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用先进的负载点稳压器改善医疗成像质量

上网日期: 2012年12月05日 ?? 作者: Willie Chan ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:X射线? 信噪比? 开关稳压器? CMOS传感器?

作者:Willie Chan

产品营销工程师

凌力尔特

成像技术领域的创新

传统模拟X射线成像系统以专门的感光胶片为介质,将通过的X射线转变成可视图像。为了完成这一任务,该胶片必须经过一种化学显影过程,这个过程可能需要几分钟,因此推迟了开始对病人进行治疗的时间。此外,显影过程完成以后,医疗团队可能会发现,由于X射线曝光不正确,该图像需要重新摄取。胶片处理完成后,必须派人送给主治医生,然后储存在患者的医疗档案里,在医院里,患者的医疗档案有可能占用大量的储藏柜。此外,显影过程中使用的化学制剂使用寿命有限,必须仔细储存,而且一旦超过寿命期,就必须销毁。如果采用直接X射线摄影 (Direct Radiography,DR),所有这些挑战都没有了。直接X射线摄影是一种数字X射线成像技术,正得到越来越多的采用。

随着初始拥有成本的下降以及优势日趋明显,传统X射线成像向直接X射线摄影迁移的势头不断增强。采用直接X射线摄影时,给患者拍照几秒钟后,就可得到X射线图像,而且该图像可以立即发送到全球各地,以向任何一个地方的医学专家咨询。患者的X射线图像是数字形式的,可以在小型硬盘上归档和检索,而无需大型文件柜。流行的直接X射线摄影方法采用平板检测器板来获取经过的X射线。该平板检测器无需移动或手工挪动,就可显示不同的拍照角度,以拍出多种图像,而且传感器-图像尺寸比为1:1。较新的平板X射线检测器能以无线方式向控制单元发送图像,以供查看、归档和分发。有了平板检测器,就不必再购买、储存或销毁与处理胶片有关的化学制剂了。最重要的是,欧洲的两项研究表明,存档一幅与模拟照相记录胶片质量相当的DR图像所需的X射线剂量将减低30%到70%。有些平板设计可将照射率实时地传递至X射线源,从而确保正确曝光的图像和极低的辐射剂量。较低的X射线剂量可改善患者及附近医疗保健专业人员的安全境况,他们可能随后会遇到四散的X射线粒子。

为了产生图像,许多直接 X 射线摄影系统采用了全帧平板探测器,这种探测器由覆盖了一个闪烁层的CMOS传感器构成。这个闪烁层将入射的X射线的波长转变成硅材料能更好地吸收的波长。CMOS传感器由于制造工艺的原因而常常受到青睐,这类传感器与混合信号及逻辑架构是兼容的,因而有助于形成集成度更高的解决方案。200mm和300mm硅晶片制造技术的改进进一步促进了向直接X射线摄影转变的趋势。较大的晶片使更少的CMOS 传感器模块能结合在一起,从而使得所形成的X射线平板传感器与35cmx43cm(14英寸x17英寸)1.5cm厚ISO标准X射线胶片暗匣的尺寸相一致,而世界各地的医院都使用这类胶片暗匣。毫不奇怪,系统的硬件设计对这类产品的图像质量、外形尺寸、人员安全和工作寿命产生了直接影响,起到了重要的作用。不过,这种起到重要作用的硬件设计中包括电源管理组件吗?

与电子噪声的艰苦斗争

为了让直接X射线摄影实现全部潜在优势,必须关注电子噪声、热量和尺寸问题。必须保持高信噪比(SNR),同时降低加到患者身上的X射线剂量也是一个关键目标。尽管传感器本身的噪声性能获得了极大关注,但是电源注入的噪声也值得仔细考虑。

电源架构对信噪比性能有直接影响。电源轨上的电压纹波被馈送到图像传感器,而且A/D转换器可能将噪声注入到图像中。X射线CMOS传感器制造商们声称,已经实现了14位甚至16位A/D转换,从而可支持很宽的对比度范围,进而产生非常详细的图像。使问题更加复杂的是图像传感器、A/D转换器和仪表放大器要正常工作,除了需要一个稳定的正电压,常常还需要一个稳压的-3.3V至-7V负电压轨。此外,电池组或AC/DC电源可能仅提供一个未调节的正电压。因此,中间的DC/DC转换器必须具有低输出纹波性能(几十mV)、高工作效率和低的自发热量。

为了患者的舒适度和便利性,很多新的X射线成像单元(包括传感器平板)都是移动的。传感器平板的电源常常选择标称电压为12V的可再充电电池。为了充电一次就可拍摄并传送数百个图像,需要较高的工作效率,这促使人们使用开关稳压器。不幸的是,开关模式稳压器是一种电磁干扰(EMI)辐射源,这增加了系统的噪声水平。此外,为帮助医务人员与患者之间保持一个安全的边界,某些X射线传感器面板拥有无线数据传输能力。较高的EMI水平有可能导致所拍摄的图像失真,干扰向用户终端的无线数据传送。也许更麻烦的是EMI辐射水平有可能超出政府监管机构所允许的值,从而使医疗产品无法进入市场。

要求较高的工作效率还有第二个目的,即努力保持高信噪比(SNR)。CMOS传感器内部的暗电流会随温度的上升呈指数性增加。暗电流是由电荷移动形成的,在X射线曝光之前就存在了。根据一家X射线CMOS传感器制造商的说法,温度每上升 8°C,暗电流就大约增大一倍。尽管后期处理可以从图像中去掉一些暗电流假影,但是较高的工作温度以及反复进行的X射线曝光所累积的损伤加速增大了暗电流。最终,暗电流将淹没入射X射线粒子在传感器上沉积的电荷,这时候,平板检测器就必须更换了。此外,因为医疗设备常常接触人体组织,所以如果对散热不加以控制,那么除了会缩短设备的工作寿命,还有可能导致患者不舒服或烫伤。


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