从新冠疫情看医疗设备对半导体器件的需求趋势

EDN电子技术设计 2020-04-22 00:00

详解状态监控系统的数据采集技术 示波器需要多少模拟通道？

作为涉及生命安全的产品，医疗设备对电子元器件的精度、效率、可靠性、安全性要求显著高于消费电子等其他应用领域，而且就性能而言，不同医疗设备对核心器件的性能要求也不一样。

计算机断层扫描(CT)

以当前新冠肺炎疫情中获得关键应用的CT系统为例，CT探测器是整个系统架构的核心组件，作为CT系统的心脏，它由多个模块组成，每个模块将入射的X射线转换为电信号，并路由到多通道模拟数据采集系统(ADAS)。每个模块都包含一个闪烁晶体阵列、一个光电二极管阵列和含有多路复用至ADC的多个积分器通道的ADAS。从CT探测器到ADAS的信号链中，ADAS必须具有极低的噪声性能，以保持良好的空间分辨率，降低X射线剂量，并具有极低的电流输出以实现高动态范围性能。

为了避免图像伪影并确保良好的对比度，转换器前端必须具有出色的线性度性能并可提供低功耗工作模式，以降低热敏型探测器的冷却要求；ADC必须具有至少24位的高分辨率才能获得更优质、更清晰的图像，同时还要具有快速采样速率(短至100μs)，以便数字化探测器读数。此外，ADC采样速率还必须支持多路复用，这样就可以使用较少数量的转换器，并且减小整个系统的尺寸和功耗。

呼吸机

呼吸机也是此次疫情中急需的重要医疗设备之一，主要用于各种呼吸困难症状的患者治疗，压力传感器、温湿度传感器和空气流量传感器是其中使用较多的三种传感器。例如温湿度传感器在呼吸机中主要是用于对管道中的空气温湿度进行测量，并对通入气体的温湿度进行调节，以便给使用者提供适宜温湿度空气，使病人感觉自然舒适，提高睡眠质量；压力传感器主要是将气道压力转化为差动信号，并将测量值交给电路MCU准确做出吸气和呼气判断。之后由MCU发出指令控制进气泵，增大或者减小管道压强。使患者呼吸自然顺畅，不会产生抵触感。

磁共振成像(MRI)

MRI是一种无创医疗成像技术，其信号载波频率直接与主磁场强度成比例，频率范围为12.8MHz至298.2 MHz。信号带宽由频率编码方向的视场定义，变化范围从几kHz到几十kHz。然而MRI设备遇到的共性问题是噪声大和成本很高，几乎所有的模拟芯片都无法在强磁下工作

这对接收器前端提出了特殊的要求。然而，模数转换的最新进展使快速低功耗多通道流水线ADC能够在最常见的频率范围内以16位深度、超过100MSPS的转换速率对MR信号直接进行数字转换。其动态范围要求非常严苛，通常超过100dB。

数字射线照相(DR)

信噪比(SNR) 是DR设备的重要参数之一，它定义了系统忠实地表示成像人体的解剖学特征的内在能力。数字X射线系统采用14位至18位ADC，SNR水平范围为70 dB至100 dB，具体取决于成像系统的类型及其要求。有各种各样的离散ADC和集成模拟前端，可使各种类型的DR成像系统具有更高的动态范围、更精细的分辨率、更高的检测效率和更低的噪声，例如ADI18位PulSARADC AD7960、16位双通道AD9269和14位16通道AD9249流水线ADC。