利用高速信號鏈提高醫學成像質量

就數據轉換器而言，醫療產業是一個不斷增長市場。在將溫度、圖像和聲音轉換成患者監控和診斷過程中處理和使用的數字信息時，我們就必須要使用高速數據轉換器。特別是對于 10 比特及更精度的設備來說，醫療成像設備呈現出一個快速增長的市場機遇。三個主要細分市場包括超聲波、磁共振成像 (MRI)，計算機斷層掃描術 (CT)，以及正電子放射斷層掃描術 (PET)。技術進步帶來了更快、更高精度的成像，以及更高的患者安全性。

與所有非常依賴科技進步的行業一樣，醫學成像設備廠商不得不持續改進他們的產品——主要是改進系統的成像質量。無論是超聲波反射聲波、核磁共振成像 (MRI) 磁場擾動還是正電子發射斷層成像 (PET) 的正電子發射，大多數醫學成像技術均需要患者信號接收傳感器陣列。提高成像質量的最直接方法就是擴大傳感器陣列規模。但是由于為設備添加了更多的傳感器，因此將信號傳輸至處理引擎的信號鏈就必須增加電子器件。與此同時，廠商還必須提高其系統標準，包括特定電子組件的尺寸、功耗以及成本。系統某一方面的性能提升也許會給其他方面帶來挑戰。僅僅增加傳感器和信號鏈就可能會引發包括系統尺寸及功耗增大在內的不利影響，就更不要說額外增加多個芯片的更多成本了。但是，用于醫學成像系統的最新 一代信號鏈組件使醫療系統設計人員既能改善信號鏈密度和功耗，同時又不影響動態性能——即系統同時實現更高的成像質量、更低 的功耗及更小的尺寸。

醫學成像接收機的組成元件

對于大多數典型醫學成像應用來說，傳感器陣列的每個元件都需要其自己的信號鏈從而將傳感器的小信號響應傳送并轉換成“1”以進行數字信號處理。因為成像應用傳感器的信號響應性質不盡相同，因此信號轉換過程中通常離不開三個主要有源組件。首先是低噪聲放大器 (LNA)，其主要功能是將模擬系統的噪聲系數 (NF) 盡可能地固定在一個較低水平。在 LNA 之后是對信 號進行增益的另一個放大級，以實現與末級(即模數轉換器 (ADC))輸入范圍的最佳匹配。

諸如 MRI 的應用(其通常在信號振幅方面擺幅不大)可以使用固定增益級。但是，如果系統在信號強度(如超聲波)方面存在很大差異，那么該系統則需要可變增益放大器 (VGA)，并且需要在 ADC 之前使用可編程增益放大器 (PGA)，以匹配 ADC 的滿量程輸入并最大化信噪比 (SNR)。經過 ADC 以后，模擬信號將被轉換成數字信號并準備發送至系統的數字信號處理器 (DSP)，該過程一般通過現場可編程門陣列 (FPGA) 完成進入末級的信號處理和轉換。對于 MRI 而言，在 LNA 和放大器之間也可能有一系列混頻級，以將磁體射頻 (RF) 能量轉換成為低頻能量。因為每個元件都需要三個或更多器件，傳感器每增加一倍，僅接收信號鏈的模擬組件數量就可能需要增加到原來的 6 到 10 倍!另外，功耗要求的增加就更不用說了。難怪系統設計人員總是不斷要求組件供應商對其新型集成電路 (IC) 設計進行創新，以解決尺寸相關的問題。集成：更多信號鏈、空間更小、功耗更低

一個主要的改進方面就是將越來越多的模擬有源器件集成在一個芯片上，進而減少系統所需的 IC 數量。就一個典型的超聲波接收鏈而言，每個傳感器可能都需要四個器件，其中三個為放大器。憑借現代設計與工藝，IC 供應商現在可提供將LNA、VCA 以及 PGA 集成在一個可變增益放大器的器件，與分立解決方案相比最終將芯片數量減少了三分之一。另外，當前的諸多設計都在單個芯片中集成了多個 VGA 通道，從而使設計更先進一步。TI 的新型 VCA8500 便是一個極好例子，在采用了 64 引腳 QFN 封裝的單個 IC 中就集成了 8 個VGA 通道。通過緊挨 PGA 集成一個低通抗混淆濾波器，實現了無需額外無源或有源外部組件的情況下 VGA 輸出可以直接進入 ADC 的輸入，從而節省更多的板級空間。利用這種方法，該器件領先于其他同類產品。請注意，在圖 1 中，如連續波 (CW) 開關矩陣和鉗位電路等醫療成像系統所特有的其他功能模塊也都集成到了該器件中。

圖 1 VCA8500的功能模塊圖