X 線イメージングの動作とシステム設計の概要

X 線システムでは、X 線パネルから生成された信号を AFE が受信します。AFE は、専用に設計された IC であり、フロント エンドでデータ 収集を実行します。X 線システムには、X 線システムでの使用を想定して設計された複数の AFE が搭載され、そのすべてが共通の電圧リファレンスを使用します。

AFE は、電荷加算アンプを使用して、X 線パネルからの電荷を電圧に変換します。その後、この電圧をマルチプレクサに供給し、マルチプレクサがアナログ信号を A/D コンバータ (ADC) に供給します。AFE に搭載されている ADC は、外部の高精度電圧リファレンスを使用して、正確なデータ変換を行います。

フロント エンドに送信されたデジタル信号は、デジタル サブトラクション X 線撮影による画質の向上に役立ちます。デジタル サブトラクション X 線撮影では、患者のスキャンと患者を含まないスキャンを比較して、画像の欠陥を除去します。2 つの画像は非常に短い時間枠で撮影されるため、温度の変化は最小限です。つまり、X 線システムは温度制御された環境にあります。ただし、デジタル サブトラクション X 線撮影のプロセスでは、フロント エンドの小さな温度変化によって生じる画像の不一致が補正されます。

X 線システム向け低ノイズ回路を実装する際の設計上の課題

高精度の電圧リファレンスと AFE を含めた、フロント エンドに存在するすべてのノイズは、すべてのチャネルを通して伝搬し、最終的な画像の解像度を低下させるため、結果として画質が低くなります。

内部電圧リファレンスの代わりに、超低ノイズの外部高精度電圧リファレンスを選択すると、画像の解像度が向上し、照射する X 線の数が減少するため、患者や医療従事者の被ばく量と医療コストを削減できます。

表 1 に、考慮すべき電圧リファレンスのパラメータをいくつか示します。

D/A コンバータまたは ADC のビット数または有効ビット数 (ENOB) に応じて、表 1 のパラメータは回路のゲイン誤差と信号対雑音比 (SNR) に直接影響を及ぼす場合があります。X 線システムでは、ゲイン誤差が大きいほど画質が低下します。また、電圧リファレンスのフリッカー ノイズは ADC の SNR に影響を及ぼします。

式 1 および式 2 に、ADC のノイズと SNR を示します。

式 1 から、電圧リファレンスのノイズが減少するにつれて、ADC の合計ノイズが減少することがわかります。式 2‌ から、電圧リファレンス ノイズが減少すると ADC の SNR が上昇することがわかります。SNR が高いほど、ENOB も高くなります。これは、システムの分解能を高めるために必要です。したがって、電圧リファレンスのノイズは ADC のノイズよりもはるかに小さいことが重要です。

多くの場合、テキサス インスツルメンツの REF70 または REF54 のような外部電圧リファレンスを選択することで、ADC の SNR を改善できます。低ノイズで高精度の電圧リファレンスが極めて重要な検討事項になります。 表 2 に、REF70 および REF54 シリーズ電圧リファレンスのパラメータを示します。

REF70 や REF54 など低ノイズで高精度の電圧リファレンスを選択してアナログ フロント エンドに存在するノイズを低減すると、ADC の SNR が増加し、X 線システムの画像解像度の向上に役立ちます。