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                  高性能信号链技术创新加速医疗影像产业多元化发展

                  2021年04月26日 16:29 ? 次阅读

                  目前医学影像的设备可以分为大型影像诊断设备和其他影像诊断设备,其中大型设备主要有数字X线摄影(DR)、计算机断层扫描(CT)、核磁共振(MRI)和核医学类(PET及复合类PET-CT、PET-MR等),小型的影像诊断设备包括超声和内镜等。根据成像原理的不同,各种设备在临床的上的应用也不相同。各类医学影像设备的特点及应用场景如下表显示。

                  传感元件作为医疗影像领域重要的元器件,是数据采集的重要环节之一,不同成像领域对应不同的传感器是决定成像质量的关键物理部件。按照不同成像领域有不同传感器类别,例如CMOS传感器便通过更小的像素尺寸、更高的分辨率和更低的噪声水平得到了广泛的应用。

                  信号链主要由放大器滤波器数模转换器等组成,从物理信号到数字信号主要经过滤波器对信号进行筛选用放大器进行电路放大、自动控制和测量用数据转换器进行转换计算,最终变成数字信号进入数字世界存储和处理,反之会经过相反过程。信号链是医疗影像设备中通用且重要的组件,直接影像数字成像质量。尽管不同成像原理涉及不同物理量的测量,但都包括模数信号转换、预调理等过程,是对模拟信号采样的必经过程,其高精度特性,如动态范围、分辨率、准确性、线性度和噪声,将决定最终数字成像的质量。

                  数据采集过程的通用框图

                  部分医疗影像设备信号链结构

                  随着医疗影像行业对分辨率、安全性等需求不断增长,使其半导体含量继续增加。预计2020年全球医疗影像半导体相关元件出货量达到73000万颗,其中模拟芯片占比从2014年8.6%提升至2020年20.5%。作为全球半导体技术领先厂商,ADI的技术与产品覆盖健康医疗全产业链,从预防、诊断、治疗,到疾病管理,都有成熟的解决方案,在大多数需要数据转换和信号处理的医疗器械产品中,都能找到ADI的方案,包括各类医疗影像设备信号链应用中。

                  多功能动态DR、移动DR、高精度DR渐成趋势

                  DR正在从静态DR逐步向多功能动态DR发展。目前医院多数采用的还是静态DR,但静态DR由于技术和功能局限,会导致在很多部位检查过程中难以避免模糊性、漏诊、误诊以及重复性拍摄,动态DR可通过可视化功能进行动态观察精准快速。另外移动 DR 也在快速发展过程中。

                  目前ADI针对DR领域主推的产品为ADAS1256 COF,其为256通道集成前端模块,基本适用于数字X射线,最新一代产品ADAS1258也已经推出,进一步优化速度和功耗,以及集成更多系统级功能的产品 。

                  除了单芯片集成256通道、16位分辨率、22us线路扫描速度等性能外,ADAS1256 COF解决方案还提供了9种功耗模式,因为我们知道,功耗与噪声不能同时达到最低的要求,所以功耗模式的切换功能就能使得用户可自行选择适应当时需求的最佳功耗、噪声模式。对于病人来说,最关心的是辐射剂量。因为在做各种检查时,X 射线对病人本身也会造成伤害。对于这点,ADAS1256 COF 解决方案降低探测器本身的噪声,所以在X射线剂量很少时,低噪声的探测器也能够接收并清晰呈现图像。

                  CT排数增加成为刚需

                  第五代CT机经历了从16排到32排再到64排的发展,目前大多数为64排CT,高端CT有部分128排,最先进已到320排。排数的增加意味着横向截面更宽,一次扫描花的时间更少,辐射剂量少,成像效果也更好,但除了前端 X线管数量增加外,后端通道数也要增加,对零部件的集成度要求提高。

                  ADI在CT领域最新的解决方案顺应了CT领域多层数、低剂量、低成本的发展趋势,目前最新一代ADAS1135为256通道、24位电流数字转换器模块,适于多通道、小电流采集数据的医疗CT(计算机断层)、工业和安检扫描仪,及光电二极管传感器应用。同时,ADI还推出128通道多版本ADAS1134。

                  ADAS1135的主要技术优势包括:无电荷损失、无死区时间的同步采样;超低噪声;可配置电流输入范围;集成了2个可配置采样速率的高速ADC、内部缓冲器、用于数据采集的去耦和旁路电容;LVDS/CMOS串行接口;片上温度传感器。

                  超声走向高端专用、移动便捷应用

                  目前国外厂商已有部分高端和专用彩超设备,彩超设备高端化依赖于探头的升级,也因此实际上依赖于探头原材料、元器件集成,超声穿透力和分辨率之间的矛盾关系、远近场分辨率不一致等为高端彩超的难点问题。目前专用彩超领域已经有心血管超声、乳腺超声、产科4D、介入超声等。便携式超声有着便于携带、图像清晰、操作简便的优点,在基层、专科医院有很大需求和应用场景,但便携式超声的成像效果、效率、功耗等问题仍然亟待解决。

                  ADI在超声领域主要产品为AD927x/AD967x/AD9106,满足超声设备高级化、专用化、便携化的发展趋势。其中AD927x/AD967x是外模拟前端产品,是业内最早量产方案,有低功耗、低噪声的优点,还包含数字解调、JESD204接口等;AD9106则是业内第一个针对线性发送通道的DAC产品。超声领域在高级化、专用化的发展过程中对噪声、分辨率要求较高,在便携化方向上对功耗、集成度要求较高,ADI均能满足需求。

                  本文小结

                  成像质量、速度和功耗是医疗影像信号链的关键性能指标,直接影响相关设备的检测的精度、安全和便携性。ADI完整技术方案和集成化产品能力、医疗领域的长期迭代和技术投入、积极与AI等新技术的创新结合,构筑了ADI的核心护城河,也为ADI在医疗领域保持长期领先地位的核心优势 。

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