Analogtipp Höhere Auflösung mit rauscharmen Spannungsreferenzen

Zu den effektivsten Möglichkeiten, die Bildauflösung von Röntgensystemen zu verbessern, gehört es, das Rauschen im Frontend durch sorgfältiges Design der Datenerfassungs-Schaltungen zu reduzieren. Unter anderem können zu diesem Zweck rauscharme Serien-Spannungsreferenzen eingesetzt werden.

Zu den effektivsten Möglichkeiten, die Bildauflösung von Röntgensystemen zu verbessern, gehört es, das Rauschen im Frontend durch sorgfältiges Design der Datenerfassungs-Schaltungen zu reduzieren. Unter anderem können zu diesem Zweck rauscharme Serien-Spannungsreferenzen eingesetzt werden.

Überblick über die Funktionsweise der Röntgenbildgebung und den Systemaufbau

Die vom Röntgendetektor generierten Signale gelangen an ein AFE (Analog Front End). Bei diesem AFE handelt es sich um eine speziell entwickelte integrierte Datenerfassungs-Schaltung. Röntgensysteme sind mit mehreren AFEs bestückt, die eigens für diesen Verwendungszweck konzipiert sind und eine gemeinsame Spannungsreferenz nutzen.

Das AFE wandelt eine vom Röntgendetektor kommende Ladung mithilfe eines Ladungssummierverstärkers in eine Spannung. Diese Spannung wird wiederum einem Multiplexer zugeführt, der ein analoges Signal an einen A/D-Wandler weitergibt. Die im AFE verwendeten A/D-Wandler sind mit einer externen Präzisions-Spannungsreferenz verbunden, um die Voraussetzungen für eine exakte Datenwandlung zu schaffen.

Nachdem im Frontend ein digitales Signal zur Verfügung steht, hilft die digitale Subtraktions-Radiografie bei der Verbesserung der Bildqualität. Bei diesem Verfahren wird ein Scan des Patienten mit einem weiteren, ohne Patient erstellten Scan verglichen, um etwaige Bildfehler zu eliminieren.

Die beiden zum Vergleich herangezogenen Bilder werden dabei in einer so kurzen Zeitspanne aufgenommen, dass die Temperaturdifferenz minimal ist, zumal sich das Röntgensystem ohnehin in einer temperaturgeregelten Umgebung befindet. Dennoch kompensiert der Prozess der digitalen Subtraktions-Radiografie auch die Bilddiskrepanzen, die durch etwaige geringfügige Temperaturänderungen im Frontend verursacht werden.

Implementierung einer rauscharmen Schaltung für Röntgensysteme

Jegliches Rauschen, das im Frontend existiert (einschließlich des Rauschens der Präzisions-Spannungsreferenz und des AFE) pflanzt sich durch sämtliche Kanäle fort und beeinträchtigt die Auflösung des finalen Bilds, sodass letztendlich ein Bild minderer Qualität entsteht.

Die Verwendung einer externen Präzisions-Spannungsreferenz mit besonders niedrigem Rauschen anstelle einer internen Spannungsreferenz trägt dazu bei, die Bildauflösung zu verbessern und mit weniger Röntgenaufnahmen auszukommen. Die Belastung der Patienten und des medizinischen Personals mit Röntgenstrahlen verringert sich dadurch ebenso wie die Kosten.

Entscheidende Parameter von Spannungsreferenzen sind das zwischen 0,1 und 10 Hz auftretende Funkelrauschen, das ausgangsseitige, zwischen 10 Hz und 1 kHz angesiedelte Spannungsrauschen und die Temperaturdrift der Ausgangsspannung. Abhängig von der Bitanzahl oder dem ENOB-Wert (Effective Number Of Bits) eines D/A- oder A/D-Wandlers können die gerade genannten Parameter direkte Auswirkungen auf den Verstärkungsfehler oder den Signal-Rauschabstand (SNR) der gesamten Schaltung haben.

In einem Röntgensystem führt ein höherer Verstärkungsfehler zu einer Verschlechterung der Bildqualität. Das Funkelrauschen der Spannungsreferenz hat außerdem Auswirkungen auf den SNR des A/D-Wandlers: je geringer das Rauschen der Spannungsreferenz ist, umso mehr reduziert sich das Gesamtrauschen des ADC und umso größer wird sein SNR. Ein höherer SNR aber erhöht auch den ENOB-Wert, der wiederum über die Systemauflösung entscheidet. Es kommt somit darauf an, dass das Rauschen der Spannungsreferenz deutlich kleiner als das Rauschen des A/D-Wandlers ist.

Häufig kann die Verwendung einer externen Spannungsreferenz (wie die Bausteine REF70 oder REF54) den SNR des A/D-Wandlers vergrößern. Wenn es dadurch gelingt, die Qualität der erstellten Röntgenbilder zu verbessern, kommt dies unter dem Strich der Güte der medizinischen Versorgung der Patienten zugute. Beim Design eines Röntgensystems sollte es daher stets das Ziel sein, eine möglichst hohe Bildqualität zu erzielen. Dies lässt sich zwar auf verschiedenen Wegen erreichen, aber zu den effektivsten Optionen gehört zweifellos der Einsatz einer optimalen Spannungsreferenz beim Design des Frontends. (kr)

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* Jackson Wightman ist Applikationsingenieur bei Texas Instruments.

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