Роль Adcs в биомедицинской визуализации и диагностическом оборудовании

Аналоговые к цифровым преобразователям (ADC) являются основополагающими компонентами в современном биомедицинском визуализаторе и диагностическом оборудовании. Они соединяют аналоговый мир биологических сигналов и выходов датчиков с цифровой областью обработки, хранения и анализа. Точность преобразования непосредственно определяет диагностическое качество изображений и точность измерений, что делает производительность ADC критическим фактором в дизайне медицинского устройства.

В этом расширенном обсуждении мы исследуем роль АЦП в различных методах визуализации, ключевых параметрах эффективности, которые имеют значение в клинических условиях, проблемах проектирования и новых тенденциях, которые формируют следующее поколение медицинской диагностики.

Фундаментальная роль ADC в медицинской визуализации

Системы биомедицинской визуализации захватывают информацию о теле с использованием различных физических явлений: рентгеновского затухания (КТ), магнитного резонанса (МРТ), акустических отражений (ультразвук) или радиоактивного распада (ПЭТ/СПЕКТ). В каждом случае датчик или детектор производит аналоговый сигнал — напряжение или ток, который непрерывно изменяется. АЦП пробуют этот аналоговый сигнал с дискретными временными интервалами и преобразуют каждый образец в цифровое число. Цифровой поток затем может быть обработан алгоритмами реконструкции, улучшения и анализа.

Преобразование должно сохранять необходимую информацию при отказе от шума. Для диагностической визуализации даже небольшая потеря информации может привести к пропущенной патологии или ложным срабатываниям. Поэтому АЦП в медицинском оборудовании подбираются и оптимизируются для удовлетворения строгих требований к разрешению, скорости и линейности.

Ключевые архитектуры ADC в биомедицинских устройствах

Различные приложения для визуализации накладывают различные компромиссы между разрешением, частотой выборки, потреблением энергии и стоимостью. Вот три наиболее распространенных типа ADC, используемых в медицинском оборудовании:

В современных системах несколько каналов ADC могут быть объединены (временные) для увеличения общей пропускной способности, или трубопроводные ADC (серия этапов с низким разрешением) могут обеспечить компромисс между скоростью и точностью.

Параметры эффективности ADC, влияющие на качество диагностики

Четыре ключевых спецификации ADC напрямую влияют на качество медицинских изображений и диагностических данных: разрешение, скорость отбора проб, отношение сигнал/шум (SNR) и линейность.

Разрешение и битовая глубина

Разрешение, выраженное в битах, определяет количество дискретных уровней, которые может представлять ADC. 12-битный ADC может различать 4096 уровней, в то время как 16-битный ADC может различать 65 536 уровней. Более высокое разрешение позволяет системе обнаруживать меньшие изменения аналогового сигнала, что необходимо для наблюдения тонких изменений в контрасте тканей или мелкоамплитудных биоэлектрических событий. Например, в МРТ динамический диапазон принятого сигнала может быть большим, а использование ADC с недостаточной глубиной бита может либо срезать сильные сигналы, либо не разрешать слабые сигналы.

Однако более высокое разрешение часто сопровождается компромиссами в скорости и мощности. В КТ, где одновременно должно быть приобретено много каналов детектора, должен быть достигнут баланс. Многие современные КТ-сканеры используют от 16 до 20 бит АЦП для захвата как высокого затухания (косточки), так и низкого затухания (мягкая ткань) без насыщения.

Пропускная способность и пропускная способность

Теорема Найквиста гласит, что для добросовестной реконструкции сигнала АЦП должен отбирать образцы, по крайней мере, в два раза превышающие самую высокую частоту. В биомедицинской визуализации требуемые показатели выборки сильно различаются:

Недооценка может привести к псевдонимизации, когда высокочастотные компоненты появляются в качестве ложных низкочастотных артефактов. Перебор проб (более быстрый, чем необходимо) может улучшить SNR, распространяя шум квантования по более широкой полосе пропускания, особенно в сочетании с цифровой фильтрацией.

Соотношение сигнал/шум (SNR) и эффективное количество битов

Теоретический SNR ADC определяется его разрешением: SNR (dB) = 6,02N + 1,76, где N — число битов. На практике неидеальности, такие как тепловой шум, джиттер и нелинейность, уменьшают эффективное количество битов (ENOB). Для медицинских применений ENOB является более значимой метрической величиной, чем номинальное разрешение. 16-битный ADC с плохой линейностью может достичь только 12 ENOB.

Биомедицинские сигналы часто крайне слабы: ЭЭГ-сигналы находятся в порядке микровольт, а сигналы fMRI BOLD могут быть крошечной долей исходного уровня. Для извлечения таких сигналов из шума необходимы АЦП с высоким ENOB и низким уровнем шума.

Линейность и искажение

Интегральная нелинейность (INL) и дифференциальная нелинейность (DNL) описывают, насколько фактический выход ADC отклоняется от идеальной прямой. В визуализации нелинейность может вызвать геометрическое искажение или неправильное отображение интенсивности. Например, в цифровых рентгеновских детекторах нелинейный ответ ADC может привести к ошибочным оценкам плотности ткани. Для количественных модальностей визуализации, таких как КТ с двойной энергией и ПЭТ, требуются высоколинейные ADC.

Проблемы интеграции ADC для биомедицинского оборудования

Проектирование ADC в медицинских системах визуализации включает в себя несколько инженерных задач:

ADC приложения через модальности изображения

Магнитно-резонансная томография (MRI)

В МРТ сигнал МР индуцируется в приемных катушках в виде синусоидальной формы волны на частоте Лармора (обычно 10-300 МГц). Сигнал усиливается, демодулируется до базовой полосы, а затем оцифровывается. АЦП в МРТ должны иметь высокое разрешение (16-20 бит) для захвата широкого динамического диапазона от шума до сильных сигналов и низкого шума для сохранения SNR. Современные МРТ-сканеры часто используют Σ-Δ или трубопроводные АЦП со скоростями отбора проб в десятках МС/с. Количество каналов приемника выросло с 8 до 128 и более, каждый со своим собственным АЦП, что позволяет параллельно визуализировать и быстрее сканировать.

Компьютерная томография (CT)

КТ-детекторы состоят из массива сцинтилляторно-фотодиодных элементов, которые производят аналоговые токи, пропорциональные интенсивности рентгеновского излучения. Эти токи интегрированы и затем оцифрованы. КТ-АЦП должны обрабатывать высокий динамический диапазон (более 20 бит), потому что разница в сигнале через воздух по сравнению с плотной костью может быть более 100 000:1. Кроме того, скорость вращения козла требует высокой частоты кадров, поэтому АЦП с 16-20 битами и многоканальной интеграцией являются общими. Диссипация мощности является серьезной проблемой, потому что тепло от электроники может ухудшить производительность детектора.

Ультразвук

Ультразвуковые системы используют пьезоэлектрические преобразователи, которые передают и принимают звуковые волны. Принятые эхо-сигналы являются аналоговыми сигналами с частотами до 15 МГц. Для выполнения цифрового формирования луча каждый канал должен быть отобран со скоростью не менее 40 мс/с с разрешением 12-14 бит. Высокопроизводительные ультразвуковые машины могут иметь 256 или более каналов, требующих много ADC. Флеш- или трубопроводные ADC используются из-за требования скорости. Последние тенденции включают использование Σ-Δ ADC с избыточной выборкой для достижения высокого динамического диапазона для доплеровской визуализации.

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и однофотонная эмиссионная КТ (SPECT)

В ядерной медицине детекторы преобразуют гамма-фотоны в электрические импульсы. Амплитуда импульсов пропорциональна энергии фотонов. АЦП оцифровывают эти импульсы для энергетической дискриминации и синхронизации. ПЭТ требует очень быстрых АЦП (сотни МС/с) с умеренным разрешением (10-14 бит) для точного захвата импульсов короткой сцинтилляции. Разрешение синхронизации имеет решающее значение для удаления случайных совпадений. Все чаще используются кремниевые фотоумножители (SiPM), производящие аналоговые сигналы, которые оцифровываются высокопроизводительными АЦП.

Рентген и флюороскопия

Цифровые рентгеновские детекторы, как плоскопанельные, так и компьютерные рентгенографы, используют фотодиодный массив или CCD/CMOS-датчик. Аналоговое считывание оцифровывается АЦП с 14-16 битами для обеспечения хорошего контрастного разрешения. При флюороскопии получение в реальном времени требует более низкого разрешения (10-12 бит), но более высокой частоты кадров. Компромисс между шумом и скоростью управляется путем выбора усилителей с переменной суммой и соответствующих АЦП.

Биоэлектрическое приобретение сигналов (ECG, EEG, EMG)

Хотя эти методы не являются строго «визуальными», они производят диагностические сигналы, которые в значительной степени зависят от ADC. Современные ЭКГ и ЭЭГ-машины используют ADC Σ-Δ с 16-24 битами для точного захвата сигналов низкой амплитуды при наличии помех 50/60 Гц. Низкое энергопотребление имеет важное значение для мониторов Holter и носимых патчей. Многие устройства интегрируют усилитель низкого шума и ADC на одном чипе, уменьшая размер и стоимость.

Новые тенденции в технологии ADC для медицинской визуализации

Более высокое разрешение и динамический диапазон

Существует непрерывный толчок к более высоким битовым глубинам (20+ бит) и ENOB для улучшения чувствительности, особенно в фотонной КТ и МРТ-спектроскопии. Новые архитектуры, такие как модуляторы непрерывного времени Σ-Δ, предлагают высокое разрешение на умеренных скоростях с меньшей мощностью.

Интеграция с аналоговыми фронт-эндами

Конструкции System-on-chip (SoC) интегрируют ADC, усилитель, фильтр и цифровой интерфейс в один штамп. Это уменьшает пространство на плате, энергопотребление и шумоуловитель. Примеры включают интегрированные AFE для ультразвука и ЭКГ. Такие компании, как Texas Instruments и Analog Devices, предлагают специализированные AFE со встроенными ADC.

Время-цифровые преобразователи (TDC) для времени полета

В ПЭТ и лидарной медицинской визуализации (например, ПЭТ) точное время полета важнее амплитуды разрешения. ТДК измеряют время прибытия импульсов с точностью пикосекунды, эффективно заменяя традиционные АДЦ на пути времени. Однако появляются интегрированные решения, которые объединяют ТДК и АДЦ.

Низкоэнергетические и беспроводные имплантаты

Для имплантируемых датчиков, таких как нейростимуляторы или непрерывные глюкометры, АЦП должны работать на уровнях мощности микроватт при сохранении разрешения 12-16 бит. Ключевыми являются последовательные архитектуры приближения с низковольтной работой и пассивным перераспределением заряда. Методы сбора энергии могут продлить срок службы батареи.

AI-усовершенствованная конверсия данных

Новое исследование исследует использование машинного обучения для компенсации неидеалов ADC (например, коррекции нелинейности) или для уменьшения требуемого разрешения путем интеллектуального сжатия сигнала во время преобразования. Например, нейронную сеть можно обучить восстанавливать изображения с высоким разрешением из данных ADC с более низким битом, потенциально позволяя быстрее получать или снижать мощность.

Высокоскоростные, параллельные системы

Многоканальные ADC с временным интервалом и цифровое формирование луча становятся стандартными в ультразвуке и МРТ следующего поколения. Эта тенденция стимулирует спрос на недорогие ADC с низким энергопотреблением, которые могут работать на многих сотнях MS / с в массивах 128 или более.

Заключение

Аналоговые к цифровым преобразователи — это невоспетые рабочие лошадки биомедицинской визуализации и диагностики. Поскольку медицинские устройства продолжают требовать более высокого разрешения, более высоких скоростей, меньшей мощности и большей интеграции, технология ADC будет развиваться в ногу со временем. От высокоскоростного мира ультразвукового формирования пучка до ультра-низкой мощности носимых устройств выбор архитектуры ADC и ее параметров может сделать или сломать диагностическую систему. Понимание роли ADC имеет важное значение для инженеров, исследователей и клиницистов, которые хотят раздвинуть границы того, что может достичь медицинская визуализация.

Для дальнейшего чтения об архитектурах ADC обратитесь к всеобъемлющему обзору от Analog Devices. Для конкретных применений в медицинской визуализации обзор NIH технологий ADC для здравоохранения обеспечивает отличный контекст. Кроме того, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems регулярно публикует передовые исследования по интеграции ADC в медицинских устройствах.