Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI

ghost666 02 Oct 2013 13:40 3522 3
Computer Controls
  • Wstęp

    Cyfrowe obrazowanie z użyciem promieni X (DXR) oraz obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI), a także inne urządzenia medyczne wymagają niewielkich układów, charakteryzujących się niskim zużyciem mocy i wysokimi parametrami, do konstrukcji systemów akwizycji danych. Projektowane systemu muszą spełnić wymagania lekarzy, pacjentów i producentów sprzętu medycznego w warunkach bardzo konkurencyjnego rynku. W poniższym artykule zaprezentowane są wysoce precyzyjne rozwiązania toru sygnałowego w wielokanałowej aplikacji - takiej jak DXR - w której potrzebna jest duża ilość pomiarów niewielkich sygnałów, a także aplikacje takie jak MRI, gdzie wymagane są pomiary o bardzo niskim poziomie szumów i bardzo dużym zakresie dynamiki jak i szerokim pasmie. Kombinacja wysokiej przepustowości, niskiego poziomu szumu, wysokiej liniowości, niskiego zużycia prądu oraz niewielkiego rozmiaru czynią układ AD7960 idealnym wyborem do takich aplikacji. Ten układ firmy Analog Devices to 18 bitowy przetwornik o sukcesywnej aproksymacji. Charakteryzuje się on prędkością akwizycji 5 MSPS. Jego parametry czynią go idealnym do aplikacji w tego typu aparaturze, a także w innym precyzyjnym sprzęcie do akwizycji danych.

    Cyfrowe obrazowanie promieniami X

    Od czasu odkrycia promieniowania X przez Roentgena w 1895 roku, było ono detekowane z użyciem scyntylatorów lub klisz. Od samego początku promieniowanie X wykorzystywano w diagnostyce medyczne, wliczając w to takie pola aplikacji jak onkologia, dentystyka czy nawet w weterynarii. Promieniowanie to zostało także wykorzystane w obrazowaniu przemysłowym. W cyfrowym0 obrazowaniu promieniami X zastąpiono klasycznie używaną kliszę detektorami elektronicznymi. Istnieją dwa rodzaje detektorów, jednymi z nich są płaskie detektory 2D innymi detektory skanujące całą linią 1D. Płaskie detektory wykorzystują do działania dwie technologie - konwersji bezpośredniej i pośredniej. W panelu z konwersją bezpośrednią macierz selenowych elementów pojemnościowych konwertuje wysokoenergetyczne fotony promieniowania X w prąd elektryczny. W konwersji pośredniej promieniowanie X absorbowane jest przez scyntylator wykonany na przykład z jodku cezu, który po zaabsorbowaniu kwanty promieniowania X emituje światło z zakresu widzialnego, które detekowane jest przez zwykłe krzemowe diody, zamieniające światło w sygnał elektryczny. Każda fotodioda reprezentuje jeden piksel. Niskoszumny front-end analogowy, obecny w układzie, transformuje niewielki prąd z każdego piksela w napięcie o znacznie większej amplitudzie, które z łatwością może być skonwertowane na sygnał cyfrowy z wykorzystaniem przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), który dalej przekazywany jest do procesora. Typowy system obrazowania promieniami X pokazany jest na poniższej ilustracji. Kanały pochodzące z detektora wyposażonego w front-endy multipleksowane są do przetwornika ADC o wysokiej częstotliwości próbkowania, co pozwala na digitalizację sygnału bez utraty jakości.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Aktualnie producenci cyfrowych detektorów promieniowania Roentgena skłaniają się chętniej do konstruowania detektorów pośrednich. Fotodiody wykonane z amorficznego krzemu lub matryce diodowe mogą charakteryzować się rozdzielczością ponad miliona pikseli absorbujących fotony z scyntylatora, podłączonych poprzez układ multiplekserów do kilkunastu przetworników ADC. Taka technologia pozwala na efektywną absorpcje fotonów promieniowania X i wysoki stosunek sygnału do szumu, a także bardzo duży zakres dynamiki w wysokorozdzielczych obrazach zbieranych w czasie rzeczywistym przy dawkach promieniowania niższych o 50% od używanych w klasycznych technikach. Częstotliwość próbkowania poszczególnych pikseli nie jest zbyt duża, wynosi od kilku próbek na sekundę dla zębów i kości aż do 120 Hz dla obrazowania dziecięcego serca - najszybciej poruszającego się organu w ludzkim ciele.

    Jakość pracy cyfrowego detektora radiograficznego mierzy się jakością produkowanego obrazu, zatem precyzyjna akwizycja i obróbka danych otrzymanych z detektora jest bardzo istotna. Oferowana przez cyfrowe rozwiązania poprawiona dynamika obrazu, szybkość akwizycji i zwiększona ilość klatek na sekundę pozwala na zastosowanie specjalnych technik akwizycji i prezentacji obrazu, umożliwiających poprawienie jakości otrzymywanego prześwietlenia.

    Obrazy używane do diagnostyki medycznej muszą zapewniać możliwie dokładne dane przy skróconym czasie skanowania i zmniejszonej ekspozycji pacjenta na promieniowanie podczas badania. Systemy radiograficzne wysokiej jakości z dynamiczną akwizycją danych używane są często podczas operacji chirurgicznych do monitorowania pacjenta podczas operacji. Z kolei podstawowe systemy używane są w niewielkich szpitalach i OIOMach do bieżącej i szybkiej diagnostyki pacjentach w nagłych przypadkach. Systemy przemysłowe z kolei muszą charakteryzować się odporną budową i długim czasem pracy gdyż systemy te często są narażone na wysokie dawki promieniowania. Systemy skanowania bagażów używane na przykład na lotniskach mogą używać niskich dawek promieniowania, gdyż źródło X pozostaje włączone dłuższy okres czasu.

    Kontrola gradientu MRI

    System MRI pokazany na poniższym obrazku jest doskonale dostosowany do obrazowania mózgu oraz zastosowań w ortopedii, angiografii i do obrazowania układu krwionośnego. MRI zapewnia wysoki kontrast dla tkanek miękkich, bez narażania pacjenta na promieniowanie jonizującej. Systemy obrazowania rezonansu magnetycznego działają zazwyczaj w pasmie częstotliwości radiowych od 1 MHz do 100 MHz, a systemy tomografii komputerowej i DXR działają w zakresie od 1016 Hz do 1018 Hz, narażając przy tym pacjenta na promieniowanie jonizujące, które może uszkodzić tkanki.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Systemy kontroli w układach MRI muszą mieścić się wąskich specyfikacjach, dlatego też wymagają układów bardzo wysokiej jakości. W systemie MRI cewki wykorzystywane są do wytworzenia pola magnetycznego o natężeniu od 1,5 T do 3 T. Wysokie napięcie - do 1000 V - przykładane jest do cewki w celu wymuszenia wymaganego prądu (do 1000 A). W systemach MRI wykorzystuje się kontrolę gradientu pola, aby liniowo zmieniać natężenie pola magnetycznego, poprzez dynamiczną zmianą natężenia prądu płynącego przez specjalnie zaprojektowane do tego celu cewki. Natężenie prądu płynącego przez cewki gradientowe jest modulowane bardzo szybko i precyzyjnie, co pozwala na obrazowanie niewielkich fragmentów ludzkiego ciała podczas badania. Kontrola gradientu pozwala na skupienie się na cienkim wycinku ludzkiego ciała korzystając z energii RF wygenerowanej w płaszczyznach X, Y i Z obrazu. W aplikacjach MRI od systemu oczekuje się szybkiej odpowiedzi z precyzyjną kontrolą gradientu o rozdzielczości 1 ppm (co oznacza 1 mA). Gradient kontrolowany może być cyfrowo lub analogowo. Z uwagi na niewiarygodny stopień skomplikowania systemu MRI, projektowanie takiego układu wiąże się z wielkim ryzykiem związanym z finalną współpracą wszystkich układów w docelowym urządzeniu.

    Tor precyzyjnej akwizycji sygnału

    Na poniższej ilustracji pokazany jest system precyzyjnej akwizycji danych oparty o niskoszumny 18 bitowy przetwornik ADC. Przetwornik ten charakteryzuje się całkowitą nieliniowością ±0,8 LSB, nieliniowością różnicową na poziomie ±0,5 LSB i stosunkiem sygnału do szumu wynoszącym 99 dB.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Poniższe wykresy pokazują typowy wykres FFT sygnału cyfrowego z układu ADC oraz wykres liniowości funkcji przejścia przetwornika przy wykorzystaniu napięcia odniesienia 5 V. Całkowite zużycie mocy w torze przetwarzania wynosi około 345 mW - o 50% mniej niż w konkurencyjnych rozwiązaniach.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Ten rodzaj wielokanałowej akwizycji sygnałów o wysokiej prędkości próbkowania może być wykorzystywany w systemach tomografii komputerowej, DXR i innych aplikacjach obrazowania medycznego w których wymagana jest wysoka częstotliwość próbkowania przetwornika ADC bez poświęcania dokładności. 18 bitowa liniowość układu i niski poziom szumów zapewniają wysoką jakość obrazu, a przepustowość 5 MSPS zapewnia krótki czas skanowania - więcej ramek na sekundę, co w konsekwencji oznacza zmniejszoną ekspozycję na promieniowanie X. Multipleksowanie wielu kanałów pozwala na tworzenie obrazów wysokiej rozdzielczości, umożliwiających precyzyjne obrazowanie organów takich jak serce, przy minimalizacji zużycia mocy przez urządzenia. Dokładność, koszt aplikacji, zużycie prądu, niezawodność i stopień skomplikowania są krytycznymi parametrami które pozwalają na dobór układów do aplikacji w układach medycznych.

    W tomografii komputerowej prąd piksela jest zbierany w sposób ciągły przez układ próbkujący obecny w każdym kanale. Wyjścia tych układów są multipleksowane do pojedynczego szybkiego przetwornika ADC. Duża szybkość przetwarzania przetwornika umożliwia podłączenie wielu kanałów (pikseli) do jednego przetwornika, co minimalizuje koszt układu a także ogranicza jego wielkość fizyczną i zmniejsza zużycie prądu przez urządzenie. Niski poziom szumów oraz dobra liniowość przetwornika zapewniają obrazy wysokiej jakości.

    Oversampling, czyli próbkowanie sygnału z częstotliwością o wiele większą niż ta wynikająca z kryterium Nyquista, jest używany w spektroskopii, MRI, chromatografii gazowej, do analizy krwi i w wielu innych polach technologii obecnych w medycynie. Urządzenia te wykorzystują szeroki zakres dynamiki do dokładnego monitorowania jednocześnie niewielkich sygnałów i dużych sygnałów z wielu kanałów. Wysoka rozdzielczość i dokładność, niski poziom szumu, szybkie odświeżanie danych oraz niski dryft wyjścia pozwala znacznie uprościć projekt systemu MRI, co zmniejsza wydatnie koszty projektu i związane z nim ryzyko ponoszone przez firmę konstruującą takie urządzenie.

    Jednym z kluczowych wymagań systemu MRI jest możliwość prowadzenia powtarzalnych pomiarów oraz stabilność długoczasowa systemu podczas pracy w szpitalu. Dla poprawienia jakości obrazowania systemy te muszą także charakteryzować się wysoką liniowością i dużym zakresem dynamicznym (DR) od DC do dziesiątek kHz. Jako wyznacznik można potraktować że oversampling sygnału o czynnik cztery pozwala osiągnąć jeden bit efektywnej rozdzielczości więcej, albo inaczej mówiąc 6 dB zysk w DR. Poprawa DR z oversamplingu da się opisać wzorem ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB. W wielu wypadkach oversampling wbudowany jest w komercyjne przetworniki sigma-delta, jednakże te układy ograniczone są szybkim przełączaniem pomiędzy kanałami i wymaganiem dokładnego pomiaru od prądu stałego. Ovserampling z wykorzystaniem układów o sukcesywnej aproksymacji poprawia także aliasing sygnału i wydatnie redukuje szum.

    Architektura ADC wysokiej jakości

    Precyzyjne systemy szybkiej akwizycji danych wykorzystywane w CT i DXR, a także w innych aplikacjach wielokanałowych, takich jak spektroskopia, MRI itp, wymagają doskonałych jakościowo przetworników ADC układ AD7960 to 18 bitowy, różnicowy przetwornik ADC z rodziny PulSAR, charakteryzujący się prędkością próbkowania 5 MSPS. Układ ten, pokazany poniżej, używa techniki pojemnościowej konwersji cyfrowo-analogowej (CAPDAC) dla zapewnienia doskonałych parametrów szumowych i wysokiej liniowości układu bez wprowadzania opóźnień. Układ ten zapewnia szerokie pasmo, wysoką dokładność (100 dB DR) i szybkie próbkowanie (200 ns), wymagane w aplikacjach medycznych. Dodatkowo układ zużywa mało mocy, co ułatwia aplikację w wielokanałowych systemach. Produkowany jest w niewielkiej obudowie LFCSP o wymiatach 5 mm x 5 mm. Może pracować w zakresie od –40 °C do +85 °C i jest kompatybilny z 16 bitowym przetwornikiem AD7961, który może go zastępować w aplikacjach gdzie nie jest wymagana rozdzielczość 18 bitów.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Pojemnościowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC), pokazany poniżej, składa się z zestawu różnicowych, 18 bitowo ważonych binarnie pojemności, które także wykorzystane są także jako pojemność próbkująca sygnał z wejścia analogowego, komparatora i układów kontrolujących działanie przetwornika. Gdy faza akwizycji jest ukończona, wejście CNV± przechodzi w stan wysoki a napięcie różnicowe pomiędzy pinami IN+ i IN- zostaje uchwycone przez układ próbkujący i rozpoczyna się faza konwersji. Każdy element matrycy pojemności jest sukcesywnie przełączana pomiędzy GND i REF, ładunek jest redystrybuowany, a wejście jest porównywane do wartości z DAC, a bit jest utrzymywany w stanie wysokim lub niskim, zależnie od rezultatu. Logika kontrolująca generuje kod wyjściowy z przetwornika ADC po ukończenia procesu konwersji. AD7960 wraca do trybu akwizycji po około 100 ns po rozpoczęciu konwersji. Czas akwizycji to około 50% całkowitego czasu cyklu, co czyni AD7960 układem łatwym do sterowania korzystając z czasu stabilizacji wyjścia z drivera ADC.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Przetwornik AD7960 wykorzystuje zasilanie 1,8 V i 5 V, zużywając około 39 mW przy 5 MSPS podczas konwersji. Zużycie mocy skaluje się liniowo z częstotliwością próbkowania, jak widać poniżej.

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI


    Zużycie mocy przy niskich częstotliwościach zdominowane jest przez zużycie przez bufor wyjściowy LVDS. Układ AD7960 jest dwukrotnie szybszy i zużywa 70% mniej mocy i zajmuje 50% mniej niż najlepsze 18 bitowe przetwornik SAR ADC dostępne komercyjnie. AD7960 używać może jednego z trzech napięć odniesienia: 2,048 V, 4,096 V oraz 5 V. Interfejs cyfrowy wykorzystuje standard LVDS to komunikacji. Możliwy jest transfer o wysokiej prędkości do 300 MHz, pomiędzy procesorem a przetwornikiem ADC.
    Źródła:
    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/47-10/digital_xray.html

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11084 posts with rating 9403, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls
  • #2
    konti
    Level 27  
    Takie urządzenie jest u mojej żony w pracy tj. tylko do robienia zdjęć wewnątrz jamy ustnej . Dokładnie zębów . Martwie się tylko o to jak dużo promieni przyjmuje urządzenie odbiorcze które przesyła zdjęcie do kompa . :)

    Systemy akwizycji danych wspomagają obrazowanie cyfrowym X-Ray oraz MRI
  • Computer Controls
  • #3
    Xitami
    Level 29  
    A ja myślę o matematyce co za tym stoi.