Cele trei segmente majore care beneficiază în termeni de imagini mai rapide şi cu rezoluţii mai bune sunt imagistica ultrasonică de rezonanţă magnetică (MRI), tomografia computerizată (CT) şi tomografia prin imagini pozitronice (PET), rezultând un diagnostic mai bun pentru pacient.
Majoritatea tehnicilor de imagistică medicală implică matrice de senzori ce primesc semnale de la pacient, la reflexia unei unde acustice în câmp magnetic în cazul MRI, sau la emisia de pozitroni în cazul PET. De aici se poate deduce că cea mai directă cale de a îmbunătăţi calitatea imaginii este creşterea dimensiunii acestor matrice de senzori, dar în acest fel devin necesare mai multe lanţuri de semnale, făcând ca sistemul să devină mai mare, să consume mai multă energie şi să multiplice costul. De aceea, îmbunătăţirea unui aspect de performanţă poate cauza un întreg lanţ de provocări în partea de proiectare din alte zone ale sistemului.
Elemente ale receptorului medical de imagini
În majoritatea cazurilor, fiecare element al matricei de senzori necesită propriul său lanţ de semnal pentru a transporta şi converti semnalul de răspuns analogic mic în semnal digital înaintea procesării. Tipic, în procesul de conversie al fiecărui semnal sunt implicate mai multe elemente active: un amplificator de zgomot redus (LNA) şi încă un nivel de amplificare pentru a oferi amplificarea necesară pentru ca semnalul să ajungă în domeniul de intrare al convertorului analog/digital (ADC).
Aplicaţiile, precum MRI, pot folosi nivele fixe de amplificare, deoarece variaţia amplitudinii semnalului nu este în mod normal mare. Însă, sistemele ultrasonice cu variaţie mare a puterii semnalului necesită amplificatoare cu câştig variabil (VGA) şi posibil amplificatoare cu câştig programabil (PGA) care preced convertorul ADC. După ADC, semnalul este digital, şi este uzual trimis printr-un FPGA (field programmable gate array) pentru procesare şi conversie în imagine finală.
Pentru MRI-uri, pot fi de asemenea o serie de nivele intermediare între LNA şi amplificator pentru a converti energia de frecvenţă radio (RF) a magnetului în frecvenţe joase. Cu trei sau mai multe dispozitive necesare pe fiecare element, o dublare a numărului de senzori poate necesita o creştere de 6 până la 10 ori a numărului de componente analogice doar pentru recepţionarea semnalului digital, nemaivorbind de energia necesară! De aceea nu este surprinzător că proiectanţii de sisteme presează furnizorii de componente pentru găsirea unor soluţii soluţii.
Integrarea permite mai multe lanţuri, într-un spaţiu mai mic şi cu un consum energetic mai redus
Integrarea inovativă a din ce în ce mai multe dispozitive analogice active într-un singur cip duce la diferenţe uriaşe. Dacă se consideră de exemplu un lanţ de recepţie ultrasonic tipic, în care pot fi patru dispozitive pe senzor, trei dintre ele sunt amplificatoare. Cu ajutorul procesării şi proiectării moderne, dispozitivele combină acum LNA, VGA şi PGA într-un singur amplificator cu câştig variabil (VGA), reducând numărul de cipuri cu o treime faţă de soluţiile discrete. Mai multe proiecte merg un pas înainte prin integrarea mai multor canale VGA pe un singur CI. Un bun exemplu este noul VCA8500 de la Texas Instruments, care include 8 canale VGA într-un singur circuit integrat cu capsulă QFN cu 64 de pini. Acest dispozitiv integrează chiar şi un filtru trece jos după PGA, care permite conectarea directă a ieşirii VGA cu intrarea unui ADC, eliminând astfel necesitatea unor alte componente externe şi economisind astfel spaţiu de placă. În Figura 1 se poate observa că în acest dispozitiv sunt integrate şi alte funcţii de imagistică medicală precum o matrice de comutaţie cu undă continuă (CW) şi un circuit de blocare a nivelului semnalului.
Integrând multiple canale şi componente într-un singur dispozitiv sunt oferite de asemenea şi alte beneficii, inclusiv un consum energetic mai mic. Uzual, componentele sunt destinate să obţină un echilibru de sine stătător de energie şi performanţă, şi de vreme ce vor lucra împreună, fiecare componentă va funcţiona la performanţe mai bune decât este nevoie pentru sistem. În consecinţă, componentele au tendinţa de a înclina balanţa către supra-performanţă şi prin urmare către un consum energetic mai mare. Nu se pune la fel problema în cazul în care mai multe nivele sunt integrate într-un singur dispozitiv. CI multi-nivel pot fi proiectate pentru a aloca energie mult mai eficient şi să nu o irosească pe blocuri funcţionale de care nu este nevoie.
Noile VGA sunt exemple bune. Deoarece zgomotul redus este critic în cazul sistemelor de imagistică cu ultrasunete, funcţia LNA este esenţială pentru designul VGA. Intrarea sa de zgomot stabileşte zgomotul minim achiziţionabil pentru sistem, în vreme ce amplificarea sa afectează direct zgomotul din nivelele subsecvente cu impact asupra zgomotului global (NF). Prin echilibrarea dintre reglajul fin al consumului energetic şi performanţe în cadrul nivelelor LNA, pot fi obţinute design-uri cu consum energetic redus şi performanţe îmbunătăţite ale VGA. Acest lucru este ilustrat în Figura 2.
Dispozitivul este realizat în linia de dezvoltare a generaţiei anterioare şi permite ca sistemele de imagistică de înaltă performanţă să consume mai puţină energie, să devină mai mici şi mai portabile.
Reducerea consumului energetic
ADC-urile au fost subiectul unei integrări similare. Numeroase proiecte actuale oferă 8 canale ADC de mare viteză pentru legare la VGA-uri pe 8 canale, tipic cu rezoluţii de la 10 la 14 biţi şi viteze de la 40 la 65 MSPS. Prin incorporarea de standarde de ieşire precum DDR LVDS (double-data rate low-voltage differential signal) aceste ADC-uri octale reduc de asemenea numărul de pini de ieşire pe ADC, permiţând astfel utilizarea unor capsule mai mici. Adiţional, formatul de date serializat reduce numărul de trasee de I/O între ADC-uri şi motorul digital de procesare, o caracteristică extrem de importantă atunci când se discută de plăci de circuit cu ADC-uri multiple.
Precum în cazul VGA-urilor, consumul de putere al ADC-urilor a fost redus substanţial fără a afecta performanţa. Datorită constrângerilor legate de zgomot şi liniaritate din imagistica medicală, nivelele de amplificare eficiente implică utilizarea BJT de zgomot redus pe bază de SiGe. Aceste procese oferă un echilibru foarte bun între zgomot redus, consum energetic mic şi înaltă liniaritate pentru frecvenţe de răspuns tipice de la DC la 20 MHz. Dimpotrivă, ADC-urile de mare viteză cu viteze de eşantionare tipice necesare pentru imagistica medicală implică în general tehnologie CMOS, deoarece aceasta oferă un bun echilibru între putere şi performanţă pentru convertoare cu rezoluţie de la 10- la 14-biţi până la şi dincolo de 65 MSPS.
Dezvoltarea tehnologiei CMOS a redus semnificativ consumul energetic şi amprenta ADC fără a afecta performanţele de zgomot şi distorsiune. TI ADS5281 este un bun exemplu în acest sens, reducând consumul energetic cu aproape 50% şi amprenta cu aproape 60% faţă de generaţiile anterioare de dispozitive octale, menţinând în acelaşi timp rezoluţia de 12-biţi cu 70 dB SNR! ADC ce au la bază CMOS permit proiecte de circuite cu consum energetic scalabil dinamic în funcţie de frecvenţa de eşantionare. Odată cu diminuarea vitezei de eşantionare, miezul ADC şi blocurile de ieşire necesită mai puţină energie. Convertoarele ADC înalt eficiente energetic scalează cerinţele de energie în funcţie de intrarea ceasului de eşantionare din CI.
Figura 3 prezintă modul în care ADS5281/82 scalează în funcţie de viteza de eşantionare. La frecvenţa maximă de 65 MSPS dispozitivul consumă 77 mW pe canal, dar la o viteză mai mică de 20 MSPS, consumă numai 43mW, aceasta însemnând cu 45% mai puţin. Aceasta permite ca ADC-ul să comute în modul de economisire de energie, fiind însă capabil de a converti un semnal analogic limitat în digital.
Creşterea performanţelor ADC în raport de frecvenţa de intrare (IF) a permis arhitecturi de sisteme MRI complet noi. Magneţii principali ai dispozitivelor MRI produc o bandă îngustă IF în gama 30 – 140 MHz, dependent de tăria câmpului magnetic principal. Sistemele uzuale coboară semnalul IF către DC, unde poate fi eşantionat de un convertor ADC de precizie delta-sigma. Noile convertoare ADC pe 14- şi 16-biţi pot cu uşurinţă eşantiona IF în această gamă, menţinând înalta performanţă, chiar şi când sub-eşantionează semnale în gama de înaltă frecvenţă. Dispunând de decimare digitală şi conversie coborâtoare, aceste convertoare ADC pot obţine SNR similar cu arhitecturile uzuale, economisind însă spaţiu de placă şi elemente de mixare analogică, îmbunătăţind în acelaşi timp performanţele de imagine.
Aceste îmbunătăţiri continue au potenţialul de a conduce la echipamente de diagnosticare de înaltă calitate, care pot fi deplasate la pacient, în loc ca acesta să fie deplasat la echipament.
www.ti.com/dataconverter
Despre autor
Charles (Chuck) Sanna este product marketing engineer în domeniul convertoarelor ADC şi DAC la Texas Instruments, Dallas, Texas. El este licenţiat în inginerie electrică la Northwestern University, şi are diploma de Master în inginerie electrică la University of Texas, Dallas. În timpul liber, lui Chuck îi place să urmărească meciuri de fotbal european.
Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro