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数据收集体系增强数字X射线和MRI的图画

数字X射线(DXR)系统以固态传感器代替胶片式探测器,包括平板探测器和线性扫描探测器。平板探测器采用直接或间接变频。在直接变频中,硒光电池组成电容性元件,直接将高频光子转换为电流信号。

数字X射线(DXR)体系以固态传感器替代胶片式探测器,包含平板探测器和线性扫描探测器。平板探测器选用直接或直接变频。在直接变频中,硒光电池组成电容性元件,直接将高频光子转化为电流信号。

而在直接转化中,碘化铯闪耀计数器首先将光子转化为可见光,然后硅光电二极管阵列将可见光转化为电流信号。每个光电二极管代表一个像素。低噪声模仿前端将来自每个像素的小电流转化为大电压,然后再将电压转化为数字数据并传递给图画处理器。

典型的DXR体系(见图1)能以高采样速率将多个通道多路复用至单ADC,一起不会献身精度。


图1:数字X射线信号链

DXR检测器的制造商一般运用直接转化体系,在此类体系中,一百万像素以上的平板探测器或光电二极管阵列捕获光子能量,将输出多路复用至12个或24个ADC.这项技能具有高效的X射线光子吸收和高信噪比,以一半的X射线照耀量实时取得动态高分辨率图画。每像素的采样速率较低,数值从针对骨头和牙齿的几Hz,到获取婴儿心脏图画所需的最高120Hz.

医疗成像体系有必要供给质量更佳的图画,以完成准确确诊和更短的扫描时刻,下降患者所受X射线的照耀量。

高功用数据收集

图2显现高精度、低噪声、18位数据收集信号链,供给±0.8 LSB积分非线性(INL)、±0.5 LSB差分非线性(DNL)以及99 dB信噪比(SNR)。


图2:高精度快速设置信号链

这类数据收集体系可用于CT、DXR以及其他医疗成像运用中,这些运用都要求在不献身精度的前提下供给更高的采样速率。该体系的18位线性度和低噪声功用可提高图画质量,而其5 MSPS的吞吐速率可缩短扫描周期、下降暴露在X射线下的剂量。

对多个通道进行多路复用处理可取得分辨率更高的图画,用于器官(如心脏)的完好剖析,完本钱钱合理的确诊,并最大程度下降功耗。精度、本钱、功耗、尺度、复杂性以及可靠性等极为重要。

在CT扫描仪中,每通道运用一个采样坚持电路捕获接连像素电流,并将输出多路复用至高速ADC.高吞吐速率答应将许多像素多路复用至单个ADC,可节约本钱、空间与功耗。低噪声和杰出的线性度供给高质量的图画。高分辨率红外摄像机可从该分辨率中获益。

过采样是以比奈奎斯特频率高得多的速率来对输入信号进行采样的进程。过采样用于光谱剖析、MRI、气相色谱剖析、血液剖析以及其他需求具有宽动态规模的医疗仪器中,以便准确监控并丈量多通道的小信号与大信号。高分辨率和高精度、低噪声、快速改写速率以及极低的输出漂移等功用可大幅简化MRI体系的规划,下降开发本钱与危险。

MRI体系的要害要求之一是在医院或医师办公室中可重复、长时刻安稳地丈量。

为了取得更佳的图片质量,这些体系还要求具有更高等级的线性度以及高动态规模,规模从直流到几十kHz.原则上讲,对ADC进行4倍过采样可额定供给1位分辨率,或添加6 dB的DR.由过采样而取得的DR改进为:DR = log2 (OSR) x 3dB.许多情况下,Σ-Δ型ADC能够很好地完成过采样,但要求在通道间完成快速切换或要求进行准确直流丈量时,过采样会受到限制。选用逐次迫临型转化器进行过采样还可改进抗混叠功用,下降噪声。

转化器架构

成像体系和过采样运用中运用的精细高速数据收集体系需求先进的ADC.18位、5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960(见图3)选用容性DAC供给无推迟或流水线推迟的噪声和线性度。该器材具有宽带宽、高精度(100dB DR)以及快速采样(200ns)功用,可用于医疗成像运用,一起极大下降了多通道运用的功耗和本钱。


图3:AD7960功用框图

容性DAC由差分18位二进制加权电容阵列(该阵列还可作为采样电容运用,收集模仿输入信号)、比较器以及操控逻辑组成。采样阶段完毕后,转化操控输入(CNV±)变为高电平,输入IN+和IN?之间的差分电压被捕获,转化阶段开端。

电容阵列中的每一个元件在GND和REF之间逐次切换,电荷被重新分配,输入与DAC值进行比较,且位依据成果予以保存或丢掉。该进程完毕时,操控逻辑发生ADC输出代码。AD7960将于开端转化后约100 ns时回来采样形式。采样时刻约为总周期的50%,这使AD7960易于驱动,一起放宽了ADC驱动器的树立时刻要求。

AD7960系列选用1.8 V和5 V电源供电,以自时钟形式转化时的功耗为39 mW (5 MSPS)。AD7960供给3种外部基准电压选项:2.048 V、4.096 V和5 V,一起片内缓冲器使2.048 V基准电压翻倍,因而转化等效于4.096 V或5 V.

数字接口选用LVDS,具有自时钟形式和回波时钟形式,供给转化器和主机处理器之间的数据传输(最高达300 MHz)。由于多个器材可同享时钟,因而LVDS接口下降了数字信号的数量,简化了信号路由。

它还能下降功耗,这在多路复用运用中尤为有用。自时钟形式运用主机处理器简化接口,答应接头选用简略时序同步每次转化的数据。若要让数字主机收集数据输出,则需求用到接头,由于数据不存在时钟输出同步。回波时钟形式供给安稳的时序,但要运用一对额定的差分对。

ADC驱动器

转化器的收集时刻决议了ADC驱动器的树立时刻要求。运算放大器的数据手册一般供给线性树立时刻与压摆时刻相结合的树立时刻标准;本文供给的公式为一阶近似,假定线性树立和压摆均为50%,选用5 V单端输入。

AD8031轨到轨放大器缓冲ADR4550基准电压的5 V输出。第二个AD8031缓冲ADC的2.5 V共模输出电压。其低输出阻抗可坚持安稳的基准电压,与ADC输入电压无关,然后最大程度下降INL.AD8031具有大容性负载安稳性,可驱动去耦%&&&&&%,以便最大程度下降瞬态电流引起的尖峰,是各类低功耗运用的抱负之选。

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