תפקיד האדוקים ציוד ביו-רפואי ואבחון

Analog-to-Digital Converters (ADCs) הם מרכיבים בסיסיים בדמיית ביו-רפואית מודרנית וציוד אבחון.הם לגשר על העולם האנלוגי של אותות ביולוגיים ופלטי חיישן עם התחום הדיגיטלי של עיבוד, אחסון וניתוח.הנאמנות של ההמרה באופן ישיר קובע את איכות האבחנה של תמונות ואת הדיוק של המדידות, מה שהופך ADC ביצועים קריטי בעיצוב רפואי.

בדיון מורחב זה, אנו חוקרים את התפקיד של ADCs על פני שיטות הדמיה שונות, הפרמטרים העיקריים ביצועים חשובים בהגדרות קליניות, אתגרים עיצוב ומגמות מתפתחות המעצבות את הדור הבא של אבחון רפואי.

התפקיד הבסיסי של ADCs ב-Iaging

מערכות הדמיה ביו-רפואיות ללכוד מידע על הגוף באמצעות תופעות פיזיות שונות: X-ray intenuation (CT), התחדשות מגנטית (MRI), השתקפות אקוסטית (ultrasound), או דעיכה רדיואקטיבית (PET/SPECT) בכל מקרה, החיישן או הגלאי מייצר אות אנלוגי - מתח או זרם המשתנה ברציפות. ADCs דגימת אות זו בזמן דיסקרטי וממיר כל מדגם לזרם דיגיטלי לאחר מכן, לאחר מכן, ניתן לעבד אלגוריתמים.

המרה חייבת לשמור על המידע החיוני תוך דחיית רעש.לדמיה אבחון, אפילו אובדן קטן של מידע יכול להוביל לפתולוגיה מפספסת או חיובי כוזב.לכן, ADCs בציוד רפואי נבחרים ואופטימיזציה כדי לעמוד בדרישות מחמירות לפתרון, מהירות, לינאריות.

אדריכלות ADC במכשירים ביו-רפואיים

יישומים שונים של הדמיה להטיל שינויים מסחריים שונים בין החלטה, קצב דגימה, צריכת חשמל ועלות.כאן שלושת סוגי ADC הנפוצים ביותר בשימוש בציוד רפואי:

• (FLT:0) נספח (SAR) ADCs:ראה LT:1 שביתה זו איזון בין מהירות ורזולוציה, בדרך כלל מציע 12 עד 18 ביטים בשיעורי דגימה ממספר kS /s למספר MS /s. SAR ADCs משמשים נרחב ב- ECG ומערכות EEG כי הם מספקים מספיק פתרון כדי ללכוד ביואלקטרי עדין תוך שמירה על אותות נמוכים מספיק עבור תפעול נייד.
• (FLT:0Sigma-Delta ( ⁇ - ⁇ ) ADCs:Figma-Delta ( ⁇ - ⁇ ) ADCs: ADCs: ADCs ידוע עבור מאוד גבוה מאוד החלטה (עד 24 ביטים) ורעש מעולה בעיצוב, ⁇ - ⁇ ADCs מצטיינים ביישומים שבהם אותות הם גם חיישנים נמוכים ורעש חייב להיות מצמצם.
• (FLT:0)פלאש ADCsib: 1FLT) משתמשים אלה בנק של קומפוטורים כדי להשיג שיעורי המרה מהירים מאוד - עד כמה GS /s - אבל בעלות של החלטה נמוכה יותר (בדרך כלל 6 עד 8 סיביות) פלאש ADCs משמשים במודולים הדמיה בזמן אמת כמו אולטרסאונד beamforming ודמיית אופטית במהירות גבוהה שבו לכידת במהירות גבוהה דורש מבנים זמניים.

במערכות מתקדמות, ניתן לשלב ערוצי ADC מרובים (זמן-הטווח) כדי להגדיל את התפוקה הכוללת, או צינורות ADCs (סדרה של שלבים ברזולוציה נמוכה) יכול לספק פשרה בין מהירות דיוק.

ADC Performance Parameters המשפיעים על איכות אבחון

ארבעה מפרטים מרכזיים ADC משפיעים ישירות על איכות התמונות הרפואיות ונתונים אבחון: החלטה, שיעור הדגימה, יחס אות-לא-רעש (SNR), לינאריות.

החלטה ו- bit Depth

החלטה, אשר באה לידי ביטוי ב bits, קובעת את מספר רמות הדיסקרטיות שה- ADC יכול לייצג. A 12 סיביות ADC יכול להבחין בין 4096 רמות, בעוד ש- 16 סיביות ADC יכול להבחין בין 65,536 רמות.רזולוציה גבוהה יותר מאפשרת למערכת לזהות שינויים קטנים יותר בסימן האנלוגי, אשר חיוני להתבוננות בריאציות עדינות ברקמות או באירועים ביואלקטריים קטנים.

עם זאת, לעתים קרובות מגיעה עם עצירות מסחר במהירות ובעוצמה.ב- CT, שבו יש לרכוש ערוצי גלאי רבים בו זמנית, יש להכות איזון. רבים סורקי CT מודרניים להשתמש 16 עד 20 bit ADCs כדי ללכוד את שתי העצימות גבוהות (עמוד השדרה) ואת הפחתת האטמוספירה (רקמתרכה) ללא משיכה.

שיעור הנפיחות והבנדנדנדות

משפט Nyquist קובע כי כדי לבנות נאמנה אות, ADC חייב לדגום לפחות פעמיים את התדירות הגבוהה ביותר הנוכחי. in bioרפואית הדמיה, שיעורי דגימה נדרשים להשתנות באופן נרחב:

• אותות ECG יש תדרים עד 100 הרץ, כך ששיעורי הדגימה של 250-500 S / S הם מספיקים.
• Ultrasound משתמשת בתדרים בין 2 ל-15 MHz, המחייבים שיעורי דגימה של 40-60 MS / או יותר עבור beamforming דיגיטלית.
• היפנוזה אופטית (OCT) עשויה לדרוש שיעורי דגימה בטווח GS / של הדמיה מהירה.

תת-מפרסולינג יכול לגרום למזיקה, שבו מרכיבים גבוהים מופיעים כחפצים זולים כוזבים. Oversampling (מדגם מהיר יותר מהנדרש) יכול לשפר את SNR על ידי הפצת רעש קוונטי על רוחב פס רחב יותר, במיוחד כאשר בשילוב עם סינון דיגיטלי.

אותות ל- Noise Ratio (SNR) ומספר יעיל של ביטס

ה-SNR התיאורטי של ADC נקבע על ידי החלטתו: SNR (dB) = 6.02N + 1.76, שבו N הוא מספר ה bits. בפועל, אי-ידיות כגון רעש תרמי, ג'ייטר, ולא-לינאריות להפחית את מספר ה bits היעיל (ENB) עבור יישומים רפואיים, ENOB הוא יותר משמעותי מאשר החלטה לא-מין 16.

אותות ביו-רפואיים הם לעתים קרובות חלשים מאוד: אותות EEG הם על סדר המיקרו-וולטים, וסימנים fMRI BOLD יכולים להיות חלק זעיר של הבסיס. כדי להוציא אותות כאלה מרעש, ADCs עם גבוה ENOB ו רצפות רעש נמוך הם חיוניים.

קוהרנטיות ומשמעת

אי-לינאריות אינטגרלית (INL) ואי-לינאריות שונה (DNL) מתארת עד כמה הפלט בפועל של ADC משורה קדמית אידיאלית.בדמיה, אי-לינאריות יכולה לגרום לעיוות גאומטרי או מיפוי אינטנסיביות לא נכונה.לדוגמה, בגלאי רנטגן דיגיטליים, תגובה לא-לינארית A יכולה להוביל לאמדפיפות שגויות.

אתגרים באינטגרציה ADC עבור ציוד ביו-רפואי

תכנון ADCs לתוך מערכות הדמיה רפואית כרוך מספר אתגרים הנדסיים:

• (FLT:0) Noise Susceptibility:FearLT:1 אנליסטים אותות מן החיישנים הם לעתים קרובות amplitude נמוך רגישים להפרעה אלקטרומגנטית (EMI) מהמערכת עצמה (למשל, סלילים ⁇ ב-MRI, החלפת כוח) פריסה PCB קפדנית, מגן, וסימן שונה נדרשים לשמור על שלמות לפני המרה.
• (FLT:0) Power Contion:FLT:1 ומכשירים מושתלים חייבים לפעול על כוח סוללה. a קוצב או צג ECG לא יכול להרשות לעצמם עיצובים ADC כוח גבוה כוח נמוך כוח ADC, כגון אלה המשתמשים במבצע subthreshold או יישום מוצלח עם מפרשים דינמיים, הם קריטיים גם בסורקים גדולים, פירוק חום של מספר ה-ADC יכול להיות מלא של גלאיים לתוך מודולים.
• (FLT:0Data Rate Management:FLT:1) High-resolution, ADCs במהירות גבוהה לייצר זרמי נתונים עצומים. A 16-bit, 100 MS /s ADC מייצרת 200 MB /s של נתונים. במערכות מרובות ערוצים (למשל, 128-ערוצי MRI מקבלים מערך נתונים), שיעור הנתונים המצטבר יכול לעלות על 25 GB / מקומות כבדים אלה על שידור נתונים (VDS), ומעבדים אמיתיים).
• ציוד רפואי (FLT:0) טמפרל דריפט: ציוד רפואי חייב לפעול על פני מגוון של טמפרטורות מתחרות. ADCs עם חסכוני טמפרטורה נמוכה נדרשים לשמור על דיוק בחדרי MRI, סוויטות כירורגיות או אמבולנסים שדה.

ADC יישומים ב- Imaging Modalities

חידוש מגנטי (MRI)

ב-MRI, אות MR מושרה לקבל סלילים כמו גלנוסי בתדר Larmor (בדרך כלל 10-300 MHz) האות הוא מוגדל, מופרש לפס הבסיס, ולאחר מכן דיגיטציה. ADCs ב-MRI חייב להיות רזולוציה גבוהה (16-20 ביטים) כדי ללכוד את הטווח הדינמי הרחב מרעש לסימנים חזקים, ורעש נמוך לשימור SNR מודרני.

Tomography (CT)

גלאי CT מורכבים ממערך של אלמנטים פיסול-פוטוויד-פוטוויד שמייצרים זרמים אנלוגיים ביחס לעוצמת רנטגן.זרמים אלה משולבים ולאחר מכן דיגיטציה. CT ADCs חייב להתמודד עם טווח דינמי גבוה (מעל 20 ביטים) כי ההבדל בין אות דרך האוויר מול עצם צפופה יכול להיות יותר מ-100,000:1 בנוסף, המהירות של ה- gantry דורשות גבוהה, כך ש- ADC עם אינטגרציה עם 16 מ- אינטגרציה היא בעלת אלקטרוניקה גדולה.

אולטרה-סאונד

מערכות אולטרה סאונד להשתמש טרנספורמטיביים כי שניהם לשדר ולקבל גלי קול.הד המתקבל הם אותות אנלוגיים עם תדרים עד 15 MHz. כדי לבצע את beamforming דיגיטלית, כל ערוץ חייב להיות מדגום בקצב של לפחות 40 /s עם 12-14 סיביות החלטה אולטרסאונד גבוה יכול להיות 256 או יותר ערוצים, הדורשים הרבה ADCs פלאש או צינורות ADC משמשים כי הם כוללים את המגמות האחרונות של קידוד גבוה.

תצלום: Positron Emission Tomography (PET) ו- Single-Photon Emission CT (SPECT)

ברפואה גרעינית, גלאיים להמיר תמונות גמא לתוך הדופק החשמלי.הדופק amplitude הוא פרופורציה לאנרגיה פוטונית. ADCs לדיגיטליזציה של הדופקים האלה עבור אפליה אנרגיה ותזמון מקרי.PET דורש ADCs מהירים מאוד (hundreds of MS/s) עם החלטה מתונה (10-14 ביטים) כדי ללכוד במדויק את הדופקים הקצרים.

צילום רנטגן ופלואורסקופיה

גלאי רנטגן דיגיטליים, הן שטוח-panel והן רדיוגרפיה, משתמשים במערך photodiode או CCD /CMOS חיישן.הקריאה האנלוגית מוספרת על ידי ADCs עם 14-16 ביטים כדי לספק פתרון ניגוד טוב. in fluoroscopy, רכישה בזמן אמת דורשת החלטה נמוכה (10-12 ביטים) אבל גבוה יותר קצב המסחר בין רעש ומהירות מנוהל על ידי החלפת משתנים ו-ADC במגברים.

Bioelectric Signal Acquisition (ECG, EEG, EMG)

בעוד לא רק "איבוד", שיטות אלה לייצר אותות אבחון כי להסתמך במידה רבה על ADCs. מודרני ECG ו EEG מכונות להשתמש ⁇ - ⁇ ADCs עם 16-24 סיביות כדי ללכוד במדויק אותות בעלות נמוכה בנוכחות 50 / 60 התערבות. צריכת חשמל נמוכה הוא חיוני עבור צגים הולטר ותיקונים לביש.

מגמות מתפתחות בטכנולוגיית ADC עבור טיפול רפואי

יותר החלטה וטווח דינמי

יש דחיפה מתמשכת כלפי עומק גבוה יותר (+ ביטים) ו-ENOB כדי לשפר את הרגישות, במיוחד ב-Scarn-counting CT ו- MRI spectroscopy.אדריכלות חדשות כמו ⁇ - ⁇ - ⁇ sorators מציעים פתרון גבוה במהירויות בינוניות עם כוח נמוך יותר.

אינטגרציה עם אנליסטים Front-Ends

עיצובים של מערכת-on-chip (SoC) משלבים את ADC, מגבר, מסנן וממשק דיגיטלי לתוך מת יחיד.זה מקטין את שטח לוח, צריכת חשמל, ו איסוף רעש.

זמן-to-Digital Converters (TDCs) עבור Time-of-Flight

ב PET ו- LiDAR מבוסס הדמיה רפואית (למשל, זמן-of-טיס PET), תזמון מדויק חשוב יותר מאשר החלטה אמפולדה. TDCs מודדים את זמן ההגעה של הדופק עם דיוק פיקו השני, ביעילות החלפת ADCs מסורתי בדרך.

דלת וכוח אלחוטי

עבור חיישנים מושתלים כמו נוירו-סנסמולטורים או צגים גלוקוז רצופים, ADCs חייב לפעול ברמות כוח מיקרו-וואט תוך שמירה על 12-16 סיביות של החלטה.אדריכלות של חיזוי חסכוני עם פעילות דלת-טיפוח וחלוקת מטען פסיבית הם מפתח.

AI-Enhanced Data Conversion

מחקר חדש חוקר באמצעות למידת מכונה כדי לפצות על אי-ידיד של ADC (למשל, תיקון לא-לינאריות) או כדי להפחית את ההחלטה הנדרשת על ידי דחיסה בחוכמה של האות במהלך המרה.לדוגמה, רשת עצבית יכולה להיות מאומנת לשחזר תמונות ברזולוציה גבוהה מנתוני ADC נמוך, פוטנציאל לאפשר רכישה מהירה יותר או כוח נמוך יותר.

מערכות מקבילות

Multi ערוצים זמן קצר-טווח ADCs ו- דיגיטלי beamforming באולטרסאונד הדור הבא ו-MRI. מגמה זו מניעה דרישה בעלות נמוכה, כוח נמוך ADCs שיכול לפעול במאות רבות של MS /s במערך של 128 או יותר.

מסקנה

ממירים אנליסטים-ל-Digital הם העורכים הלא-מעורבים של הדמיה ביו-רפואית ואבחון.כפי שהמכשירים הרפואיים ממשיכים לדרוש החלטה גבוהה יותר, מהירות יותר, כוח נמוך יותר ואינטגרציה גדולה יותר, טכנולוגיית ADC תתפתח במנעול.מעולם המהיר של אולטרסאונד מחלחל לתחומים אולטרה-נמוכים של עונדים, בחירת ארכיטקטורת ADC ופרמטרים שלה או יכול לגרום למהנדסים חיוניים לחוקרים של מערכת אבחון.

(ב) לקריאה נוספת על ארכיטקטורות ADC, מתייחסת לסקירה מקיפה של טכנולוגיות ADC עבור מכשירים אנלוגים FLT:0 (Analog DevicessveFLT:1 ). עבור יישומים ספציפיים הדמיה רפואית, ה-FLT:2NIH סקירה של טכנולוגיות ADC עבור בריאותFLT 3, מספק קונטקסט מצוין.