不同医学成像方法电子设计存在的挑战

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  •      自20世纪70年代早期医学成像数字技术出现以来,数字成像的重要性得以日益彰显。半导体器件中混合信号设计能力方面的一些新进展,让成像系统实现了史无前例的电子封装密度,从而带来医学成像的巨大发展。同时,嵌入式处理器极大地提高了医疗图像处理和实时图像显示的能力,从而实现了更迅速、更准确的诊断。这些技术的融合以及许多新兴的电子健康记录标准为更为完善的病人护理提供了发展动力。

    本文将介绍不同成像方法电子设计存在的诸多挑战和一些最新动态,具体包括数字X射线、磁共振成像(MRI)和超声波系统。

    数字X射线系统

    传统的X射线系统使用一种胶片/屏幕装置来检测发射到人身体的X射线。然而,探测器系统中的数字X射线信号链包含一个照片探测器阵列,该探测器阵列将辐射转换成电荷。其后面是一些电荷积分器电路和模数转换器(ADC)电路,以数字化输入。图1显示了一个典型数字X射线系统结构图的例子。


    图1:数字X射线系统结构图示例。

    数字X射线系统性能与积分器和 ADC 模块的噪声性能密切相关。为了在低功耗条件下获得更高的图像质量,某个系统中支持大量信号通道所需的电子集成程度为技术的创新设定了一定的标准。正是由于组成探测器系统的许多高性能模拟组件以及执行高级图像处理任务的嵌入式处理器,X射线系统才拥有了许多相对于传统X射线系统的优势。这种组合支持更大的动态范围,从而可以获得更好的图像对比度和更低的患者X射线辐射水平,同时产生可电子存储和传输的数字图像。

    超声波系统

    超声波系统的接收通道信号链包括低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、低通滤波器(LPF)和高速高精度ADC。紧跟在这些组件后面的是数字波束生成、图像和多普勒处理以及其他信号处理软件(请参见图2)。


    图2:超声波系统结构图示例。

    信号链组件的噪声和带宽特性定义了系统的总性能上限。[1]另外,在耗散更低系统功率的同时,需要在更小的区域内集成更多的高性能通道。典型的手持式超声波系统可能具有约16到32条通道,而一些高端系统可能会有128条以上的通道,以获得更高的图像质量。要减少占用全部这些阵列通道的印制电路板(PCB),重点是在模拟前端IC中集成尽可能多的通道。总系统功耗是手持式系统的另一个重要性能指标。直接将接收端电子器件集成到了探针中是创新的另一个方面。

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