Novinky v návrhu zobrazovacích zařízení ve zdravotnictví

Snímač obrazu CCD (chargedcoupled device – zařízení s vázanými náboji) se téměř výhradně používá k pořizování obrazu s vysokým rozlišením pro lékařské aplikace. Snímače CCD poskytují vyšší dynamický rozsah a nižší šum než jejich protějšky – snímače CMOS. Nicméně, až příliš často nejsou tyto vlastnosti snímačů CCD dostatečně využívány z důvodu nevhodného rozmístění či výběru součástek. Aby se dosáhlo maximálního dynamického rozsahu, musí být celý systém optimalizován a měly by být použity různé metody zpracování signálu. Výběrem správného analogově-digitálního převodníku (ADC) docílíme toho, že bude k dispozici plný dynamický rozsah snímače CCD, což zajistí nejvyšší možnou kvalitu obrazu. Například 16bitový 25Msps analogově-digitální převodník LTC2203 od společnosti Linear Technology nabízí poměr signal k šumu (SNR) 81,6 dB, nízkou deformaci a vlastnosti, které mohou snížit nechtěné efekty, jako je posterizace (vada obrazu, kdy díky nedostatečné jemnosti barev dojde k viditelnému přeskoku barev místo jemného přechodu) a „slévání“ nebo „pruhování“ barevných přechodů mezi sousedními odstíny. LTC2203 je také energeticky nenáročný s pouhými 220 mW ztrátového výkonu. S dynamickým rozsahem 81,6 dB je LTC2203 ideální pro jakoukoli zobrazovací aplikaci, která vyžaduje schopnost rozlišit jemné barevné rozdíly.

Obr. 1 Typická aplikace LTC2203 s diferenčním zesilovačem LT6402

Vývodově kompatibilní 16bitový 10Msps LTC2202 je optimalizován tak, aby poskytoval stejný výkon při nižší vzorkovací frekvenci, a přitom spotřebuje pouze 140 mW. Rozšířená řada 16bitových převodníků s vysokým výkonem dosahuje vzorkovací frekvence až 160 Msps a nabízí dvě unikátní vlastnosti: interní dither (přidání šumu) pro zlepšení výkonu SFDR s nízkoúrovňovými vstupními signály a digitální randomizer (náhodný výběr) na výstupu pro snížení digitální zpětné vazby zapříčiněné rozsáhlými napěťovými přechody na sběrnici digitálního výstupu. Jelikož jsou snímače CCD přirozeně jednostranné, je nezbytné mít diferenční zesilovač, který poskytne z jednostranného signálu rozdílový signál pro analogově-digitální převodník. LTC6402 je praktický rozdílový zesilovač pro tuto situaci (obr. 1). LTC6402 může poskytnout rozdílový signál bez znehodnocení integrity signálu jednostranného ovladače snímače CCD. LTC6402 má vstupní impedanci 200 , což vyžaduje jednostranný buffer od snímače CCD. Dokonce i s poměrem signálu k šumu (SRN) 81,6 dB je možné LTC2203 dále optimalizovat tak, aby se zlepšil dynamický rozsah a kvalita snímku. Šum spojený s LTC2203 je omezen tepelným šumem analogovědigitálního převodníku a není limitován kvantovací chybou. Tepelný šum následně sníží efektivní počet bitů, a tím sníží dynamický rozsah celého systému. Aby bylo využito všech 16 bitů přesnosti poskytované LTC2203, bude nutné vytvořit několik snímků. Průměrně 30 snímků vytvořených tímto způsobem zajistí ve všech ohledech využití 16 bitů výkonu. Tato metoda sníží šum na úroveň 1 LSB RMS, nikoli na hodnotu 1 od špičky ke špičce. Aby byl snížen šum na hodnotu 1 od špičky ke špičce, bylo by zapotřebí vytvořit 400 snímků. Některé snímače CCD mají výstupní rychlosti okolo 100 snímků za sekundu. Zprůměrovaných 400 snímků by vyžadovalo pouze čtyři sekundy, což je možné využít v mnoha zdravotnických aplikacích. Použitím analogově-digitálního převodníku s vyšší vzorkovací frekvencí mohou být jednotlivé pixely přepsány a zprůměrovány, a tím se sníží čas požadovaný k vytvoření snímku s vysokým rozlišením. Skupina vysokorychlostních 16bitových výrobků firmy Linear Technology zahrnuje analogově- digitální převodník LTC2209 se vzorkovací frekvencí až 160 Msps. LTC2209 zvýšil počet vzorků na pixel faktorem šesti v porovnání s hodnotou 25 Msps snímače LTC2203. Použitím průměrovací techniky jsou přínosy interního ditheru a randomizeru na výstupu více zřetelné. Elektronický dither nesmí být zaměňován s mechanickým ditherem. Zlepšuje lokalizované nelinearity přenosové funkce analogově-digitálního převodníku. Nízkoúrovňové vstupní signály využívají pouze malou oblast přenosové funkce analogově-digitálního převodníku. Dokonce i jen mírné nelinearity mohou generovat znatelnou posterizaci a rušivé efekty v obrazu. Použití funkce interního ditheru povede k hladkému stínování v barevných polích. Obvod interního ditheru transformuje vzorkovaný signál v přenosové funkci a odstraňuje vady obrazu digitálně.

Obr. 2 Přídavný digitální randomizer na výstupu

Ditheringem vstupu při použití generátoru pseudonáhodných čísel, který řídí interní dither DAC, je analogově-digitální převodník nucen k činnosti přes široký rozsah přenosové funkce. Toto pseudonáhodné číslo je následně odečteno od výsledku analogově-digitálního převodníku s jen nepatrným prosakováním ditheru. LTC2203 eliminuje komplikovanost vyžadovanou vnějšími obvody ditheru, které nejsou příliš praktické pro aplikace snímačů CCD. Obvod ditheru integrovaný na čipu dramaticky zlepšuje linearitu analogově-digitálního převodníku za hranici 16 bitů pro nízkoúrovňové vstupní signály a tím umožňuje analogově- digitálnímu převodníku udržet si specifikace vysokého dynamického rozsahu s pouze mírným poklesem k hladině šumu. Další způsob, jak zlepšit výkon dynamického rozsahu, je eliminovat digitální zpětnou vazbu z výstupů analogově- digitálního převodníku. Digitální zpětná vazba se může projevit jako kapacitní vazba, zemní proudy nebo indukční vazba. Přestože správné rozvržení může pomoci snížit dopady digitální vazby, nemusí to stačit k odstranění problému. Jedním z řešení je snížit kolísání napětí digitálního výstupu, což patřičně sníží digitální šum zapojený do analogového obvodu. Digitálně-analogové převodníky LTC2203 s výstupními ovladači CMOS mohou pracovat při hodnotě napájecího napětí jen 0,5 V bez jakéhokoli vlivu na rychlost. Pokud toto ještě nestačí, LTC2203 také poskytuje přídavný digitální randomizer na výstupu k zakódování dat při použití nejméně významného bitu (LSB) z 16bitového digitálního výstupního slova. Každý z datových bitů je srovnán s nejméně významným bitem LSB pro náhodný výběr před přenosem (obr. 2). Přijatá sběrnice digitálního výstupu může být následně snadno dekódována provedením stejné operace v FPGA. Použití nízkého napětí a náhodného výběru může snížit zpětnou vazbu o faktor 3 nebo 4. To může zmírnit projevy rušivých efektů obrazu. LTC2203 má interní dither a randomizer výstupu. To snižuje počet externích obvodů. Vysoký dynamický rozsah a velmi dobrý poměr signálu k šumu (SRN) zařízení LTC2203 spolu s použitím uvedených metod je předpokladem k dosažení maximálního výkonu snímače CCD. Flexibilita nabízená skupinou 16bitových produktů firmy Linear Technology poskytuje konstruktérům zdravotnických zobrazovacích systémů volnost v použití metod pro snížení šumu a zvýšení kvality obrazu. LTC2203 poskytuje 81,6 dB poměru signálu k šumu (SNR) při 25 Msps. V rámci jednoho snímku je LTC 2203 schopen rozlišit 5,8 mld. barev a se zprůměrovanými několika snímky je k dispozici ještě více barev. LTC2203 je vhodný pro zdravotnické zobrazovací aplikace, ve kterých se používají vysokovýkonové snímače CCD. Článek poskytl Farnell ve spolupráci s Linear Technology.

www.farnell.com/cz

www.element14.com