解決DXR和MRI梯度控制問(wèn)題的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

簡(jiǎn)介

數(shù)字X射線 (DXR)、磁共振成像和其他醫(yī)療設(shè)備要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備小型、高性能、低功耗等特性，以滿足競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)上醫(yī)生、病人和制造商的需求。本文展示一款高精度、低功耗信號(hào)鏈，可解決多通道應(yīng)用（如數(shù)字X射線，需多路復(fù)用多通道的大信號(hào)和小信號(hào)測(cè)量）以及過(guò)采樣應(yīng)用（如MRI，要求低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍和寬帶寬）帶來(lái)的挑戰(zhàn)。高吞吐速率、低噪聲、高線性度、低功耗以及小尺寸使18位、5 MSPS PulSAR? 差分ADCAD7960成為這些高性能成像應(yīng)用以及其他精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。

數(shù)字X射線

人類于1895年通過(guò)膠片或閃爍屏檢測(cè)的方式，首次發(fā)現(xiàn)了X射線。從此，人們便將這項(xiàng)技術(shù)用于各種醫(yī)療診斷場(chǎng)合，包括腫瘤科、牙科以及獸醫(yī)學(xué)，以及眾多工業(yè)成像應(yīng)用。數(shù)字X射線能以固態(tài)傳感器代替膠片檢測(cè)器，包括平板探測(cè)器和線性掃描探測(cè)器。平板探測(cè)器使用兩種技術(shù)：直接轉(zhuǎn)換與間接轉(zhuǎn)換。在直接轉(zhuǎn)換中，硒光電池組成容性元件，直接將高頻X射線光子轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。而在間接轉(zhuǎn)換中，碘化銫閃爍計(jì)數(shù)器首先將X射線光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，然后硅光電二極管陣列將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。每個(gè)光電二極管代表一個(gè)像素。低噪聲模擬前端將來(lái)自每個(gè)像素的小電流轉(zhuǎn)換為大電壓，然后再將電壓轉(zhuǎn)換為圖像處理器能夠處理的數(shù)據(jù)。如圖1所示的典型DXR系統(tǒng)能以高采樣速率，將很多通道多路復(fù)用至單ADC，而不會(huì)犧牲精度。

今天，數(shù)字X射線探測(cè)器制造商通常采用間接轉(zhuǎn)換。一百萬(wàn)像素以上的非晶硅平板探測(cè)器或光電二極管陣列捕獲光子能量，將輸出多路復(fù)用至12個(gè)或24個(gè)ADC。這項(xiàng)技術(shù)具有高效的X射線光子吸收和高性噪比，以一半的X射線照射量實(shí)時(shí)獲得動(dòng)態(tài)高分辨率圖像。每像素的采樣速率較低，數(shù)值從針對(duì)骨頭和牙齒的幾Hz，到獲取嬰兒心臟（人體內(nèi)速度最快的器官）圖像所需的最高120 Hz。

測(cè)量數(shù)字放射檢查探測(cè)器的圖像質(zhì)量即可知其性能優(yōu)劣，因此對(duì)X射線束進(jìn)行精確采集和精細(xì)處理便顯得尤為重要。數(shù)字放射檢查具有更大的動(dòng)態(tài)范圍、高采集速度和幀速率，并采用特定的圖像處理技術(shù)以保持一致性，從而增強(qiáng)圖像質(zhì)量。

醫(yī)療成像系統(tǒng)必須提供質(zhì)量更佳的圖像，以實(shí)現(xiàn)精確診斷和更短的掃描時(shí)間，降低病人所受X射線的照射量。高端放射檢查系統(tǒng)（動(dòng)態(tài)采集）一般用于外科中心和手術(shù)室中，而基本系統(tǒng)用于急診室、小型醫(yī)院或醫(yī)生辦公室中。工業(yè)成像系統(tǒng)必須耐用，因?yàn)樗鼈兊氖褂脡勖浅ｉL(zhǎng)，并且可能位于高射線照射量的惡劣環(huán)境中。安?；蛐欣顧z查應(yīng)用可采用較低的X射線照射量，因?yàn)閄射線源會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)存在。

MRI梯度控制

如圖2所示的MRI系統(tǒng)最適合大腦成像應(yīng)用，或用于骨科、血管造影和血管研究等，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可掃描提供軟組織的高對(duì)比度圖像，無(wú)需將其暴露在電離輻射下。MRI工作頻段為1 MHz至100 MHz RF，而計(jì)算機(jī)斷層掃描 (CT) 和DXR工作在1016 Hz至1018 Hz頻率范圍內(nèi)，并且需要讓病人暴露在電路輻射下，會(huì)損害活組織。

MRI控制系統(tǒng)具有很小的容差，因此需要高性能元件。在MRI系統(tǒng)中，使用大線圈創(chuàng)建1.5 T至3 T主磁場(chǎng)。高電壓（最高1000 V）施加于線圈，形成高達(dá)1000 A的所需電流。MRI系統(tǒng)使用梯度控制，并通過(guò)改變特定線圈內(nèi)的電流，線性改變主磁場(chǎng)。對(duì)這些梯度線圈進(jìn)行快速且精確的調(diào)制，改變主磁場(chǎng)，使其對(duì)準(zhǔn)體內(nèi)極小的位置。梯度控制使用RF能量，激發(fā)人體組織中某個(gè)較薄的橫截面，以此產(chǎn)生x、y和z軸圖像。MRI要求快速響應(yīng)時(shí)間，并且要求其梯度精確控制到1 mA內(nèi) (1 ppm)。MRI系統(tǒng)制造商可采用模擬或數(shù)字域控制梯度。MRI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有極長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間、極高的物料成本等特點(diǎn)，并且與整體硬件和軟件復(fù)雜性相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)極大。

高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

圖3顯示高精度、低噪聲、18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈，提供±0.8 LSB積分非線性 (INL)、±0.5 LSB差分非線性 (DNL) 以及99 dB信噪比 (SNR)。圖4顯示其采用5 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)的典型FFT和線性度性能。該信號(hào)鏈的總功耗約為345 mW，與競(jìng)爭(zhēng)型解決方案相比約低50%。

這類高速、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可用于CT、DXR以及其他醫(yī)療成像應(yīng)用中，這些應(yīng)用都要求在不犧牲精度的前提下提供更高的采樣速率。該系統(tǒng)的18位線性度以及低噪聲性能可提升圖像質(zhì)量，而其5 MSPS吞吐速率可縮短掃描周期（每秒幀數(shù)更高），降低暴露在X射線下的劑量，提供精確的醫(yī)療診斷和更佳的患者體驗(yàn)。對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行多路復(fù)用處理可獲得分辨率更高的圖像，用于器官（如心臟）的完整分析，實(shí)現(xiàn)成本合理的診斷，并最大程度降低功耗。精度、成本、功耗、尺寸、復(fù)雜性以及可靠性對(duì)醫(yī)療設(shè)備制造商而言極為重要。

在CT掃描儀中，每通道使用一個(gè)采樣保持電路捕獲連續(xù)像素電流，并將輸出多路復(fù)用至高速ADC。高吞吐速率允許將很多像素多路復(fù)用至單個(gè)ADC，可節(jié)省成本、空間與功耗。低噪聲和良好的線性度提供高質(zhì)量的圖像。高分辨率紅外攝像機(jī)可從該分辨率中獲益。

過(guò)采樣是以比奈奎斯特頻率高得多的速率來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程。過(guò)采樣用于光譜分析、MRI、氣相色譜分析、血液分析以及其他需要具有寬動(dòng)態(tài)范圍的醫(yī)療儀器中，以便精確監(jiān)控并測(cè)量多通道的小信號(hào)與大信號(hào)。高分辨率和高精度、低噪聲、快速刷新速率以及極低的輸出漂移等性能可大幅簡(jiǎn)化MRI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)。

MRI系統(tǒng)的關(guān)鍵要求是在醫(yī)院或醫(yī)生辦公室中可重復(fù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定地測(cè)量。為了獲得更佳的圖片質(zhì)量，這些系統(tǒng)還要求具有更高等級(jí)的線性度以及高動(dòng)態(tài)范圍 (DR)，范圍從直流到幾十kHz。原則上講，對(duì)ADC進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的DR。由過(guò)采樣而獲得的DR改善為：ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB。許多情況下，Σ-Δ型ADC可以很好地實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣，但要求在通道間實(shí)現(xiàn)快速切換或要求進(jìn)行精確直流測(cè)量時(shí)，過(guò)采樣會(huì)受到限制。采用逐次逼近型 (SAR) ADC進(jìn)行過(guò)采樣還可改善抗混疊性能，降低噪聲。

最先進(jìn)的ADC架構(gòu)

CT、DXR和其他多通道應(yīng)用（或光譜儀、MRI和其他過(guò)采樣應(yīng)用）中的精密高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求使用最先進(jìn)的ADC。如圖5所示，18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960采用容性數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (CAPDAC) 提供一流的噪聲和線性度性能，并且無(wú)延遲或流水線延遲。該器件具有寬帶寬、高精度 (100 dB DR) 以及快速采樣 (200 ns) 性能，可用于醫(yī)療成像應(yīng)用，極大降低多通道應(yīng)用的功耗和成本。該器件采用小型 (5 mm × 5 mm)、易于使用的32引腳LFCSP封裝，額定工作溫度為–40°C至+85°C工業(yè)溫度范圍。16位AD7961與AD7960引腳兼容，可用于僅需16位性能的應(yīng)用中。

如圖6所示，容性DAC由差分18位二進(jìn)制加權(quán)電容陣列（該陣列還可作為采樣電容使用，采集模擬輸入信號(hào)）、比較器以及控制邏輯組成。采樣階段結(jié)束后，轉(zhuǎn)換控制輸入 (CNV±) 變?yōu)楦唠娖?，輸入IN+和IN?之間的差分電壓被捕獲，轉(zhuǎn)換階段開(kāi)始。電容陣列中的每一個(gè)元件在GND和REF之間逐次切換，電荷被重新分配，輸入與DAC值進(jìn)行比較，且位根據(jù)結(jié)果予以保留或丟棄。該過(guò)程結(jié)束時(shí)，控制邏輯產(chǎn)生ADC輸出代碼。AD7960將于開(kāi)始轉(zhuǎn)換后約100 ns時(shí)返回采樣模式。采樣時(shí)間約為總周期的50%，這使AD7960易于驅(qū)動(dòng)，同時(shí)放寬了ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間要求。

TAD7960系列采用1.8 V和5 V電源供電，以自時(shí)鐘模式轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗僅為39 mW (5 MSPS)。功耗隨采樣速率線性變化，如圖7所示。

極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態(tài)功率所決定。相比業(yè)內(nèi)速度第二的18位SAR ADC器件，AD7960的速度要快兩倍，功耗低70%，占位面積小50%。

AD7960提供3種外部基準(zhǔn)電壓選項(xiàng)：2.048 V、4.096 V和5 V。片內(nèi)緩沖器使2.048 V基準(zhǔn)電壓翻倍，因此轉(zhuǎn)換等效于4.096 V或5 V。

數(shù)字接口采用低電壓差分信號(hào) (LVDS)，具有自時(shí)鐘模式和回波時(shí)鐘模式，提供ADC和主機(jī)處理器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸（高達(dá)300 MHz）。由于多個(gè)器件可共享時(shí)鐘，因此LVDS接口降低了數(shù)字信號(hào)的數(shù)量，簡(jiǎn)化了信號(hào)路由。它還能降低功耗，這在多路復(fù)用應(yīng)用中尤為有用。自時(shí)鐘模式利用主機(jī)處理器簡(jiǎn)化接口，允許接頭采用簡(jiǎn)單時(shí)序同步每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。若要讓數(shù)字主機(jī)采集數(shù)據(jù)輸出，則需要用到接頭，因?yàn)閿?shù)據(jù)不存在時(shí)鐘輸出同步?；夭〞r(shí)鐘模式提供穩(wěn)定的時(shí)序，但要使用一對(duì)額外的差分對(duì)。輸出數(shù)據(jù)速率低于20 kSPS,時(shí)，AD7960的典型動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)120 dB，如圖8所示。

ADC驅(qū)動(dòng)器

ADC的采樣時(shí)間決定ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間要求。表1顯示選擇ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)必須考慮的一些規(guī)格。通常，信號(hào)鏈性能應(yīng)當(dāng)在工作臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，確保獲得所需性能。

運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供線性建立時(shí)間與壓擺時(shí)間相結(jié)合的建立時(shí)間規(guī)格；本文提供的公式為一階近似，假設(shè)線性建立和壓擺均為50%（多路復(fù)用應(yīng)用），采用5 V單端輸入。

軌到軌放大器ADA4899-1具有600 MHz帶寬、–117-dBc失真（1 MHz時(shí)）以及1 nV/√Hz噪聲，如圖9所示。配置為單位增益緩沖器并以5 V差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)AD7960的輸入時(shí)，其0.1%建立時(shí)間不超過(guò)50 ns。

基準(zhǔn)電壓源與緩沖器

低噪聲、低功耗軌到軌放大器AD8031緩沖來(lái)自基準(zhǔn)電壓源ADR4550的5 V輸出，具有高精度（±0.02%最大初始誤差）、低漂移（2 ppm/°C最大值）、低噪聲 (1 μV p-p) 以及低功耗（950 μA最大值）特性。第二個(gè)AD8031緩沖ADC的2.5 V共模輸出電壓。其低輸出阻抗可保持穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，與ADC輸入電壓無(wú)關(guān)，從而最大程度降低INL。AD8031具有大容性負(fù)載穩(wěn)定性，可驅(qū)動(dòng)去耦電容，以便最大程度降低瞬態(tài)電流引起的尖峰。該器件適合從寬帶電池供電系統(tǒng)到低功耗、高速、高密度系統(tǒng)的各種應(yīng)用。

結(jié)論

采用ADI專利技術(shù)的高精度、低功耗信號(hào)鏈提供一流的速度、噪聲和線性度性能，能夠解決DXR和MRI梯度控制中高性能多路復(fù)用和過(guò)采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難題。高性能信號(hào)鏈元器件采用小尺寸封裝，節(jié)省空間，降低了多通道應(yīng)用的成本。