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医学影像中时钟分配系统的设计

改善医疗环境的需求永无止境。

因此,需要更高分辨率的医学成像设备来更好地观察人体。

高分辨率带来了信号获取和传输的问题。

基于上述要求,需要稳定的低抖动时钟来提高信号采集精度并改善系统中的信号传输。

在本文中,我们将讨论大型成像设备的时钟分配系统,这对设计工程师来说是一个巨大的挑战。

在1970年代中期至后期,计算机化X射线轴向分层(CAT)扫描出现在医学界。

计算机处理能力和信息收集时间的提高大大提高了设备​​的扫描速度,信息内容和图像的清晰度。

今天,我们的扫描仪将正电子发射成像技术(PET)与磁共振成像(MRI)或X射线计算机断层扫描技术相结合,以提供更好的信息记录方法和更好的图像质量。

这是双模式扫描,这是目前的最新设计之一。

时钟,噪声和图像分辨率:特别是,PET扫描仪需要放射性核素跟踪仪,当这些放射性核素衰减时,它会生成正电子。

当正电子失去势能时,它们将以不同的方式与电子结合。

通过这种组合,将产生几乎沿相反方向发射的511KeV伽马射线。

为了记录两个伽马射线光子通过患者身体时的响应线或字符串,需要一个检测环。

检测环的直径必须能够容纳大约1米的患者身体通道,并且检测环上有500至1000个通道。

检测器必须能够将正电子产生的两个伽马射线事件与电子an灭过程关联到响应线,而不是将其关联起来。

此外,这些通道必须准确地测量伽玛射线的能量,以检测由康普顿散射引起的误差,该误差可能会导致发射器位置的误差。

有多种方法可以实现上述目的,但是它们都需要准确的时钟信号才能与检测窗口配合使用。

生成精确,稳定的高频时钟非常容易,但是如何在大直径的检测环中分配时钟信号却是一个巨大的挑战,因为快速的时钟脉冲沿会由于传输介质而丢失。

一些检测器使用光纤将闪烁晶体的输出传输到带有光电组件(PMT或APD)的通道板。

这种布局减小了检测电子设备的距离,但是时钟脉冲分布仍将受到通道上的损坏,偏移,振动和其他降级问题的影响,最终将影响图像噪声和所需的分辨率。

图1:PET检测器组成的示意图时钟脉冲分布在CT成像和其他类似的数据采集系统中,时钟将限制那些基于时间的系统的性能和数据转换效果。

为了保持高速时钟干净,信号以差分形式分配,例如LVPECL或LVDS。

由于它们需要在通道板上传输,因此在驱动负载(例如大型FPGA)并调整板布局偏斜时,将影响时钟脉冲的分布,即,将影响边沿脉冲的到达时间。

为了解决这个问题,半导体供应商已经创建了时钟分配设备,该时钟分配设备允许工程师“解决”问题。

通过可编程延迟和重新驱动时钟信号来解决偏斜问题。

图2显示了美国国家半导体LMK01000系列时钟脉冲分配设备的框图。

该设备不仅可以控制校正偏差,还可以控制可编程分频器,多路复用器和输出驱动器。

这对于实现可管理时钟并减少时序错误的系统内可编程性能至关重要。

图2:LMK01000系列时钟脉冲分配设备的结构框图当时钟脉冲通过通道板传输时,需要双绞线或双同轴电缆,但是还会出现新的问题。

由于高速信号的传输距离很近或很远,这些信号将遭受高频衰减,群时延和其他因串扰和系统噪声引起的失真,尤其是在需要高压电源来驱动PMT时。

在大多数情况下,时钟脉冲的恢复是通过重新锁相环(PLL)器件来实现的。

例如,使用的是LMK03200精密零延迟时钟调节器,它包括一个高频锁相环,



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