医学成像：两高一低新风尚

　　与所有非常依赖科技进步的行业一样，医学成像设备厂商不得不持续改进他们的产品——主要是改进系统的成像质量。无论是超声波反射声波、核磁共振成像（MRI） 磁场扰动还是正电子发射断层成像 （PET）的正电子发射，大多数医学成像技术均需要患者信号接收传感器阵列。提高成像质量的最直接方法就是扩大传感器阵列规模。但是由于为设备添加了更多的传感器，因此将信号传输至处理引擎的信号链就必须增加电子器件。（标题中所说的“两高一低”指的是下文所提及的高集成度、高性能和低功耗。）

　　与此同时，厂商还必须缩小其系统尺寸、降低功耗并提高性能。系统某一方面的性能增强也许会给其他方面带来挑战。仅仅增加传感器和信号链就可能会引发包括系统尺寸及功耗增大在内的不利影响。但是，用于医学成像系统的最新一代信号链组件使医疗系统设计人员既能改善信号链密度和功耗，同时又不影响动态性能——即系统同时实现更高的成像质量、更低的功耗以及更小的尺寸。

　　图 1 超低功耗 VGA 的功能结构图

　　医学成像接收机的组成元件

　　对于大多数典型医学成像应用来说，传感器阵列的每个元件都需要其自己的信号链将传感器的小信号响应传送并转换成一个匹配的小信号响应以进行数字信号处理。因为成像应用传感器的信号响应性质不尽相同，因此信号转换过程中通常离不开三个主要有源组件。首先是低噪声放大器（LNA），其主要功能是将模拟系统的噪声系数 （NF） 尽可能地固定在一个尽可能低的水平。第二个放大器通常是在 LNA 之后，以最佳匹配模数转换器 （ADC） 末级输入摆幅的信号。

　　图 2 噪声系数与所选VGA 性能的对比关系

　　诸如 MRI 的应用（其通常在信号振幅方面摆幅不大）可以使用固定增益级。但是，如果系统在信号强度（如超声波）方面存在很大差异，那么该系统则需要可变增益放大器（VGA），并且需要在 ADC 之前使用可编程增益放大器 （PGA）。经过 ADC 以后，模拟信号将被转换成数字信号并准备发送至系统的数字信号处理器 （DSP），该过程一般通过现场可编程门阵列 （FPGA）完成进入末级的信号处理和转换。对于 MRI 而言，在 LNA 和放大器之间也可能有一系列混频级，以将磁体射频 （RF）能量转换成为低频能量。因为每个元件都需要三个或更多器件，传感器每增加一倍，仅接收信号链的模拟组件数量就可能需要增加到原来的 6 至 10 倍！另外，功耗要求的增加就更不用说了。难怪系统设计人员总是不断要求组件供应商对其新型集成电路 （IC）设计进行创新，以解决尺寸相关的问题。