基于ADI 20位DAC的医疗成像系统设计

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  •       如今有多种多样的成像手段可供使用,如计算机断层扫描、X射线、超声和磁共振等。各种系统都有其优点和缺点,既可以用来生成人体某一部位或器官的静止图像,也可以用来生成动态影像以便医生核实或研究器官的活动情况。某些手术中也会用到动态影像。

      不同系统的成像能力也存在差别。X射线技术非常适合用于诊断骨骼疾病。超声利用声波来监视胎儿,可对器官以及心房、心室、血管中的血流情况成像。MRI则适合对软组织进行成像。对于上述各种医学成像系统,ADI公司都有相应的专业技术解决方案。本文重点介绍一款针对磁共振成像(MRI)等高性能应用而开发的新型高分辨率DAC。
     

      磁共振成像

      MRI主要用于产生人体内部的高质量图像,可以用来检测疾病,以及区分肿瘤与正常组织。人体的70%是脂肪和水,这两种物质均包含氢原子。MRI利用氢原子的磁性成像。

      进行MRI需要一个强大的均质磁场。磁场强度的单位为特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯,地球的磁场强度约为0.5高斯。目前的MRI系统使用1.5 T到3 T的磁场强度,有时甚至达到7 T。如此强的磁场由超导线圈磁铁产生,病人处于磁场中。图1显示了病人与MRI扫描仪线圈的位置关系。

      

    病人与MRI线圈的位置关系

     

      图1. 病人与MRI线圈的位置关系

      对于1.5T系统,所施加的频率约为64 MHz,3T系统则为128 MHz。这将导致人体内部的质子自旋,与磁场方向平行或反平行,从而处于低能态或高能态。磁场强度越高,则这两种自旋状态的能量差越大。移除所施加的磁场之后,质子转发磁能,所转发的磁能由接收线圈或天线进行测量。这些天线采用灵敏的前置放大器、增益模块和高分辨率ADC进行设计,符合120 dB至140 dB的整体动态范围要求。由于我们感兴趣的只是对人体的细小断层进行成像,因此需要对该均质磁场增加一个梯度。

      

    高分辨率梯度控制环路

     

      图2. 高分辨率梯度控制环路

      使用大线圈来传输这一梯度信号(磁化矢量),以便从我们感兴趣的单个断层提供响应。图2显示了一个MRI系统中实现的梯度控制环路。发送到梯度线圈的信号由一个输出功率达数兆瓦的放大器产生。频率范围相当低,因此其关键要求是稳定、高线性度和低漂移。这正是20位DAC AD5791具备的特性。为什么用20位DAC?

     

      如上所述,驱动MRI系统梯度线圈所需的功率以兆瓦计。如果仅以16位精度驱动一个2 MW放大器,则1 LSB将相当于最低30 W的步长!这就是需要使用更高分辨率DAC的原因。如果设计得当,20位DAC可以使系统性能达到2 W/LSB的精度水平。

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