用先進的負載點穩(wěn)壓器改善醫(yī)療成像質量

　　成像技術領域的創(chuàng)新

　　傳統(tǒng)模擬 X 射線成像系統(tǒng)以專門的感光膠片為介質，將通過的 X 射線轉變成可視圖像。為了完成這一任務，該膠片必須經過一種化學顯影過程，這個過程可能需要幾分鐘，因此推遲了開始對病人進行治療的時間。此外，顯影過程完成以后，醫(yī)療團隊可能會發(fā)現，由于 X 射線曝光不正確，該圖像需要重新攝取。膠片處理完成后，必須派人送給主治醫(yī)生，然后儲存在患者的醫(yī)療檔案里，在醫(yī)院里，患者的醫(yī)療檔案有可能占用大量的儲藏柜。此外，顯影過程中使用的化學制劑使用壽命有限，必須仔細儲存，而且一旦超過壽命期，就必須銷毀。如果采用直接 X 射線攝影 (Direct Radiography – DR)，所有這些挑戰(zhàn)都沒有了。直接 X 射線攝影是一種數字 X 射線成像技術，正得到越來越多的采用。

　　隨著初始擁有成本的下降以及優(yōu)勢日趨明顯，傳統(tǒng) X 射線成像向直接 X 射線攝影遷移的勢頭不斷增強。采用直接 X 射線攝影時，給患者拍照幾秒鐘后，就可得到 X 射線圖像，而且該圖像可以立即發(fā)送到全球各地，以向任何一個地方的醫(yī)學專家咨詢。患者的 X 射線圖像是數字形式的，可以在小型硬盤上歸檔和檢索，而無需大型文件柜。流行的直接 X 射線攝影方法采用平板檢測器板來獲取經過的 X 射線。該平板檢測器無需移動或手工挪動，就可顯示不同的拍照角度，以拍出多種圖像，而且傳感器-圖像尺寸比為 1：1。較新的平板 X 射線檢測器能以無線方式向控制單元發(fā)送圖像，以供查看、歸檔和分發(fā)。有了平板檢測器，就不必再購買、儲存或銷毀與處理膠片有關的化學制劑了。也許最重要的是，歐洲的兩項研究表明，存檔一幅與模擬照相記錄膠片質量相當的 DR 圖像所需的 X 射線劑量將減低 30% 到 70%。有些平板設計可將照射率實時地傳遞至 X 射線源，從而確保正確曝光的圖像和極低的輻射劑量。較低的 X 射線劑量可改善患者及附近醫(yī)療保健專業(yè)人員的安全境況，他們可能隨后會遇到四散的 X 射線粒子。

　　為了產生圖像，許多直接 X 射線攝影系統(tǒng)采用了全幀平板探測器，這種探測器由覆蓋了一個閃爍層的 CMOS 傳感器構成。這個閃爍層將入射的 X 射線的波長轉變成硅材料能更好地吸收的波長。CMOS 傳感器由于制造工藝的原因而常常受到青睞，這類傳感器與混合信號及邏輯架構是兼容的，因而有助于形成集成度更高的解決方案。200mm 和 300mm 硅晶片制造技術的改進進一步促進了向直接 X 射線攝影轉變的趨勢。較大的晶片使更少的 CMOS 傳感器模塊能結合在一起，從而使得所形成的 X 射線平板傳感器與 35cm x 43cm (14 英寸 x 17 英寸) 1.5cm 厚 ISO 標準 X 射線膠片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的醫(yī)院都使用這類膠片暗匣。毫不奇怪，系統(tǒng)的硬件設計對這類產品的圖像質量、外形尺寸、人員安全和工作壽命產生了直接影響，起到了重要的作用。不過，這種起到重要作用的硬件設計中包括電源管理組件嗎?

　　與電子噪聲的艱苦斗爭

　　為了讓直接 X 射線攝影實現全部潛在優(yōu)勢，必須關注電子噪聲、熱量和尺寸問題。必須保持高信噪比 (SNR)，同時降低加到患者身上的 X 射線劑量也是一個關鍵目標。盡管傳感器本身的噪聲性能獲得了極大關注，但是電源注入的噪聲也值得仔細考慮。

　　電源架構對信噪比性能有直接影響。電源軌上的電壓紋波被饋送到圖像傳感器，而且 A/D 轉換器可能將噪聲注入到圖像中。X 射線 CMOS 傳感器制造商們聲稱，已經實現了 14 位甚至 16 位 A/D 轉換，從而可支持很寬的對比度范圍，進而產生非常詳細的圖像。使問題更加復雜的是圖像傳感器、A/D 轉換器和 / 或儀表放大器要正常工作，除了需要一個穩(wěn)定的正電壓，常常還需要一個穩(wěn)壓的 -3.3V 至 -7V 負電壓軌。此外，電池組或 AC/DC 電源可能僅提供一個未調節(jié)的正電壓。因此，中間的 DC/DC 轉換器必須具有低輸出紋波性能 (幾十 mV)、高工作效率和低的自發(fā)熱量。

　　為了患者的舒適度和便利性，很多新的 X 射線成像單元 (包括傳感器平板) 都是移動的。傳感器平板的電源常常選擇標稱電壓為 12V 的可再充電電池。為了充電一次就可拍攝并傳送數百個圖像，需要較高的工作效率，這促使人們使用開關穩(wěn)壓器。不幸的是，開關模式穩(wěn)壓器是一種電磁干擾 (EMI) 輻射源，這增加了系統(tǒng)的噪聲水平。此外，為幫助醫(yī)務人員與患者之間保持一個安全的邊界，某些 X 射線傳感器面板擁有無線數據傳輸能力。較高的 EMI 水平有可能導致所拍攝的圖像失真，和 / 或干擾向用戶終端的無線數據傳送。也許更麻煩的是，EMI 輻射水平有可能超出政府監(jiān)管機構所允許的值，從而使醫(yī)療產品無法進入市場，本文稍后討論這個問題。

　　要求較高的工作效率還有第二個目的，即努力保持高信噪比 (SNR)。CMOS 傳感器內部的暗電流會隨溫度的上升呈指數性增加。暗電流是由電荷移動形成的，在 X 射線曝光之前就存在了。根據一家 X 射線 CMOS 傳感器制造商的說法，溫度每上升 8°C，暗電流就大約增大一倍。盡管后期處理可以從圖像中去掉一些暗電流假影，但是較高的工作溫度以及反復進行的 X 射線曝光所累積的損傷加速增大了暗電流。最終，暗電流將淹沒入射 X 射線粒子在傳感器上沉積的電荷，這時候，平板檢測器就必須更換了。此外，因為醫(yī)療設備常常接觸人體組織，所以如果對散熱不加以控制，那么除了會縮短設備的工作壽命，還有可能導致患者不舒服或燙傷。

　　與熱量的斗爭

　　正如之前提到的那樣，較高的工作溫度降低了 CMOS 傳感器的信噪比性能，并縮短了這類傳感器的壽命。此外，較高的工作溫度還造成了患者的安全風險。為了保持卓越的圖像分辨率，X 射線平板檢測器會與患者的身體直接接觸。當溫度達到 40°C (100°F) 時，人的皮膚就開始受到灼傷。因此，有可能與人的皮膚接觸之任何醫(yī)療設備的外部都必須保持低于這個溫度限制。所以，高工作效率以及能將在大面積上產生的熱量散發(fā)出去，對很多方面都是至關重要的，例如對傳感器壽命、圖像清晰度和患者安全等。

　　保持緊湊的外形尺寸

　　從外科手術系統(tǒng)附件到手持式檢查工具，新一代醫(yī)療設備的復雜性越來越高，而裝入這么多組件以支持更多功能的可用空間卻沒有相應增大。就平板 X 射線探測器而言，現有的醫(yī)院基礎設施已經配置了一個被稱為“濾線柵插槽”的固定尺寸插槽，而原先這個地方是用來擺放模擬 X 射線膠片暗匣的。這些膠片暗匣一般遵循 ISO4090 指導原則，可以有 46cm x 38.6cm x 1.5cm 的外部尺寸，所允許的 X 射線圖像尺寸為 43cm x 35cm (14 英寸 x 17 英寸)。電源管理解決方案必須緊湊和高效，才能符合這么受限的尺寸要求，并最大限度地減少工作溫度的上升。

　　監(jiān)管法規(guī)

　　作為美國和歐洲監(jiān)管要求的一部分，醫(yī)療設備必須證明符合 CISPR11 (又稱為 EN55011) 法規(guī)。因為開關穩(wěn)壓器輻射電磁場，所以設計師必須全面了解開關穩(wěn)壓器對 EMI 兼容性的影響，或者必須選擇一種經過測試、滿足制造商 EMI 輻射限制的電源解決方案。否則，為了實現與相關標準的符合性，有可能需要進行量大費時的產品迭代設計工作。對打算用于辦公樓的醫(yī)療設備規(guī)定了最為嚴格的輻射 EMI 限值，Group1 – Class B 設備的輻射限值等同于針對辦公樓及家庭用信息技術設備所規(guī)定的 EN55022 Class B (CISPR22 Class B) 限值。

　　較長的產品壽命

　　對醫(yī)療設備而言，證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對于 X 射線平板傳感器來說，必須一次就正確獲得圖像，否則患者和醫(yī)護人員就會令人遺憾地再次面對輻射。最低限度，也會因診斷延遲而導致治療延遲，按照現代醫(yī)療標準，這種情況是不可接受的。