高性能数据采集系统增强数字X射线和MRI的图像

简介

数字X射线 (DXR)、磁共振成像和其他医疗设备要求数据采集系统具备小型、高性能、低功耗等特性,以满足竞争市场上医生、病人和制造商的需求。本文展示一款高精度、低功耗信号链,可解决多通道应用(如数字X射线,需多路复用多通道的大信号和小信号测量)以及过采样应用(如MRI,要求低噪声、高动态范围和宽带宽)带来的挑战。高吞吐速率、低噪声、高线性度、低功耗以及小尺寸使18位、5 MSPS PulSAR® 差分ADCAD7960成为这些高性能成像应用以及其他精密数据采集系统的理想选择。

数字X射线

人类于1895年通过胶片或闪烁屏检测的方式,首次发现了X射线。从此,人们便将这项技术用于各种医疗诊断场合,包括肿瘤科、牙科以及兽医学,以及众多工业成像应用。数字X射线能以固态传感器代替胶片检测器,包括平板探测器和线性扫描探测器。平板探测器使用两种技术:直接转换与间接转换。在直接转换中,硒光电池组成容性元件,直接将高频X射线光子转换为电流信号。而在间接转换中,碘化铯闪烁计数器首先将X射线光子转换为可见光,然后硅光电二极管阵列将可见光转换为电流信号。每个光电二极管代表一个像素。低噪声模拟前端将来自每个像素的小电流转换为大电压,然后再将电压转换为图像处理器能够处理的数据。如图1所示的典型DXR系统能以高采样速率,将很多通道多路复用至单ADC,而不会牺牲精度。

Figure 1
图1. 数字X射线信号链

今天,数字X射线探测器制造商通常采用间接转换。一百万像素以上的非晶硅平板探测器或光电二极管阵列捕获光子能量,将输出多路复用至12个或24个ADC。这项技术具有高效的X射线光子吸收和高性噪比,以一半的X射线照射量实时获得动态高分辨率图像。每像素的采样速率较低,数值从针对骨头和牙齿的几Hz,到获取婴儿心脏(人体内速度最快的器官)图像所需的最高120 Hz。

测量数字放射检查探测器的图像质量即可知其性能优劣,因此对X射线束进行精确采集和精细处理便显得尤为重要。数字放射检查具有更大的动态范围、高采集速度和帧速率,并采用特定的图像处理技术以保持一致性,从而增强图像质量。

医疗成像系统必须提供质量更佳的图像,以实现精确诊断和更短的扫描时间,降低病人所受X射线的照射量。高端放射检查系统(动态采集)一般用于外科中心和手术室中,而基本系统用于急诊室、小型医院或医生办公室中。工业成像系统必须耐用,因为它们的使用寿命非常长,并且可能位于高射线照射量的恶劣环境中。安保或行李检查应用可采用较低的X射线照射量,因为X射线源会在长时间内持续存在。

MRI梯度控制

如图2所示的MRI系统最适合大脑成像应用,或用于骨科、血管造影和血管研究等,因为该系统可扫描提供软组织的高对比度图像,无需将其暴露在电离辐射下。MRI工作频段为1 MHz至100 MHz RF,而计算机断层扫描 (CT) 和DXR工作在1016 Hz至1018 Hz频率范围内,并且需要让病人暴露在电路辐射下,会损害活组织。

MRI控制系统具有很小的容差,因此需要高性能元件。在MRI系统中,使用大线圈创建1.5 T至3 T主磁场。高电压(最高1000 V)施加于线圈,形成高达1000 A的所需电流。MRI系统使用梯度控制,并通过改变特定线圈内的电流,线性改变主磁场。对这些梯度线圈进行快速且精确的调制,改变主磁场,使其对准体内极小的位置。梯度控制使用RF能量,激发人体组织中某个较薄的横截面,以此产生x、y和z轴图像。MRI要求快速响应时间,并且要求其梯度精确控制到1 mA内 (1 ppm)。MRI系统制造商可采用模拟或数字域控制梯度。MRI系统的设计具有极长的开发时间、极高的物料成本等特点,并且与整体硬件和软件复杂性相关的风险极大。

Figure 2
图2. MRI系统

高性能数据采集信号链

图3显示高精度、低噪声、18位数据采集信号链,提供±0.8 LSB积分非线性 (INL)、±0.5 LSB差分非线性 (DNL) 以及99 dB信噪比 (SNR)。图4显示其采用5 V基准电压源时的典型FFT和线性度性能。该信号链的总功耗约为345 mW,与竞争型解决方案相比约低50%。

Figure 3
图3. 采用AD7960、ADA4899、AD8031和ADR4550的精密快速建立信号链
Figure 4
图4. AD7960典型FFT和线性度性能

这类高速、多通道数据采集系统可用于CT、DXR以及其他医疗成像应用中,这些应用都要求在不牺牲精度的前提下提供更高的采样速率。该系统的18位线性度以及低噪声性能可提升图像质量,而其5 MSPS吞吐速率可缩短扫描周期(每秒帧数更高),降低暴露在X射线下的剂量,提供精确的医疗诊断和更佳的患者体验。对多个通道进行多路复用处理可获得分辨率更高的图像,用于器官(如心脏)的完整分析,实现成本合理的诊断,并最大程度降低功耗。精度、成本、功耗、尺寸、复杂性以及可靠性对医疗设备制造商而言极为重要。

在CT扫描仪中,每通道使用一个采样保持电路捕获连续像素电流,并将输出多路复用至高速ADC。高吞吐速率允许将很多像素多路复用至单个ADC,可节省成本、空间与功耗。低噪声和良好的线性度提供高质量的图像。高分辨率红外摄像机可从该分辨率中获益。

过采样是以比奈奎斯特频率高得多的速率来对输入信号进行采样的过程。过采样用于光谱分析、MRI、气相色谱分析、血液分析以及其他需要具有宽动态范围的医疗仪器中,以便精确监控并测量多通道的小信号与大信号。高分辨率和高精度、低噪声、快速刷新速率以及极低的输出漂移等性能可大幅简化MRI系统的设计,降低开发成本与风险。

MRI系统的关键要求是在医院或医生办公室中可重复、长期稳定地测量。为了获得更佳的图片质量,这些系统还要求具有更高等级的线性度以及高动态范围 (DR),范围从直流到几十kHz。原则上讲,对ADC进行4倍过采样可额外提供1位分辨率,或增加6 dB的DR。由过采样而获得的DR改善为:ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB。许多情况下,Σ-Δ型ADC可以很好地实现过采样,但要求在通道间实现快速切换或要求进行精确直流测量时,过采样会受到限制。采用逐次逼近型 (SAR) ADC进行过采样还可改善抗混叠性能,降低噪声。

最先进的ADC架构

CT、DXR和其他多通道应用(或光谱仪、MRI和其他过采样应用)中的精密高速数据采集系统要求使用最先进的ADC。如图5所示,18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960采用容性数模转换器 (CAPDAC) 提供一流的噪声和线性度性能,并且无延迟或流水线延迟。该器件具有宽带宽、高精度 (100 dB DR) 以及快速采样 (200 ns) 性能,可用于医疗成像应用,极大降低多通道应用的功耗和成本。该器件采用小型 (5 mm × 5 mm)、易于使用的32引脚LFCSP封装,额定工作温度为–40°C至+85°C工业温度范围。16位AD7961与AD7960引脚兼容,可用于仅需16位性能的应用中。

Figure 5
图5. AD7960功能框图

如图6所示,容性DAC由差分18位二进制加权电容阵列(该阵列还可作为采样电容使用,采集模拟输入信号)、比较器以及控制逻辑组成。采样阶段结束后,转换控制输入 (CNV±) 变为高电平,输入IN+和IN−之间的差分电压被捕获,转换阶段开始。电容阵列中的每一个元件在GND和REF之间逐次切换,电荷被重新分配,输入与DAC值进行比较,且位根据结果予以保留或丢弃。该过程结束时,控制逻辑产生ADC输出代码。AD7960将于开始转换后约100 ns时返回采样模式。采样时间约为总周期的50%,这使AD7960易于驱动,同时放宽了ADC驱动器的建立时间要求。

Figure 6
图6. AD7960内部简化原理图

TAD7960系列采用1.8 V和5 V电源供电,以自时钟模式转换时的功耗仅为39 mW (5 MSPS)。功耗随采样速率线性变化,如图7所示。

Figure 7
图7. AD7960功耗与吞吐速率的关系

极低采样速率下的功耗主要由LVDS静态功率所决定。相比业内速度第二的18位SAR ADC器件,AD7960的速度要快两倍,功耗低70%,占位面积小50%。

AD7960提供3种外部基准电压选项:2.048 V、4.096 V和5 V。片内缓冲器使2.048 V基准电压翻倍,因此转换等效于4.096 V或5 V。

数字接口采用低电压差分信号 (LVDS),具有自时钟模式和回波时钟模式,提供ADC和主机处理器之间的高速数据传输(高达300 MHz)。由于多个器件可共享时钟,因此LVDS接口降低了数字信号的数量,简化了信号路由。它还能降低功耗,这在多路复用应用中尤为有用。自时钟模式利用主机处理器简化接口,允许接头采用简单时序同步每次转换的数据。若要让数字主机采集数据输出,则需要用到接头,因为数据不存在时钟输出同步。回波时钟模式提供稳定的时序,但要使用一对额外的差分对。输出数据速率低于20 kSPS,时,AD7960的典型动态范围超过120 dB,如图8所示。

Figure 8
图8. AD7960动态范围与输出数据速率的关系

ADC驱动器

ADC的采样时间决定ADC驱动器的建立时间要求。表1显示选择ADC驱动器时必须考虑的一些规格。通常,信号链性能应当在工作台上进行验证,确保获得所需性能。

表1. AD7960 ADC驱动器选型基准

ADC驱动器规格 通用公式 最低配置要求
带宽(f-3dB_amp)
Equation 1
40 MHz
压摆率
Equation 3
100 V/µs
建立时间 来自数据手册 100 ns
SNR
Equation 2
105.5 dB
请注意
N = 18, t
acq = 100 ns, Vrms_in2 = 52/2 = 12.5 V2, en_amp = 2 nV/√Hz, f–3dB_ADC = 28 MHz.

运算放大器的数据手册通常提供线性建立时间与压摆时间相结合的建立时间规格;本文提供的公式为一阶近似,假设线性建立和压摆均为50%(多路复用应用),采用5 V单端输入。

轨到轨放大器ADA4899-1具有600 MHz带宽、–117-dBc失真(1 MHz时)以及1 nV/√Hz噪声,如图9所示。配置为单位增益缓冲器并以5 V差分信号驱动AD7960的输入时,其0.1%建立时间不超过50 ns。

Figure 9
图9. ADA4899噪声频谱密度

基准电压源与缓冲器

低噪声、低功耗轨到轨放大器AD8031缓冲来自基准电压源ADR4550的5 V输出,具有高精度(±0.02%最大初始误差)、低漂移(2 ppm/°C最大值)、低噪声 (1 μV p-p) 以及低功耗(950 μA最大值)特性。第二个AD8031缓冲ADC的2.5 V共模输出电压。其低输出阻抗可保持稳定的基准电压,与ADC输入电压无关,从而最大程度降低INL。AD8031具有大容性负载稳定性,可驱动去耦电容,以便最大程度降低瞬态电流引起的尖峰。该器件适合从宽带电池供电系统到低功耗、高速、高密度系统的各种应用。

结论

采用ADI专利技术的高精度、低功耗信号链提供一流的速度、噪声和线性度性能,能够解决DXR和MRI梯度控制中高性能多路复用和过采样数据采集系统的难题。高性能信号链元器件采用小尺寸封装,节省空间,降低了多通道应用的成本。

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作者

Maithil Pachchigar

Maithil Pachchigar

Maithil Pachchigar 是ADI公司位于美国麻萨诸塞州威明顿市的仪器仪表、航空航天与国防业务部门的应用工程师。他于2010年加入ADI公司,从事仪器仪表、工业、医疗保健和能源行业的精密ADC产品相关工作和客户支持。自2005年以来,Maithil一直在半导体行业工作,并已发表多篇技术文章。他于2006年获得圣何塞州立大学电气工程硕士学位,并于2010年获得硅谷大学MBA学位。