一種核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)的原理分析

白宏生

摘 要 核醫(yī)學(xué)是利用核技術(shù)的手段來(lái)診斷和治療某些疾病的一門(mén)學(xué)科。核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備正是以核醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為核心而誕生的醫(yī)療設(shè)備。在全球醫(yī)療資源及診療手段需求逐年提高的背景下，核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備作為疾病診察的有效手段發(fā)揮著不可替代的作用。電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)是核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的核心，是圖像數(shù)據(jù)的來(lái)源。電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)的優(yōu)良直接決定著核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。本文針對(duì)電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行較為細(xì)致的分析。

關(guān)鍵詞 核醫(yī)學(xué)；數(shù)字采集系統(tǒng)；電子學(xué)

電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中所處的位置為探測(cè)器之上、圖像處理軟件之下。在對(duì)探測(cè)器進(jìn)行參數(shù)配置和采集模擬圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)也接受圖像軟件的控制請(qǐng)求和向圖像軟件傳輸數(shù)字化后的圖像數(shù)據(jù)。電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)主要由：放大器及基線(xiàn)恢復(fù)模塊、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及電源系統(tǒng)構(gòu)成。如下圖所示。

1 放大器及基線(xiàn)恢復(fù)模塊

放大器及基線(xiàn)恢復(fù)模塊是對(duì)探測(cè)器前置放大器輸出的微弱模擬信號(hào)的放大及偏置。放大器需要將毫伏級(jí)的前置放大器輸出放大十倍至幾十倍以使后端的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊能夠采集到模擬量在一個(gè)比較合適的范圍。這有利于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）達(dá)到比較高的轉(zhuǎn)換精度。在模擬信號(hào)的傳輸中，由于耦合電容和分布電容的存在，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的基線(xiàn)產(chǎn)生偏移，這種信號(hào)的偏移量會(huì)因?yàn)樾盘?hào)的頻率、幅度的不同而不同，且不同通道之間的差異性會(huì)比較明顯。這會(huì)使后端的ADC幾乎無(wú)法采集到準(zhǔn)確的模擬量，從而導(dǎo)致數(shù)字采集系統(tǒng)的失效。因此對(duì)模擬信號(hào)的基線(xiàn)恢復(fù)至關(guān)重要。需要針對(duì)每一個(gè)模擬通道的信號(hào)進(jìn)行偏置，即基線(xiàn)恢復(fù)。當(dāng)模擬信號(hào)的基線(xiàn)在絕對(duì)零位時(shí)，后端模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出才是真實(shí)可信的[1]。

2 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)字采集系統(tǒng)的重要組成部分。它將放大器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，以便數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的參數(shù)也決定著模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的性能。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器主要性能有兩個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)決定：采樣頻率和采樣精度。對(duì)于采樣頻率會(huì)根據(jù)實(shí)際的探測(cè)器輸出信號(hào)的特性而有不同的選擇。采樣頻率至少要保證能夠還原完整的探測(cè)器輸出波形，且不會(huì)有較大的失真。采樣頻率也不應(yīng)選擇過(guò)高，這會(huì)帶來(lái)較大的數(shù)據(jù)量，給數(shù)字信號(hào)處理模塊帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)，甚至無(wú)法處理。采樣精度的選擇10位或12位即可滿(mǎn)足通常的設(shè)計(jì)。精度過(guò)低則無(wú)法準(zhǔn)確還原探測(cè)器輸出的波形信號(hào)，精度過(guò)高對(duì)于信號(hào)的還原也沒(méi)有較大的價(jià)值，且同樣會(huì)給后端信號(hào)處理帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)[2]。

3 數(shù)字信號(hào)處理模塊

數(shù)字信號(hào)處理模塊應(yīng)具備以下邏輯功能：數(shù)據(jù)獲取與處理、控制及狀態(tài)信息的監(jiān)控等。

多通道數(shù)據(jù)獲取功能通常由FPGA實(shí)現(xiàn)。具體包括兩個(gè)部分：采集接口的實(shí)現(xiàn)與前端電子學(xué)采集參數(shù)的配置。采集接口實(shí)現(xiàn)與前端電子學(xué)采集的參數(shù)配置相關(guān)。采集的參數(shù)配置具體指模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的配置，具體包括了采集的頻率、數(shù)據(jù)的輸出格式、啟動(dòng)、停止、鎖定狀態(tài)等等。這些參數(shù)由FPGA進(jìn)行配置。在采集狀態(tài)確定的前提下， FPGA實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的采集接口邏輯，接收模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的處理與獲取密不可分，具體包括觸發(fā)與事件生成邏輯、堆積標(biāo)記邏輯。觸發(fā)與事件生成邏輯的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的解析，生成上位機(jī)可辨識(shí)的事件數(shù)據(jù)包。一個(gè)完整的事件數(shù)據(jù)包包括了事件產(chǎn)生的時(shí)間戳、事件的能量、事件的位置、事件類(lèi)型、堆積類(lèi)型、固定包頭等等。

功耗及溫度控制：在能源資源越來(lái)越緊張的今天，任何電子設(shè)備都應(yīng)該對(duì)功耗的管理引起足夠的重視。功耗控制主要指在設(shè)備空閑期間，使部分器件工作在低功耗的模式下，如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等。由于電子學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)溫度的變化較為敏感，為了使獲取的數(shù)據(jù)更具有真實(shí)性和穩(wěn)定性，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和探測(cè)器單元進(jìn)行溫度監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)整，以便整個(gè)系統(tǒng)能工作在一個(gè)穩(wěn)定的溫度環(huán)境中。對(duì)于溫度的控制，硬件上由探頭內(nèi)置的風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)散熱的功能。FPGA通過(guò)板載的溫度傳感器和探測(cè)器內(nèi)部的溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)控制，從而穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的溫度環(huán)境。同時(shí)FPGA也可以接收上位機(jī)的命令來(lái)控制風(fēng)扇的開(kāi)啟狀態(tài)和開(kāi)啟數(shù)量。

狀態(tài)信息的監(jiān)控主要涉及實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)率（觸發(fā)、記錄）等信息統(tǒng)計(jì)，監(jiān)控板上電壓以及溫度等。

4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊是與上位機(jī)通信及數(shù)據(jù)上傳的唯一通道。由于圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量比較龐大，需要有足夠的帶寬來(lái)實(shí)時(shí)傳送信號(hào)處理模塊輸出的圖像原始數(shù)據(jù)，因此一般選用千兆以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸方案。TCP是面向連接的通信協(xié)議，可以保證數(shù)據(jù)的可靠性。UDP是一種無(wú)連接的傳輸協(xié)議，能夠更靈活、高效的將數(shù)據(jù)傳輸至目的端。因此，通常應(yīng)用以太網(wǎng)的TCP和UDP協(xié)議分別傳輸圖像數(shù)據(jù)和控制指令（包含狀態(tài)監(jiān)控信息）。

5 結(jié)束語(yǔ)

電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)在核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中作為原始探測(cè)器數(shù)據(jù)的采集單元、原始圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)生單元，對(duì)核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的整機(jī)性能起著決定性的作用。是后期圖像重建的數(shù)據(jù)來(lái)源、是與CT等設(shè)備掃描圖像融合的基礎(chǔ)。核醫(yī)學(xué)設(shè)備電子學(xué)數(shù)字采集系統(tǒng)對(duì)核醫(yī)學(xué)設(shè)備的發(fā)展具有著重大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃鋼. 影像核醫(yī)學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2010：29.

[2] 王經(jīng)瑾，范天民，錢(qián)永庚，等.核電子學(xué)（上冊(cè)）[M].北京：原子能出版社，1983：41.