应对医学成像中的时钟分发系统设计挑战

    对于改善医疗保健环境的需求永无止境，因此需要具有更高分辨率的医疗影像设备，以便更好地观测人体情况。高分辨率带来了信号采集和传送的问题。基于上述需求，需要稳定的低抖动时钟去改善信号采集精度，改善信号在系统内的传输。本文中，我们将讨论大型成像设备的时钟分发系统，而这对设计工程师们而言是一大挑战。

    1970年代中后期，计算机X射线轴向分层造影(CAT)扫描就已经出现在医学界了。计算机处理能力和信息采集时间的改善大大提高了设备的扫描速度，信息内容以及图像的清晰度。今天，我们的扫描仪把正电子放射成像技术(PET)与核磁共振成像技术(MRI)或X-射线计算机断层扫描技术结合在一起，提供了更好的信息记录方式与更出色的画面质量，此即双模式扫描，是当下最新的设计之一。

    时钟，噪声与图像分辨率

    特别的是，PET扫描仪需要放射性核素跟踪剂，当这些放射性核素衰变时就会产生正电子。当正电子失去势能，它们就会通过不同方式与电子结合在一起，通过这种结合，将产生几乎朝向完全相反方向发射的511KeV的伽马射线。为了记录在它们穿过病人身体时，两个伽马射线光子的响应线或弦，需要用到一个探测环。探测环的直径必须能容纳病人身体通过，大约需要1米，探测环上具有500到1000条信道。探测器则必须能把从正电子到电子覆灭过程所产生的两条伽玛射线事件关联到的一个响应线上，而不能作为随机事件。另外，这些信道必须准确测量出伽马射线的能量，以此探测出康普顿散射引发的误差，康普顿散射会导致发射源位置出错。要达到以上目的有几种办法，但均需要精确的时钟信号配合检测窗口。

    产生一个精确且稳定的高频时钟非常容易，但如何在直径很大的探测环内分布时钟信号则是一大挑战，因为快速的时钟脉冲边沿会因传输媒介而有所损耗。一些探测器借助光纤将闪烁晶体的输出传递至具有光电子元器件(PMT或者APD)的信道板上。这样的布局令探测电子装置的距离变小，但时钟脉冲分布依然会受到信道上的损伤、偏移、振动以及其它退化问题的影响，这些最终会影响图像的噪声，及需要达到的分辨率。

图1：PET探测器构成示意图。

    时钟脉冲分发

    在CT成像和其它类似的数据采集系统里，时钟会限制那些以时间为基础的系统的性能和数据转换效果。为了保持高速时钟干净，信号采用差分形式如LVPECL或LVDS分发。因为它们要在信道板上传输，在驱动负载（如大FPGA）和调整板布局歪斜时，时钟脉冲的分布都会受到影响，即影响边沿脉冲的到达时间。为了解决该问题，半导体供应商创建了允许工程师通过可编程延迟及重新驱动时钟信号的“解决”歪斜问题的时钟分布器件。图2所示的是美国国家半导体LMK01000系列时钟脉冲分布器件的框图，该器件不仅可以控制校正偏差，还可控制可编程分频器、多路复用器和输出驱动器。这对于能实现管理时钟和减少时序错误的系统内可编程性能是至关重要的。

图2：LMK01000系列时钟脉冲分布器件架构框图。

    当通过信道板传输时钟脉冲时，需使用双绞线或双同轴电缆，但新问题也会随之出现。因为高速信号传输的距离不管是近是远，这些信号将遭遇高频衰减、群延迟及其他由串扰造成的失真及系统噪音的影响，特别在需要高压电驱动PMT时。在多数情况下，时钟脉冲的恢复都是通过锁相环(PLL)器件的重定时来完成的。例如，采用LMK03200精确零延迟时钟调节器，它包括一个高频锁相环，集成的VCO以及LMX01000所具备的一些特性。

    本文小结

    大型数据采集系统如PET、 CT、 MRI和双模式扫描仪，均需严格控制时钟，以最小化图像的失真、系统噪音并提升系统的整体性能。具有更大光输出和更快衰减时间的新产品令使用PET扫描仪上进行TOF检测成为可能。这一最新的技术需要更高频率的时钟，从而产生更高清晰度的图像。随着新技术的发展，CT扫描的未来将愈加光明，但随着检测图像分辨率的不断提高，时序速率也会进一步提升，因此时钟分发将是设计人员需要长期应对的挑战。