医学影像技术及前端模拟子系统的需求介绍

自从威廉。伦琴于1895年给他妻子拍下了第一张模糊的X射线胶片，科学家们一直在寻找研究一种更好的，无创的能够探测人类内部结构的方法。这项研究最近几年受到越来越多的关注，因为婴儿潮（生育高峰期）的人们年纪越来越大，他们希望该项技术能提醒许多悬而未决的问题。他们肯定对一张模糊不清的照片不满意。

随着每天有超过1000个新生儿的生育高峰期（婴儿潮）出生的人到达65岁，医疗成像市场也在蓬勃发展。研究表明，由于人口老龄化和社会的发展，胶片市场以及医疗成像市场预计在2016年达到266亿美元。

对于婴儿潮出生的那一代人来说，幸运的是，对于人体探测已经存在多项技术，最早的是这个受人敬仰的X-射线，不过，有4项更复杂的探测人体方法正在试图提高精度和压低成本：计算机断层扫描（CT），正电子发射断层成像（PET），核磁共振成像（MRI）以及超声波成像。这些设备发送一个信号到人体，然后看人体有怎样的反应以及这种反应如何影响原始的信号或者返回的信号。

所有这些技术必须从前端一堆很大的噪音中识别出细微的重要的有效信号，这主要是在模拟领域。高保真，低噪声组件，以及设计在提取这些微弱的信号并且提供尽可能清晰的数字域信号以进一步进行处理和显示中起着非常重要的作用。根据是否可移植性，或者简单的减少痕迹，设计师要求更小的，更低功耗的组件。医疗成像在电子设计领域是要求最高（因而也是非常有趣和高利润）的行业。

我们将简单介绍下这4个技术，并了解前端模拟子系统的需求。

计算机断层扫描（CT）

一个二维的X-射线告诉不了你太多信息，但是CT却可以摄取大量的信息并结合电脑生成一个高分辨率的3D图像。

CT也是利用电离辐射创建人体内图像的两种技术之一。最简单的，CT扫描是人体的X-射线胶片的一部分。胶片会在感兴趣的领域重复。尽管由于性能的原因，多片发射器或者接收器通常彼此相邻分组。在探测时，为了产生一个“螺旋”图像，身体可以移动，这些可以释放到胶片或者3D成像。（看图1）

图1：人类大脑的CT扫描

X-射线可以穿透身体并打到闪烁晶体上，这种闪烁晶体可以吸收X-射线光子并且重新发出可见光光子，这种光子在一个光电二极管阵列中被捕获。二极管的电流和冲击电压成正比，这个电流通过一个跨阻放大器集成或转化成电压。

这些信号通过FET（场效应管）放大了几倍然后到了模数转换器（ADC），然后，这些信号可以传播到一个合适的距离进行处理和显示（图2）。如果ADC足够快，他们可以处理更多不同间隙之间的信号（达到数百微妙或更高），意味着一个做更多的多路复用和使用更少的转换器，以帮助降低面积和功耗。这个转换器必须可以处理典型的高动态范围的检测信号。在ADC中，Maxim 推荐的是MAX11047/8/9（16bit）和MAX11057/8/9（14bit），没颗芯片有4，6，8个独立的通道。他们可以工作达到250ksps。

图2：一种典型的CT前端

计算机断层扫描，就像传统的X射线摄像，依赖于电离辐射，这种可能造成基因损伤。因此美国的食品和药物管理局（FDA）制定了一套放射性安全法规（标题是 21CFR第J章），该法规针对人体探测做了些相关的限制。因此，芯片设计师为了得到更好的信号处理关注更快的，更安静的组件。

正电子发射断层成像（PET）

图3：PET扫描可探测方块和探测圆环

正电子发射断层成像（PET）扫描可以解决电离辐射，只是这次是伽马射线，从放射性同位素内部发射出来，它会在感兴趣的地方积累。这材料放射出了正电子，与附近的电子遭遇并湮灭，释放出一组伽马射线。这两种高能光子释放的方向大致相反。

技巧就在于从其他的伽马噪音中分辨出特定的伽马射线，因此，对于每个伽马脉冲，你不得不看是否有匹配的脉冲在另一侧同时发生。这个需要精确的灵敏度和时序。

一个圆形的探测器包含闪烁体用来满足光电倍增管（PMT），每个PMT通常由多个闪烁晶体来满足（见图3）。因为PMT不会精确匹配，每个PMT需要装备一种可变增益放大器（VGA）。每一个VGA又需要一个DAC将数字控制信号转换成相应的电压。在被一个10位到12位，采样率大约在50到100Msps的ADC采样之前先经过一个低通滤波器（图4）。整条链必须高度精确化和低噪声，同时保持低功耗和小组件以及紧凑感。美国ADI推荐他们的AD8332VGA作为削减PMT信号的一种选择，在通过滤波器发送他们到AD9230（12bit，采样率达到250Msps）之前。

图4，PET系统模块图

这里时序非常关键，每个信号获取了一个时间戳，并且这个时间戳用来比较来看是否两个对立事件是否一致。在新的系统中，时间戳是精确到足够锁定事件的源头。Maxim含有大量的比较器，包括MAX9601；他们的MAX5661 16位DAC可以被用于设置比较器的参考。