Wilhelm Conrad Rötgen于1895年发现了X射线，让他取得了第一个诺贝尔物理学奖，也为医疗成像范畴奠定了根底。自那今后，X射线技能现已开展成为一门广泛的科学学科，从最广泛的含义上说，它是指很多用于人体内部的无创可视化技能。
本文评论一些首要的现代医疗成像体系，这些体系尽管运用彻底不同的物理原理和处理技能，但都有一个共同点：选用模仿数据收集前端进行信号调度，并将原始成像数据转化到数字域。
这个细小的前端功能模块尽管深藏于杂乱机器内部，但其功能却会对整个体系的终究图画质量发生至关重要的影响。它的信号链包括一个检测元件、一个低噪声扩展器(LNA)、一个滤波器和一个模数转化器(ADC)，而后者为本文评论的主题。
在医疗成像范畴的电子规划中，数据转化器的动态规模、分辨率、精度、线性度和噪声要求带来了最苛刻的应战。本文评论在不同成像形式环境中的这些规划应战，并概述了能够完成最佳作业功能的高档数据转化器和集成解决方案。
数字射线照相
数字射线照相(DR)的物理原理与一切传统的吸收式射线照相体系相同。穿过人体的X射线通过具有不同射线穿透性的人体安排衰减并投射在平板勘探器体系上，其原理如图1所示。勘探器将X射线光子转化为与入射粒子能量成正比的电荷。生成的电信号经扩展并转化到数字域中，以发生X射线图画的准确数字表明。其图画质量取决于空间与强度维度中的信号采样。
在空间维度中，最小采样速率由勘探器的像素矩阵巨细和实时荧光透视成像的更新速率界说。具有数百万像素和典型更新速率高达25 fps至30 fps的平板勘探器选用通道多路复用和多个ADC，采样速率高达数十MSPS，可在不献身精度的情况下满意最短转化时刻要求。
在强度维度中，ADC的数字输出信号代表在特定曝光时刻内给定像素所吸收的X射线光子的积重量。该值被分组为由ADC的位深度界说的离散电平的有限数值。另一个重要参数是信噪比(SNR)，它界说了体系忠诚地表明成像人体的解剖学特征的内涵才干。数字X射线体系选用14位至18位ADC，SNR水平规模为70 dB至100 dB，详细取决于成像体系的类型及其要求。有各式各样的离散ADC和集成模仿前端，可使各种类型的DR成像体系具有更高的动态规模、更精密的分辨率、更高的检测功率和更低的噪声。
图1.数字X射线勘探器信号链。
计算机断层扫描
计算机断层扫描(CT)相同选用电离辐射技能，但与数字X射线技能不同的是，它依据扇型勘探器体系，与X射线源同步旋转，并运用更杂乱的处理技能生成血管、软安排等的高分辨率3D图画。
CT勘探器是整个体系架构的中心组件，它实际上是CT体系的心脏。它由多个模块组成，如图2所示。每个模块将入射的X射线转化为电信号，并路由到多通道模仿数据收集体系(ADAS)。每个模块都包括一个闪耀晶体阵列、一个光电二极管阵列和含有多路复用至ADC的多个积分器通道的ADAS。ADAS有必要具有极低的噪声功能，以坚持杰出的空间分辨率，下降X射线剂量，并具有极低的电流输出以完成高动态规模功能。为了防止图画伪影并保证杰出的对比度，转化器前端有必要具有超卓的线性度功能并可供给低功耗作业形式，以下降热敏型勘探器的冷却要求。
ADC有必要具有至少24位的高分辨率才干取得更优质、更明晰的图画，一起还要具有快速采样速率（短至100 μs），以便数字化勘探器读数。ADC采样速率还有必要支撑多路复用，这样就能够运用较少数量的转化器，而且减小整个体系的尺度和功耗。
正电子发射断层扫描
正电子发射断层扫描(PET)触及由引进人体的放射性核素发生的电离辐射。它发射的正电子与安排中的电子磕碰，发生辐射方向大体相反的伽马射线对。这些高能光子对一起碰击相对的PET勘探器，它们围绕着支架口呈环状摆放。
PET勘探器（如图3所示）由一系列闪耀晶体和光电倍增管(PMT)组成，它们将伽马射线转化为电流，继而转化为电压，然后通过可变增益扩展器(VGA)扩展并补偿起伏改变。然后将发生的信号在ADC和比较器途径之间别离，以供给能量和时序信息，供PET重合处理器用于重建体内放射性示踪剂浓度的3D图画。
图2.CT勘探器模块信号链。
图3.PET电子前端信号链。
假如两个光子的能量约为511 keV，而且其勘探时刻相差不到十亿分之一秒，则它们可被归类为相关光子。光子的能量和勘探时刻差对ADC提出了严厉的要求，ADC有必要具有10至12位的高分辨率，而且快速采样速率一般需高于40 MSPS。低噪声功能可最大程度地扩展动态规模，而低功耗作业形式则可削减散热，这两点关于PET成像也很重要。
磁共振成像
磁共振成像(MRI)是一种无创医疗成像技能，它依赖于核磁共振现象，而且无需运用电离辐射，这使之有别于DR、CT和PET体系。
Mr信号的载波频率直接与主磁场强度成份额，其商用扫描仪频率规模为12.8 MHz至298.2 MHz。信号带宽由频率编码方向的视场界说，改变规模从几kHz到几十kHz。
这对接收器前端提出了特别的要求，该前端一般依据具有较低速率SAR ADC的超外差式架构（见图4）。但是，模数转化的最新进展使快速低功耗多通道流水线ADC能够在最常见的频率规模内以16位深度、超越100 MSPS的转化速率对MR信号直接进行数字转化。其动态规模要求十分苛刻，一般超越100 dB。通过对MR信号过采样能够进步分辨率、添加SNR，并消除频率编码方向的混叠伪像，然后增强图画质量。为取得快速扫描收集时刻，可使用依据欠采样的紧缩检测技能。
超声波扫描术
超声波扫描术或医学超声的物理原理与本文中评论的一切其他成像形式不同。它运用频率规模为1 MHz至18 MHz的声波脉冲。这些声波扫描人体内部安排并以不同强度的回波进行反射。实时获取这些回波，并显现为超声波扫描图，其间或许包括不同类型信息，如声阻抗、血流量、安排随时刻的活动状况或其生硬程度。
医疗超声前端（如图5所示）的要害功能模块由集成的多通道模仿前端(AFE)表明，它包括低噪声扩展器、可变增益扩展器、抗混叠滤波器(AAF)、ADC和解调器。对AFE最重要的要求之一是动态规模。依据成像形式，该要求或许需求到达70 dB至160 dB，以便区别血液信号与探头和身体安排运动所发生的背景噪声。因而，ADC有必要具有高分辨率、高采样速率和低总谐波失真(THD)，以坚持超声信号的动态保真度。超声前端的高通道密度还要求有必要具有低功耗特性。面向医疗超声设备供给的一系列集成式AFE可完成最佳图画质量，并下降功耗、体系尺度和本钱。
图4.MRI超外差式接收器信号链。
定论
医疗成像对电子规划提出了极为苛刻的要求。以低本钱和紧凑的封装供给低功耗、低噪声、高动态规模和高分辨率功能，是本文评论的现代医疗成像体系要求所决议的开展趋势。ADI公司可满意这些要求，为要害的信号链功能模块供给高度集成的解决方案，推进完成一流的临床成像设备，这些设备日益成为当今世界医疗保健体系不可或缺的一部分。下列产品适用于本文说到的各种医疗成像形式。
►ADAS1256：这款高度集成的模仿前端包括256个通道，带有低噪声积分器、低通滤波器和相关双采样器（多路复用到高速16位ADC中）。它是一个完好的电荷-数字转化解决方案，针对可直接装置在数字X射线面板上的DR使用而规划。
►针对分立式DR体系，18位PulSAR®ADC AD7960供给99 dB的SNR和5 MSPS的采样速率，可供给无与伦比的功能，以满意最高动态规模的噪声和线性度要求。16位、双通道AD9269和14位、16通道AD9249流水线ADC别离可供给高达80 MSPS和65 MSPS的采样速率，以完成高速荧光透视体系。
►ADAS1135和ADAS1134：这两款高度集成的256通道和128通道数据收集体系由低噪声/低功耗/低输入电流积分器、同步采样坚持器材以及具有可装备采样速率和最高24位分辨率的两个高速ADC组成，供给超卓的线性度，可最大极限地进步CT使用的图画质量。
►AD9228、AD9637、AD9219和AD9212：这几款12位和10位多通道ADC的采样速率从40 MSPS到80 MSPS，通过优化后具有超卓的动态功能和低功耗，可满意PET要求。
►AD9656：这款16位、四通道流水线ADC供给高达125 MSPS的转化速率，针对传统的直接数字转化MRI体系架构进行了优化，具有超卓的动态功能和低功耗特性。
►AD9671：这款8通道集成式接收器前端专为低本钱、低功耗的医疗超声使用而规划，选用14位ADC，采样速率最高可达125 MSPS。每个通道都通过优化，在接连波形式下具有160 dBFS/√Hz的高动态功能和62.5 mW的低功率，合适要求小尺度封装的使用。
图5.医疗超声前端信号链。
Anton Patyuchenko [anton.patyuchenko@analog.com]于2007年取得慕尼黑技能大学微波工程硕士学位。结业之后，Anton曾在德国航空航天中心(DLR)担任科学家。他于2015年参加ADI公司担任现场使用工程师，目前为ADI公司战略与要点客户供给现场使用支撑，首要担任医疗保健、动力和微波使用。
Anton Patyuchenko
