X 射线系统

X 射线:德州仪器 (TI) 的医疗和牙科解决方案

设计注意事项

通过平板数字 X 射线系统的 AFE0064 64 通道模拟前端集成并节省电源。此器件包含 64 个集成器、用于满标量程充电级别选择的 PGA、相关双采样、64 as-to-2 多路复用器、两个差动输出驱动器和省电小睡功能。

数字 X 射线成像正在为诊断放射学带来变革。在传统的 X 射线系统中,每个组件的信号劣化都会消耗原始 X 射线信号的 60% 以上。在系统的每一级,X 射线信号都会有一定程度的劣化,即便是专门针对应用优化的独立组件也是如此。因此,通常仅有不足 40% 的原始图像信息可用于生成图像。通过向数字化 X 射线成像添加数字检测器,可以使捕获的信息超过原始图像信息的 80%,而且可以使用各种各样的后处理工具进一步改善图像。数字化 X 射线技术的其它优势包括:减少患者的服药剂量、通过免除摄影处理来缩短诊断时间、通过省去摄影处理化学试剂来节约成本、处理图像数据以突出显示所关注的区域并抑制无关信息、将图像数据与其他可用的相关患者 RIS/HIS 系统信息相结合、通过网络连接将信息快速传输到任何位置、在极小的空间中将所有所需的信息存档。可通过两种不同的方法实现数字化 X 射线数字化技术:直接转换和间接转换。

在直接转换中,平板硒检测器直接吸收 X 射线并将其转换为独立的像素电荷。在间接转换中,X 射线信号首先被转换为光信号,而后被转换为电荷。平铺 CCD(电荷耦合器件)阵列和计算机断层扫描均采用间接转换技术。平铺 CCD 转换技术采用多个通过光纤耦合至闪烁体平板的 CCD。计算机断层扫描在光激励平板上捕获电子,然后对其进行曝光以生成图像数据。在两种方法中,与通过像素看到的 X 射线强度成正比的电荷将存储在薄膜晶体管 (TFT) 存储电容器中。大量的此类像素形成平板检测器 (FDP)。读取电子产品解释 FDP 上的电荷,并将其转换为数字数据。

下面的方框图显示了直接成像法所需的用于将 FDP 中的电荷转换为数字数据的读取电子产品。它具有两个链:采集链和偏置链。在采集链的开头,模拟前端能够对不同 FDP(通道)存储电容器上的电荷进行多路复用,并将这些电荷转换成电压。偏置链通过中间偏置和门控电路为 TFT 阵列生成偏置电压。数字控制及数据调节由 FPGA 进行控制,FPGA 还通过高速接口(串行、LVDS、光学)管理与外部图像处理单元的高速串行通信。温度传感器、DAC、放大器以及能够承受高输入电压的开关稳压器是其他主要系统块。每个块都必须具有使能引脚和并使频率同步,以避免与采集链中的其他块进行串扰。FDP 像素的数量将决定 ADC 通道数和 ADC 速度。静态或动态采集还决定 ADC 速度。静态采集意味着在小于 1s 的时间内采集单幅图像,而动态采集意味着图像要以 30Hz 的频率刷新,用于更加细致的心血管、透视或相关应用,这些应用需要在通道数相同的情况下进行快得多的数据转换。具有 2MSPS 及更高速度范围且具有出色直流性能的 ADC 可以很好地工作。

对于间接转换,CCD 输出需要相关双采样 (CDS)。信号电平的复位电压和图像信号电平将通过模拟前端 (AFE) 转换成数字数据。AFE 的采样速度由 CCD 阵列中的像素数和帧速率决定。此外,AFE 会校正传感器错误,例如暗电流校正、偏移电压和缺陷像素。可编程增益放大器 (PGA) 的存在与否、PGA 的线性度和可用增益范围也很重要,具体取决于信号电平。在数字化过程中,位数将决定图像的对比度。通常,需要将初始数据数字化为精确度比最终图像所需的位数高 2 至 4 位的数据。因此,如果需要 8 位的最终图像数据,则最初应数字化为 10 位以允许在图像处理过程中出现舍入误差。

图像质量的主要衡量指标是“量子检测效率”(DQE),它结合了对比度和 SNR,采用百分数表示。对比度越高且噪声越低,DQE 就越高。对比度是指灰度的阶数,它取决于 ADC 的输出分辨率;通常,14 位或 16 位比较适合于应用。SNR 所指示的不仅是源自 ADC 的 SNR,而且是系统的 SNR,它受 X 射线剂量、像素尺寸和所有电子组件的影响。可通过增加 X 射线剂量、增加光电二极管间距和降低电噪声来提高 SNR。增加 X 射线剂量对患者或操作人员而言并不合适。增加光电二极管间距也行不通,因为这样会减小空间分辨率。降低源自系统的电子产品的噪声是主要挑战。系统中的总噪声是:信号链上所有噪声成分的平方根之和(假设这些噪声成分没有关联)。这意味着包括 ADC、运算放大器和基准在内的所有部分都必须具有超低噪声或重度过滤(如果适用)。温度稳定性是另一项重要挑战。由功耗造成的内部温度升高可能会使灰度级偏移并使图像失真,在动态采集过程中尤其如此。因此,ADC、运算放大器和基准应该具有较高的温度稳定性。

技术文章

应用手册和用户指南

应用手册 (2)

标题 摘要 类型 大小 (KB) 日期 查看次数 下载最新英文版本
PDF 1.77 MB 2017年 9月 20日 54
HTM 9 KB 2010年 6月 8日 11

工具和软件

名称 器件型号 公司 工具/软件类型
用于 256 通道模拟前端的 AFE2256 评估模块 AFE2256EVM Texas Instruments 评估模块和开发板

产品公告和白皮书

白皮书 (1)

标题 摘要 类型 大小 (MB) 日期 查看次数 下载最新英文版本
PDF 333 KB 2010年 6月 8日 3

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