基于一種X射線平板探測器采集電路的設(shè)計(jì)

丁祥，胡曉君，張魯殷，周林林，張雪飛，楊東東

（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

基于一種X射線平板探測器采集電路的設(shè)計(jì)

丁祥，胡曉君，張魯殷，周林林，張雪飛，楊東東

（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

本文設(shè)計(jì)一種X射線平板探測器的采集電路，該電路可以提高X射線探測器的靈敏度。利用X射線透過人體組織后得到相應(yīng)信號(hào)，在探測器的輸出端選用模擬前端芯片（AFE）對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪放大，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行圖像處理。

X射線；模擬前端；信號(hào)采集；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換；電路設(shè)計(jì)；平板探測器

0 引言

隨著環(huán)境惡化，人們攝入高脂肪、高熱量、少運(yùn)動(dòng)等原因?qū)е掳┌Y的發(fā)病率持續(xù)提高。全國每20秒鐘就有一人被確診為癌癥，在中國癌癥的發(fā)病率以每年近3%的速度快速上升。腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)是有效治療癌癥的前提。對(duì)于生活中常見的癌癥如肺癌、食道癌等癌癥的檢查方法主要有X射線、B超、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）等。其中B超、CT、MRI等設(shè)備昂貴不適用于大面積早篩癌癥，而X射線高性能平板探測器檢查因低成本、操作簡單、可攜帶等優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)大面積早篩癌癥，從而成為目前最常用、最基本的診斷方法。在X射線輻射強(qiáng)度不對(duì)人體構(gòu)成危害的情況下，X射線探測器的靈敏度不盡人意。X射線醫(yī)療影像設(shè)備

靈敏度可通過設(shè)計(jì)新型探測器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化信號(hào)采集電路，提高X射線的強(qiáng)度、改進(jìn)圖像處理軟件等方法實(shí)現(xiàn)。我們?cè)O(shè)計(jì)新的信號(hào)采集電路從而提高X射線平板探測器的靈敏度[1]。

1 電路工作原理

一個(gè)完整的用于醫(yī)療影像應(yīng)用的X射線探測器信號(hào)采集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由X光源、X光探測器（如TFT平板探測器）、信號(hào)采集與處理電路以及上位機(jī)處理采集得到的圖像幾部分組成。本設(shè)計(jì)中我們需要采集的信號(hào)是低劑量X光穿過人體不同組織并利用熒光板轉(zhuǎn)化而來，使得初始信號(hào)非常微弱，同時(shí)干擾又很大且包含噪聲[2]。因此選用AFE模擬前端和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器合二為一的芯片。

AFE模擬前端的存在對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的信噪比（SNR）以及動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要的。我們?cè)谔綔y器的輸出端口使用模擬前端芯片（AFE）對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪放大處理。放大后的信號(hào)仍然是模擬信號(hào)，而后期的信號(hào)處理與存儲(chǔ)都需要使用數(shù)字信號(hào)，因此在模擬前端之后我們使用高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以供后續(xù)處理[3]。經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)緩存在SDRAM中，最后通過局域網(wǎng)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，進(jìn)行圖像處理。

本文的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.1所示，各個(gè)部分相互配合，組成一個(gè)完整的信號(hào)采集電路系統(tǒng)。

圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

X射線探測器信號(hào)獲取系統(tǒng)主要由前端放大電路（AFE模擬前端）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)以及由電壓參考、電源轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)TFT面板的電路組成。

硬件設(shè)計(jì)如圖2.1，它包括4部分，用于模擬信號(hào)的采集、放大、去噪的前端電路部分（AFE），模數(shù)轉(zhuǎn)換部分(ADC)，以及電源管理部分，控制TFT面板的驅(qū)動(dòng)部分。平板探測器采集的X光信號(hào)被前端電路(AFE)采集、放大、噪聲處理，之后模擬信號(hào)差分輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供后續(xù)的FPGA芯片進(jìn)行控制處理。FPGA產(chǎn)生數(shù)字控制信號(hào)，向AFE模擬前端模提供控制信號(hào)，同時(shí)接收來自ADC的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)處理[4][5]。

圖2.1 硬件設(shè)計(jì)的組成

圖2.2 采樣部分

前端電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分(AFE和ADC)：

AFE模擬前端可細(xì)分為積分器、低通濾波器和相關(guān)雙采樣電路三個(gè)部分，如圖2.2所示。其中AFE模擬前端與ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用差分連接的方式，有效降低噪聲。該芯片是一款256通道、電荷至數(shù)字模擬前端(AFE)，它集成了256個(gè)具有相關(guān)雙采樣、低功耗、低噪聲的電荷積分器，以及16位高速ADC轉(zhuǎn)換電路。所有通道轉(zhuǎn)換的結(jié)果均在一個(gè)LVDS接口上輸出，可減少外部硬件的需求。SPI兼容串行接口包括CS、SCK、SDI、SDO組成，可實(shí)現(xiàn)AFE采用SDI輸入的方式的進(jìn)行配置[6]。SDO輸出將幾個(gè)AFE采集信號(hào)的電路以菊花鏈形式連接到一個(gè)總線上。另外，該器件還具有TFT電荷注入補(bǔ)償功能。每個(gè)積分器都有一個(gè)復(fù)位開關(guān)（INTRST），這個(gè)復(fù)位開關(guān)用于將積分器的輸出設(shè)置到復(fù)位電平。當(dāng)此開關(guān)打開時(shí)，芯片開始對(duì)輸入的電荷進(jìn)行積分。每個(gè)采樣保持電路都有一個(gè)內(nèi)置的低通濾波器（LPF），這個(gè)低通濾波器通過限制采樣帶寬從而將采樣噪聲控制在可接受的范圍內(nèi)。該濾波器的FA開關(guān)能夠做到縮短濾波器的濾波速度。在積分器的輸出端連接有兩個(gè)采樣保持電路。CDS1采集積分器的復(fù)位信號(hào)，CDS2采集輸出電壓信號(hào)，之后將采集的CDS1信號(hào)與CDS2信號(hào)以差分的形式輸出信號(hào)，這能有效消除芯片輸出的失調(diào)和低頻噪聲[7][8]。

電源管理部分：

該探測器電路需要電源模塊對(duì)其進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓等處理，因此需要一種低壓差線性調(diào)節(jié)器，該器件能夠提供高電源抑制、低噪聲特性，可實(shí)現(xiàn)出色的線路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能，可具備優(yōu)異的溫度漂移性能、高精度以及低噪聲等特性。針對(duì)上述要求在大量datasheet的基礎(chǔ)上我們選擇了ADP7104和ADR4540等芯片作為電源部分的處理芯片。

驅(qū)動(dòng)TFT面板的部分：

通過控制TFT面板的打開和關(guān)閉,從而輸出經(jīng)過射線照射人體組織后經(jīng)過AFE 和ADC轉(zhuǎn)換后的得出的數(shù)字信號(hào)。最后得出醫(yī)療影像。

3 軟件設(shè)計(jì)

AFE主要工作狀態(tài)分為5大部分，如圖3.1所示，復(fù)位初始化（Reset）、寄存器配置（Configuration）、電荷積分（Charge Integration）、ADC轉(zhuǎn)換（Conversion）和數(shù)據(jù)讀?。―ata Read）。

圖3.1 AFE主要工作的5個(gè)運(yùn)行階段

圖3.2

復(fù)位初始化階段（Reset），如圖3.2所示，從Reset信號(hào)上升沿開始，到CS信號(hào)的上升沿結(jié)束，這個(gè)階段對(duì)積分電容復(fù)位。

寄存器配置階段（Configuration），如圖3.2所示，以CS信號(hào)上升沿開始，以SYNC信號(hào)上升沿結(jié)束。

電荷積分（Charge Integration）階段，如圖3.3所示，以SYNC信號(hào)上升沿開始，以SYNC信號(hào)下降沿結(jié)束，此階段INTRST開關(guān)打開，對(duì)進(jìn)入的電荷進(jìn)行積分、去噪、放大處理，ADC轉(zhuǎn)換階段和電荷積分階段同時(shí)進(jìn)行。

對(duì)于電荷積分階段必須設(shè)置ACLK信號(hào)，通過ACLK的信號(hào)來控制電荷的積分。ACLK是一系列不連續(xù)的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。INTRST 、CDS1、CDS2、FA都是通過相應(yīng)的寄存器進(jìn)行控制。

圖3.3 電荷積分階段

圖3.4 轉(zhuǎn)換階段

ADC轉(zhuǎn)換（Conversion）階段，如圖3.4所示，必須設(shè)置DCLK信號(hào)，通過DCLK的信號(hào)來控制數(shù)據(jù)的輸出。DCLK（burst）是一系列連續(xù)的64個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)和一段mute組成。

數(shù)據(jù)讀?。―ata Read）階段和AD轉(zhuǎn)換階段、電荷積分階段相差一位進(jìn)行。

圖3.5 驅(qū)動(dòng)部分

圖3.6 驅(qū)動(dòng)部分Modelsim仿真圖

驅(qū)動(dòng)部分用來控制TFT端口的打開和關(guān)閉，如圖3.5所示STV1R作為控制TFT端口開始的標(biāo)志，STV1L作為控制結(jié)束的標(biāo)志。

OE負(fù)責(zé)控制輸出通道的開閉，OE1控制OUT[1]到OUT[511]等奇數(shù)通道，同理OE2控制OUT[2]到OUT[512]等偶數(shù)通道。圖3.6是通過Modelsim仿真得到的驅(qū)動(dòng)部分的仿真圖。圖3.7是FPGA控制采樣(AFE)、ADC轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)TFT面板的PCB電路板。

圖3.7 FPGA控制信號(hào)板

4 結(jié)論

本文主要展開了對(duì)X射線探測器采集電路的設(shè)計(jì)與研究。在介紹采集電路原理基礎(chǔ)上，利用Altium designer軟件完成電路的設(shè)計(jì)、PCB制作來實(shí)現(xiàn)硬件部分。軟件設(shè)計(jì)部分使用Verilog 語言編寫，通過Modelsim軟件仿真，最后利用ISE軟件綜合、Quartus軟件布局布線，使用Altera系列FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出從而控制信號(hào)采集電路的運(yùn)行。

我們已經(jīng)初步完成信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)，接下來就是對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證X射線探測器的靈敏度。

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Design of an X-ray Detector Signal Acquisition Circuit

DING Xiang, HU Xiao-jun, ZHANG Lu-yin, ZHOU Lin-lin, ZHANG Xue-fei, YANG Dong-dong
( Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266590)

The article designed a kind of X-ray detector signal acquisition circuit ,this circuit can improve the sensitivity of the X ray detector.The signal is obtained by X ray transmission through human tissue, the analog front-end chip (AFE) is used to denoise the signal at the output of the detector,the A/D analog-to-digital converter converts analog signals into digital signals, fi nally, the data is transmitted to the upper computer through LAN for image processing .

X-ray; Analog front end(AFE); Signal acquisition; A/D analog-to-digital converter; Circuit design ; Flat panel detector

本文引用格式：丁祥,胡曉君,張魯殷,等.基于一種X射線平板探測器采集電路的設(shè)計(jì).電子元器件與信息技術(shù)[J]，2017，1（1）：71-74，80.

國家自然科學(xué)基金：11504207。

丁祥（1991-），男，山東日照人,研究生，研究方向：電子與通信技術(shù)。

＊＊通信聯(lián)系人簡介：胡曉君（1964-）女，山東濟(jì)南人，副教授，研究方向：電子信息與自動(dòng)控制。

:DING Xiang, HU Xiao-jun, ZHANG Lu-yin, et al.Design of an X-ray Detector Signal Acquisition Circuit[J]，2017，1（1）：71-74，80.