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[導(dǎo)讀]   成像技術(shù)領(lǐng)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(zhì),將通過的X射線轉(zhuǎn)變成可視圖像。為了完成這一任務(wù),該膠片必須經(jīng)過一種化學(xué)顯影過程,這個(gè)過程可能需要幾分鐘,因此推遲

  成像技術(shù)領(lǐng)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(zhì),將通過的X射線轉(zhuǎn)變成可視圖像。為了完成這一任務(wù),該膠片必須經(jīng)過一種化學(xué)顯影過程,這個(gè)過程可能需要幾分鐘,因此推遲了開始對(duì)病人進(jìn)行治療的時(shí)間。此外,顯影過程完成以后,醫(yī)療團(tuán)隊(duì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn),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(chǔ)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(chǔ)藏柜。此外,顯影過程中使用的化學(xué)制劑使用壽命有限,必須仔細(xì)儲(chǔ)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(shù)字X射線成像技術(shù),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(qiáng)。采用直接X射線攝影時(shí),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(gè)地方的醫(yī)學(xué)專家咨詢。患者的X射線圖像是數(shù)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(jīng)過的X射線。該平板檢測器無需移動(dòng)或手工挪動(dòng),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(chǔ)存或銷毀與處理膠片有關(guān)的化學(xué)制劑了。最重要的是,歐洲的兩項(xiàng)研究表明,存檔一幅與模擬照相記錄膠片質(zhì)量相當(dāng)?shù)腄R圖像所需的X射線劑量將減低30%到70%。有些平板設(shè)計(jì)可將照射率實(shí)時(shí)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(huì)遇到四散的X射線粒子。

  為了產(chǎn)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(gè)閃爍層的CMOS傳感器構(gòu)成。這個(gè)閃爍層將入射的X射線的波長轉(zhuǎn)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(hào)及邏輯架構(gòu)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(shù)的改進(jìn)進(jìn)一步促進(jìn)了向直接X射線攝影轉(zhuǎn)變的趨勢。較大的晶片使更少的CMOS 傳感器模塊能結(jié)合在一起,從而使得所形成的X射線平板傳感器與35cmx43cm(14英寸x17英寸)1.5cm厚ISO標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)對(duì)這類產(chǎn)品的圖像質(zhì)量、外形尺寸、人員安全和工作壽命產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)全部潛在優(yōu)勢,必須關(guān)注電子噪聲、熱量和尺寸問題。必須保持高信噪比(SNR),同時(shí)降低加到患者身上的X射線劑量也是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。盡管傳感器本身的噪聲性能獲得了極大關(guān)注,但是電源注入的噪聲也值得仔細(xì)考慮。

  電源架構(gòu)對(duì)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(zhuǎn)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了14位甚至16位A/D轉(zhuǎn)換,從而可支持很寬的對(duì)比度范圍,進(jìn)而產(chǎn)生非常詳細(xì)的圖像。使問題更加復(fù)雜的是圖像傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和儀表放大器要正常工作,除了需要一個(gè)穩(wěn)定的正電壓,常常還需要一個(gè)穩(wěn)壓的-3.3V至-7V負(fù)電壓軌。此外,電池組或AC/DC電源可能僅提供一個(gè)未調(diào)節(jié)的正電壓。因此,中間的DC/DC轉(zhuǎn)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(dòng)的。傳感器平板的電源常常選擇標(biāo)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(shù)百個(gè)圖像,需要較高的工作效率,這促使人們使用開關(guān)穩(wěn)壓器。不幸的是,開關(guān)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(wù)人員與患者之間保持一個(gè)安全的邊界,某些X射線傳感器面板擁有無線數(shù)據(jù)傳輸能力。較高的EMI水平有可能導(dǎo)致所拍攝的圖像失真,干擾向用戶終端的無線數(shù)據(jù)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(jī)構(gòu)所允許的值,從而使醫(yī)療產(chǎn)品無法進(jìn)入市場。

  要求較高的工作效率還有第二個(gè)目的,即努力保持高信噪比(SNR)。CMOS傳感器內(nèi)部的暗電流會(huì)隨溫度的上升呈指數(shù)性增加。暗電流是由電荷移動(dòng)形成的,在X射線曝光之前就存在了。根據(jù)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(fù)進(jìn)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(shí)候,平板檢測器就必須更換了。此外,因?yàn)獒t(yī)療設(shè)備常常接觸人體組織,所以如果對(duì)散熱不加以控制,那么除了會(huì)縮短設(shè)備的工作壽命,還有可能導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)。為了保持卓越的圖像分辨率,X射線平板檢測器會(huì)與患者的身體直接接觸。當(dāng)溫度達(dá)到40°C(100°F)時(shí),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(shè)備的外部都必須保持低于這個(gè)溫度限制。所以,高工作效率以及能將在大面積上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去,對(duì)很多方面都是至關(guān)重要的,例如對(duì)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(shù)系統(tǒng)附件到手持式檢查工具,新一代醫(yī)療設(shè)備的復(fù)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(yīng)增大。就平板X射線探測器而言,現(xiàn)有的醫(yī)院基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)配置了一個(gè)被稱為“濾線柵插槽”的固定尺寸插槽,而原先這個(gè)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(dǎo)原則,可以有46cmx38.6cmx1.5cm的外部尺寸,所允許的X射線圖像尺寸為43cmx35cm(14英寸x17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(shè)備必須證明符合CISPR11(又稱為EN55011)法規(guī)。因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器輻射電磁場,所以設(shè)計(jì)師必須全面了解開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì) EMI 兼容性的影響,或者必須選擇一種經(jīng)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(shí)現(xiàn)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的符合性,有可能需要進(jìn)行量大費(fèi)時(shí)的產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)工作。對(duì)打算用于辦公樓的醫(yī)療設(shè)備規(guī)定了最為嚴(yán)格的輻射EMI限值,Group1–Class B設(shè)備的輻射限值等同于針對(duì)辦公樓及家庭用信息技術(shù)設(shè)備所規(guī)定的EN55022 Class B(CISPR22 Class B)限值。

  較長的產(chǎn)品壽命

  對(duì)醫(yī)療設(shè)備而言,證明電源解決方案的可靠性是很有必要的。對(duì)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(hù)人員就會(huì)令人遺憾地再次面對(duì)輻射。最低限度,也會(huì)因診斷延遲而導(dǎo)致治療延遲,按照現(xiàn)代醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn),這種情況是不可接受的。

  另一個(gè)需要考慮的因素是:選定電子組件的供貨時(shí)間能延續(xù)多久? 經(jīng)歷了CE、UL、IEC和FDA等機(jī)構(gòu)漫長的監(jiān)管審批程序并獲得認(rèn)證之后,每種醫(yī)療電子設(shè)備都應(yīng)能長期制造-達(dá)15年以上。這一時(shí)間長度比消費(fèi)類產(chǎn)品的周期長得多,而消費(fèi)類產(chǎn)品市場是很多電源管理半導(dǎo)體廠商的主要市場。僅由于組件淘汰而對(duì)產(chǎn)品重新進(jìn)行鑒定,對(duì)于工程資源和公司收益都是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。

  解決方案:先進(jìn)的DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器

  為了幫助設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對(duì)醫(yī)療應(yīng)用中的電子噪聲、熱量和尺寸挑戰(zhàn),凌力爾特提供了超過50種不同的微型模塊(?Module)電源產(chǎn)品,為客戶提供了廣泛選擇。這些產(chǎn)品每一種都是高效率、全面集成的DC/DC開關(guān)電源管理解決方案,采用緊湊的表面貼裝封裝(圖1)。這些開關(guān)模式穩(wěn)壓器經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì),在負(fù)輸出電壓和正輸出電壓電路配置中,以低輸出紋波工作,如圖2和3所示。微型模塊電源產(chǎn)品的一個(gè)子類是通過了EN55022 Class B認(rèn)證的微型模塊穩(wěn)壓器,是克服醫(yī)療應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)EMI挑戰(zhàn)之理想解決方案。這類開關(guān)穩(wěn)壓器經(jīng)過TUV等獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證,以在輸出電流高達(dá)8A時(shí),滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EN55022 Class B(相當(dāng)于CISPR11/EN55011 Group 1–Class B)對(duì)輻射EMI的要求。用各自的標(biāo)準(zhǔn)演示電路板進(jìn)行測試所得的結(jié)果已公開在線提供。部分測試情況如圖4所示。選擇一個(gè)兼容和全面集成的降壓型解決方案,例如微型模塊穩(wěn)壓器,可在滿足這類要求時(shí),節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間,并降低與常見開關(guān)穩(wěn)壓器或控制器相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

  與高輸出紋波和輻射EMI有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)不應(yīng)該低估。這兩種因素都影響產(chǎn)品第一次就能正常發(fā)揮作用以及滿足嚴(yán)格的政府法規(guī)的能力。至于這兩種因素對(duì)X射線平板工作的影響,產(chǎn)品設(shè)計(jì)如果良好地控制了輸出紋波和EMI輻射,那么產(chǎn)品就能提供高信噪比,從而能提供高質(zhì)量、高分辨率的圖像,第一次就能獲得正確的圖像以避免治療延遲以及不必要地重復(fù)暴露于輻射之中,還能提供可靠的無線通信,并加速EMI兼容性測試。出于這些原因,凌力爾特做了很多工作,以確保這些設(shè)備通過TUV等獨(dú)立測試實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證,并公開在線提供測試結(jié)果。在克服噪聲和EMI問題以后,合適的電源管理解決方案就需要解決效率、可靠性和散熱問題了。

  微型模塊電源產(chǎn)品是效率非常高的開關(guān)穩(wěn)壓器,采用由導(dǎo)熱塑料構(gòu)成的表面貼裝LGA或BGA封裝,封裝頂部是平坦的。一整塊平坦的封裝頂部覆蓋整個(gè)電源管理解決方案,有利于采取散熱措施,以最大限度地減少醫(yī)療設(shè)備外部任何一點(diǎn)的溫度上升(圖5)。正如之前提到的那樣,保持較低的工作溫度可提高對(duì)患者的安全性、信噪比以及設(shè)備的工作壽命。最大的微型模塊電源產(chǎn)品的尺寸為15mmx15mmx5mm,最小的則為6.25mmx6.25mmx2.3mm,因此采用微型模塊電源產(chǎn)品有助于為實(shí)現(xiàn)更重要的功能釋放空間,例如增大電池尺寸以在兩次充電之間工作更長時(shí)間。


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