用先进的负载点稳压器改善医疗成像质量

用先进的负载点稳压器改善医疗成像质量

 

　　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。也许最重要的是，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/或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，和/或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，本文稍后讨论这个问题。

　　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。