于性能的原因，多片發(fā)射器或者接收器通常彼此相鄰分組。在探測時，為了產生一個“螺旋”圖像，身體可以移動，這些可以釋放到膠片或者3D成像。（看圖1）

圖1：人類大腦的CT掃描

X-射線可以穿透身體并打到閃爍晶體上，這種閃爍晶體可以吸收X-射線光子并且重新發(fā)出可見光光子，這種光子在一個光電二極管陣列中被捕獲。二極管的電流和沖擊電壓成正比，這個電流通過一個跨阻放大器集成或轉化成電壓。

這些信號通過FET（場效應管）放大了幾倍然后到了模數轉換器（ADC），然后，這些信號可以傳播到一個合適的距離進行處理和顯示（圖2）。如果ADC足夠快，他們可以處理更多不同間隙之間的信號（達到數百微妙或更高），意味著一個做更多的多路復用和使用更少的轉換器，以幫助降低面積和功耗。這個轉換器必須可以處理典型的高動態(tài)范圍的檢測信號。在ADC中，Maxim 推薦的是MAX11047/8/9（16bit）和MAX11057/8/9（14bit），沒顆芯片有4，6，8個獨立的通道。他們可以工作達到250ksps。

圖2：一種典型的CT前端

計算機斷層掃描，就像傳統(tǒng)的X射線攝像，依賴于電離輻射，這種可能造成基因損傷。因此美國的食品和藥物管理局（FDA）制定了一套放射性安全法規(guī)（標題是 21CFR第J章），該法規(guī)針對人體探測做了些相關的限制。因此，芯片設計師為了得到更好的信號處理關注更快的，更安靜的組件。

正電子發(fā)射斷層成像（PET）

圖3：PET掃描可探測方塊和探測圓環(huán)

正電子發(fā)射斷層成像（PET）掃描可以解決電離輻射，只是這次是伽馬射線，從放射性同位素內部發(fā)射出來，它會在感興趣的地方積累。這材料放射出了正電子，與附近的電子遭遇并湮滅，釋放出一組伽馬射線。這兩種高能光子釋放的方向大致相反。

技巧就在于從其他的伽馬噪音中分辨出特定的伽馬射線，因此，對于每個伽馬脈沖，你不得不看是否有匹配的脈沖在另一側同時發(fā)生。這個需要精確的靈敏度和時序。

一個圓形的探測器包含閃爍體用來滿足光電倍增管（PMT），每個PMT通常由多個閃爍晶體來滿足（見圖3）。因為PMT不會精確匹配，每個PMT需要裝備一種可變增益放大器（VGA）。每一個VGA又需要一個DAC將數字控制信號轉換成相應的電壓。在被一個10位到12位，采樣率大約在50到100Msps的ADC采樣之前先經過一個低通濾波器（圖4）。整條鏈必須高度精確化和低噪聲，同時保持低功耗和小組件以及緊湊感。美國ADI推薦他們的AD8332VGA作為削減PMT信號的一種選擇，在通過濾波器發(fā)送他們到AD9230（12bit，采樣率達到250Msps）之前。

圖4，PET系統(tǒng)模塊圖

這里時序非常關鍵，每個信號獲取了一個時間戳，并且這個時間戳用來比較來看是否兩個對立事件是否一致。在新的系統(tǒng)中，時間戳是精確到足夠鎖定事件的源頭。Maxim含有大量的比較器，包括MAX9601；他們的MAX5661 16位DAC可以被用于設置比較器的參考。