基于ADI 20位DAC的医疗成像系统设计

 

　　如今有多种多样的成像手段可供使用，如计算机断层扫描、X射线、超声和磁共振等。各种系统都有其优点和缺点，既可以用来生成人体某一部位或器官的静止图像，也可以用来生成动态影像以便医生核实或研究器官的活动情况。某些手术中也会用到动态影像。

　　不同系统的成像能力也存在差别。X射线技术非常适合用于诊断骨骼疾病。超声利用声波来监视胎儿，可对器官以及心房、心室、血管中的血流情况成像。MRI则适合对软组织进行成像。对于上述各种医学成像系统，ADI公司都有相应的专业技术解决方案。本文重点介绍一款针对磁共振成像(MRI)等高性能应用而开发的新型高分辨率DAC。

　　磁共振成像

　　MRI主要用于产生人体内部的高质量图像，可以用来检测疾病，以及区分肿瘤与正常组织。人体的70%是脂肪和水，这两种物质均包含氢原子。MRI利用氢原子的磁性成像。

　　进行MRI需要一个强大的均质磁场。磁场强度的单位为特斯拉(T)。1特斯拉等于10,000高斯，地球的磁场强度约为0.5高斯。目前的MRI系统使用1.5 T到3 T的磁场强度，有时甚至达到7 T。如此强的磁场由超导线圈磁铁产生，病人处于磁场中。图1显示了病人与MRI扫描仪线圈的位置关系。

　　

 

　　图1. 病人与MRI线圈的位置关系

　　对于1.5T系统，所施加的频率约为64 MHz，3T系统则为128 MHz。这将导致人体内部的质子自旋，与磁场方向平行或反平行，从而处于低能态或高能态。磁场强度越高，则这两种自旋状态的能量差越大。移除所施加的磁场之后，质子转发磁能，所转发的磁能由接收线圈或天线进行测量。这些天线采用灵敏的前置放大器、增益模块和高分辨率ADC进行设计，符合120 dB至140 dB的整体动态范围要求。由于我们感兴趣的只是对人体的细小断层进行成像，因此需要对该均质磁场增加一个梯度。

　　

 

　　图2. 高分辨率梯度控制环路

　　使用大线圈来传输这一梯度信号(磁化矢量)，以便从我们感兴趣的单个断层提供响应。图2显示了一个MRI系统中实现的梯度控制环路。发送到梯度线圈的信号由一个输出功率达数兆瓦的放大器产生。频率范围相当低，因此其关键要求是稳定、高线性度和低漂移。这正是20位DAC AD5791具备的特性。