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ADI的核磁共振成像(MRI)解决方案

2016-09-19
类别:健康医疗
eye 686
文章创建人 拍明芯城


MRI系统原理和典型架构


核磁共振成像是一种无创成像技术,用于生成人体解剖和功能性图像,且无电离辐射。 MRI生成的图像具有出色的软组织对比度,对于神经病学、肌肉骨骼、心血管和肿瘤学成像尤其有用。从水分子或脂肪分子中的氢原子核中检测信号,信号的采集以核磁共振现象为基础,核磁共振指核自旋与磁场之间的交互作用。信号定位通过应用磁场的线性梯度来实现。

磁体、梯度系统和射频(RF)系统通过与计算机系统连接,在不同的电子元件之间实现通信,进行复杂的交互,生成MR图像。梯度线圈用于对MR信号进行三维定位(x、y和z)。这些线圈通过一个由梯度控制模块控制的高功率放大器进行操作。射频系统主要起两个作用。其一是将射频能量发射到需要成像的组织上,另一作用是接收组织受能量影响后产生的射频信号。射频发射器含有四个主要元件:频率合成器(DAC或DDS)、可选的射频数字包络(混频器)、高功率放大器和射频线圈。射频接收器含有射频线圈、前置放大器(LNA)、可选的解调器(混频器)、带通滤波器、进一步放大(VGA)和模数转换器(ADC)。


MRI系统设计考虑和主要挑战


•在MRI系统设计中,低噪声性能始终是首要考虑因素。射频发射路径(Tx)、射频接收路径(Rx)和梯度控制路径都需要超低的本底噪声,因此,在MRI系统的所有信号链中,必须选择低噪声放大器、较高分辨率的DAC和ADC以及低相位噪声时钟源。从系统角度来看,动态范围应大于90 dB,失真应优于−40 dBc,接收器的总噪声系数应低于1 dB或者接近0.5 dB。为了获得这样的系统性能,LNA的典型噪声系数应低于0.5 dB,Rx需要使用16位ADC,Tx需要使用16位Tx-DAC。

•快速响应时间(数毫秒)和超精准控制对梯度控制至关重要。由于梯度放大器电流可能高达1000 A,而且必须达到1 mA的控制精度(其数量级为1 ppm),因此,模拟梯度控制需要精密型DAC,而数字梯度控制则需要精度超高的ADC(21 ENOB左右)。

•磁体质量方面的首要考虑因素是一致性或均匀性。典型的MRI系统在成像区域的变化必须小于10 ppm。为了防止不一致导致图像失真,许多MRI系统采用匀场线圈进行校正。

在传统的MRI系统中,接收(Rx)电子元件位于房间外面,低电平模拟信号从线圈组通过很长的同轴电缆发送至接收电子元件,易受到干扰。近来,高速和高分辨率ADC的发展(小尺寸、低功耗、非磁性封装),使系统设计师们可以通过光纤链路将接收电子元件的更多通道移到房间内部,结果减少了系统受到的干扰,提高了系统扫描速度,而且提升了系统成像质量。


ADI公司的整体解决方案


ADI提供大量的放大器、数据转换、信号处理和电源管理解决方案供用户选择,使MRI设备达到最佳图像质量,并降低功耗和成本。此外,ADI还提供评估板、仿真工具和应用专业技术,为客户的设计和开发工作提供支持。

主信号链

ADI的核磁共振成像(MRI)解决方案1.png

注:上述信号链代表 MRI 系统。在具体设计中,模块的技术要求可能不同,但下表列出的产品代表了满足部分要求的 ADI 解决方案

ADI的核磁共振成像(MRI)解决方案2.png



主要MRI产品简介 ()

 



器件



说明

优势














增益模块












ADL5535

20 MHz1.0 GHz中频增益模块,固定增益为16 dBOIP345.5 dBm @ 190 MHz 45.5 dBm @ 380 MHz

宽带、输入/输出,内部匹配至50 Ω,集成偏置


噪声系数:3.2 dB @ 190 MHz3.3 dB @ 380 MHzP1 dB18.9 dBm @ 190 MHz。与20 dB增益

控制电路



版本引脚兼容:ADL5536





ADC驱动器





















@ 12 dB增益。HD2/HD3−91 dBc/




3.3 GHz超低失真射频/中频差分放大器。Vn RTI2.1 nV/√Hz



ADL5562

−98 dBc @ 10 MHz−102 dBc/−90 dBc @ 70 MHz−104 dBc/−87 dBc @ 140 MHz−80 dBc/

宽带、低噪声、低失真特性适合差分ADC驱动器



−94 dBc @ 250 MHzIMD3s−94dBc @ 250 MHz (中央)









HD2/HD3−112 dBc/−102 dBc @ 10 MHz



ADA4937-1

1.9 GHz超低失真差分ADC驱动器。Vn RTI2.2 nV/√Hz

驱动最高性能的高速ADC,带CM调节功能


−84 dBc/−91 dBc @ 70 MHz−77 dBc/−84 dBc @ 100 MHz





ADC












AD9653

四通道、16位、125 MSPS、串行LVDS 1.8 V ADCSNR = 77.5 dBFS @ 70 MHz (2.6 V p-p 输入范

低功耗、小尺寸、无磁封装,适合MRI应用


)SFDR = 90 dBc (奈奎斯特)650 MHz全功率模拟带宽





AD9650

双通道16位、25 MSPS/65 MSPS/80 MSPS/105 MSPS1.8 V ADCSNR = 80 dBFS (70 MHz

片内扰动选项,可以改善SFDR,差分输入则可


入,105 MSPS数据速率)SFDR = 92 dBc70 MHz输入,105 MSPS数据速率)

维持出色的SNR





16位、80 MSPS/100 MSPS ADCSNR = 83.6 dBFS @ 30 MHz输入(3.8 Vp-p输入,80 MSPS)

出色的SNR、片内基准电压源和高输入阻抗T/H


AD9446

SNR = 82.6 dBFS @ 30 MHz输入(3.2 p-p输入,80 MSPS) SFDR = 89 dBc @ 30 MHz输入


可调模拟输入范围,适合MRI应用



(3.2 V p-p输入,80 MSPS)





AD9258

双通道、1480 MSPS/105 MSPS/125 MSPS1.8V ADCSNR = 77.6 dBFS (70 MHz输入,

高性能,加上低成本、小尺寸,优势明显,可用于


125 MSPS数据速率)SFDR = 88 dBc (70 MHz输入,105 MSPS数据速率)

低端MRI系统




AD7760

242.5 MSPS Σ- ADC。信噪比(SNR)120 dB (78 kHz输出数据速率)100 dB (2.5 MHz输出数 片内缓冲器/放大器简化了设计,可用于MRI


据速率)

度控制




放大器















,低失调: 12 µV (典型值),低输入偏置电流:2 nA



AD8676

精密运算放大器。低电压噪声:2.8 nV/√Hz

适用于直流精密和基准缓冲器的输出缓冲器



(最大值),电压失调漂移: 0.6 µV/°C (最大值)



DAC












AD9142

双通道、16位、1.6 GSPS DAC。灵活的LVDS接口,集成2×/4×/8×插值器。极小的固有延迟差

先进的低杂散和低失真特性带来高质量、


异:<2DAC时钟周期

低功耗




AD9122

双通道、16位、1.2 GSPS DAC。灵活的LVDS接口,集成2×/4×/8×插值器。可调模拟输出范围为

增益、直流失调与相位调整支持边带抑制


8.7 mA31.7 mA





AD9957

内置18I/Q数据路径和14DAC1 GSPS四通道数字上变频器250 MSPS输入数据速率,

出色的动态范围,高度集成降低了复杂程度


相位噪声≤ −125 dBc/Hz (400 MHz载波,1 kHz失调)








低噪声频谱密度,0.05 ppm/°C超低温度



AD5791

1 ppm 20位、±1 LSB INL、电压输出DAC7.5 nV/√Hz

简化设计、降低成本、减少MRI梯度控制的风险


漂移。1 µs建立时间。





开关












ADG901

4.5 GHz带宽,40 dB隔离 (1 GHz)1.65 V2.75 V CMOSSPST开关。低插入损耗:0.8 dB @1 GHz

宽带,全系列标配SPSTSPDT4:12SPDT


基准电压源












ADR43x

超低噪声基准电压源,具有吸电流和源电流能力;A0.15%精度和10 ppm/°C

低漂移和高精度有利于提高ADC采样性能


时钟












ADCLK8xx/

多输出扇出缓冲器,针对低抖动、低功耗工作进行了优化。附加宽带抖动小于500 fs

非常适合低抖动MRI时钟分配


ADCLK9xx


AD951x/

多路输出时钟分配功能,具有亚皮秒级抖动性能,并且集成片内PLLVCO

非常适合低抖动MRI时钟分频和分配


AD952x













PLL












ADF4002

相位检波器/频率合成器,带宽为5 MHz400 MHz104 MHz相位检波器。归一化相位噪声:

可编程电荷泵电流极佳的相位噪声性能


−222 dBc/Hz





ADF4351

集成VCO的宽带频率合成器。输出频率范围:35 MHz4.4 GHz;典型抖动:0.3 ps rms

低相位噪声VCO,可编程双模预分频器


2.1 GHz下典型EVM0.4%





温度传感器












ADT7420

集成数字 I2C 温度传感器(±0.25°C精度范围:−20°C105°C),具备16位分辨率(0.0078°C)

无需校准,过温/欠温中断


ADT7320SPI接口版本





ADT7410

集成数字 I2C 温度传感器(±0. 5°C精度范围:−20°C105°C),具备16位分辨率(0.0078°C)

无需校准,过温/欠温中断


ADT7310SPI接口版本


















器件

说明

优势






电源管理




ADP2114

2.75 V5.5 V输入、双通道2 A/单通道4 A、可配置同步降压dc-to-dc稳压器。

经优化的同步栅极驱动压摆率,支持噪声敏感


与双通道3 A版本引脚兼容:ADP2116

ADC/DAC




ADP23844.5 V20 V输入,4 A输出电流,同步降压dc-to-dc稳压器。与6A版本引脚兼容:ADP2386

高效、精确限流,可使用更小的电感


ADP7102

3.3 V20 V输入,300 mA输出电流,200 mV低压差LDO,具备低噪声性能、15 µV rms (固定电

改善噪声敏感负载和低压差的性能


压输出)、高PSRR 60 dB (10 kHz),反向电流保护。与500 mA版本引脚兼容: ADP7104





ADP150

2.2 V5.5 V输入,150 mA输出电流,105 mV低压差LDO,具备低噪声性能、9 µV rms独立电压

改善噪声敏感负载和低压差的性能


输出、高PSRR 70 dB (10 kHz)。与200mA版本引脚兼容: ADP151





ADP5052

4.5 V15 V输入;channel-1channel-2:可编程1.2 A/2.5 A/4 A同步降压调节器,带低端FET

5通道集成功率解决方案,可以降低设计难度,


频器;channel-3channel-41.2 A同步降压调节器;channel-5200 mA低压差LDO

减小电路板尺寸



















ADI (亚德诺半导体技术有限公司)

Analog Devices, Inc.(简称ADI)。中国注册公司名字为“亚德诺半导体技术(上海)有限公司。美国纳斯达克上市公司 (NASDAQ代码: ADI)。

将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI公司是业界认可的数据转换和信号处理技术全球领先的供应商,拥有遍布世界各地的60,000客户,涵盖了全部类型的电子设备制造商。作为领先业界40多年的高性能模拟集成电路(IC)制造商,ADI的产品用于模拟信号和数字信号处理领域。

公司总部设在美国马萨诸塞州诺伍德市,设计和制造基地遍布全球。ADI公司被纳入标准普尔500指数(S&P 500 Index)。

产品类别

客户面临最终挑战是向市场推出具有竞争优势的产品。因此,面对的挑战是提高性能、精度、速度和集成度,降低器件尺寸、能耗和价格,与客户更有效紧密地开展合作—这一切均能进一步提高创新能力。由于ADI专注于创造更具创新、更可靠的产品,ADI不仅将持续处于技术领先地位,还将证明,ADI的产品的与众不同是为客户创造巨大价值的关键所在。AD阵容不断扩大的创新产品有:放大器和线性产品、数据转换器、音频和视频产品、宽带产品、时钟和定时IC、光纤和光通信产品、接口和隔离、MEMS和传感器、电源和散热管理、处理器和DSP、RF和IF ICs、开关和多路复用器等等。




责任编辑:Davia

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