传统模拟 X 射线成像系统以专门的感光胶片为介质，将通过的 X 射线转变成可视图像。为了完成这一任务，该胶片必须经过一种化学显影过程，这个过程可能需要几分钟，因此推迟了开始对病人进行治疗的时间。此外，显影过程完成以后，医疗团队可能会发现，由于 X 射线曝光不正确，该图像需要重新摄取。胶片处理完成后，必须派人送给主治医生，然后储存在患者的医疗档案里，在医院里，患者的医疗档案有可能占用大量的储藏柜。此外，显影过程中使用的化学制剂使用寿命有限，必须仔细储存，而且一旦超过寿命期，就必须销毁。如果采用直接 X 射线摄影 (Direct Radiography – DR)，所有这些挑战都没有了。直接 X 射线摄影是一种数字 X 射线成像技术，正得到越来越多的采用。
随着初始拥有成本的下降以及优势日趋明显，传统 X 射线成像向直接 X 射线摄影迁移的势头不断增强。采用直接 X 射线摄影时，给患者拍照几秒钟后，就可得到 X 射线图像，而且该图像可以立即发送到全球各地，以向任何一个地方的医学专家咨询。患者的 X 射线图像是数字形式的，可以在小型硬盘上归档和检索，而无需大型文件柜。流行的直接 X 射线摄影方法采用平板检测器板来获取经过的 X 射线。该平板检测器无需移动或手工挪动，就可显示不同的拍照角度，以拍出多种图像，而且传感器-图像尺寸比为 1：1。较新的平板 X 射线检测器能以无线方式向控制单元发送图像，以供查看、归档和分发。有了平板检测器，就不必再购买、储存或销毁与处理胶片有关的化学制剂了。也许最重要的是，欧洲的两项研究表明，存档一幅与模拟照相记录胶片质量相当的 DR 图像所需的 X 射线剂量将减低 30% 到 70%。有些平板设计可将照射率实时地传递至 X 射线源，从而确保正确曝光的图像和极低的辐射剂量。较低的 X 射线剂量可改善患者及附近医疗保健专业人员的安全境况，他们可能随后会遇到四散的 X 射线粒子。
为了产生图像，许多直接 X 射线摄影系统采用了全帧平板探测器，这种探测器由覆盖了一个闪烁层的CMOS 传感器构成。这个闪烁层将入射的 X 射线的波长转变成硅材料能更好地吸收的波长。CMOS 传感器由于制造工艺的原因而常常受到青睐，这类传感器与混合信号及逻辑架构是兼容的，因而有助于形成集成度更高的解决方案。200mm 和 300mm 硅晶片制造技术的改进进一步促进了向直接 X 射线摄影转变的趋势。较大的晶片使更少的 CMOS 传感器模块能结合在一起，从而使得所形成的 X 射线平板传感器与 35cm x 43cm (14 英寸 x 17 英寸) 1.5cm 厚 ISO 标准 X 射线胶片暗匣的尺寸相一致，而世界各地的医院都使用这类胶片暗匣。毫不奇怪，系统的硬件设计对这类产品的图像质量、外形尺寸、人员安全和工作寿命产生了直接影响，起到了重要的作用。不过，这种起到重要作用的硬件设计中包括电源管理组件吗?
为了患者的舒适度和便利性，很多新的 X 射线成像单元 (包括传感器平板) 都是移动的。传感器平板的电源常常选择标称电压为 12V 的可再充电电池。为了充电一次就可拍摄并传送数百个图像，需要较高的工作效率，这促使人们使用开关稳压器。不幸的是，开关模式稳压器是一种电磁干扰 (EMI) 辐射源，这增加了系统的噪声水平。此外，为帮助医务人员与患者之间保持一个安全的边界，某些 X 射线传感器面板拥有无线数据传输能力。较高的 EMI 水平有可能导致所拍摄的图像失真，和 / 或干扰向用户终端的无线数据传送。也许更麻烦的是，EMI 辐射水平有可能超出政府监管机构所允许的值，从而使医疗产品无法进入市场，本文稍后讨论这个问题。
要求较高的工作效率还有第二个目的，即努力保持高信噪比 (SNR)。CMOS 传感器内部的暗电流会随温度的上升呈指数性增加。暗电流是由电荷移动形成的，在 X 射线曝光之前就存在了。根据一家 X 射线 CMOS 传感器制造商的说法，温度每上升 8°C，暗电流就大约增大一倍。尽管后期处理可以从图像中去掉一些暗电流假影，但是较高的工作温度以及反复进行的 X 射线曝光所累积的损伤加速增大了暗电流。最终，暗电流将淹没入射 X 射线粒子在传感器上沉积的电荷，这时候，平板检测器就必须更换了。此外，因为医疗设备常常接触人体组织，所以如果对散热不加以控制，那么除了会缩短设备的工作寿命，还有可能导致患者不舒服或烫伤。
从外科手术系统附件到手持式检查工具，新一代医疗设备的复杂性越来越高，而装入这么多组件以支持更多功能的可用空间却没有相应增大。就平板 X 射线探测器而言，现有的医院基础设施已经配置了一个被称为“滤线栅插槽”的固定尺寸插槽，而原先这个地方是用来摆放模拟 X 射线胶片暗匣的。这些胶片暗匣一般遵循 ISO4090 指导原则，可以有 46cm x 38.6cm x 1.5cm 的外部尺寸，所允许的 X 射线图像尺寸为 43cm x 35cm (14 英寸 x 17 英寸)。电源管理解决方案必须紧凑和高效，才能符合这么受限的尺寸要求，并最大限度地减少工作温度的上升。
监管法规
作为美国和欧洲监管要求的一部分，医疗设备必须证明符合 CISPR11 (又称为 EN55011) 法规。因为开关稳压器辐射电磁场，所以设计师必须全面了解开关稳压器对 EMI 兼容性的影响，或者必须选择一种经过测试、满足制造商 EMI 辐射限制的电源解决方案。否则，为了实现与相关标准的符合性，有可能需要进行量大费时的产品迭代设计工作。对打算用于办公楼的医疗设备规定了最为严格的辐射 EMI 限值，Group1 – Class B 设备的辐射限值等同于针对办公楼及家庭用信息技术设备所规定的 EN55022 Class B (CISPR22 Class B) 限值。
较长的产品寿命
对医疗设备而言，证明电源解决方案的可靠性是很有必要的。对于 X 射线平板传感器来说，必须一次就正确获得图像，否则患者和医护人员就会令人遗憾地再次面对辐射。最低限度，也会因诊断延迟而导致治疗延迟，按照现代医疗标准，这种情况是不可接受的。
另一个需要考虑的因素是：选定电子组件的供货时间能延续多久? 经历了 CE、UL、IEC 和 FDA 等机构漫长的监管审批程序并获得认证之后，每种医疗电子设备都应能长期制造 － 达 15 年以上。这一时间长度比消费类产品的周期长得多，而消费类产品市场是很多电源管理半导体厂商的主要市场。仅由于组件淘汰而对产品重新进行鉴定，对于工程资源和公司收益都是一个沉重的负担。
解决方案：先进的 DC/DC 开关稳压器
为了帮助设计工程师应对医疗应用中的电子噪声、热量和尺寸挑战，凌力尔特提供了超过 50 种不同的微型模块 (μModule®) 电源产品，为客户提供了广泛选择。这些产品每一种都是高效率、全面集成的 DC/DC 开关电源管理解决方案，采用紧凑的表面贴装封装 (图 1)。这些开关模式稳压器经过仔细设计，在负输出电压和正输出电压电路配置中，以低输出纹波工作，如图 2 和 3 所示。微型模块电源产品的一个子类是通过了 EN55022 Class B 认证的微型模块稳压器，是克服医疗应用中发现 EMI 挑战之理想解决方案。这类开关稳压器经过 TUV 等独立实验室的认证，以在输出电流高达 8A 时，满足行业标准 EN55022 Class B (相当于 CISPR11 / EN55011 Group 1 – Class B) 对辐射 EMI 的要求。用各自的标准演示电路板进行测试所得的结果已公开在线提供。部分测试情况如图 4 所示。选择一个兼容和全面集成的降压型解决方案，例如微型模块稳压器，可在满足这类要求时，节省设计时间，并降低与常见开关稳压器或控制器相关的风险。
微型模块电源产品是效率非常高的开关稳压器，采用由导热塑料构成的表面贴装 LGA 或 BGA 封装，封装顶部是平坦的。一整块平坦的封装顶部覆盖整个电源管理解决方案，有利于采取散热措施，以最大限度地减少医疗设备外部任何一点的温度上升 (图 5) 。正如之前提到的那样，保持较低的工作温度可提高对患者的安全性、信噪比以及设备的工作寿命。最大的微型模块电源产品的尺寸为 15mm x 15mm x 5mm，最小的则为 6.25mm x 6.25mm x 2.3mm，因此采用微型模块电源产品有助于为实现更重要的功能释放空间，例如增大电池尺寸以在两次充电之间工作更长时间。
AMBIENT TEMPERATURE：环境温度
NO FORCED AIRFLOW：无强制气流
NO HEAT SINK：无散热器
结论
尽管本文专注于论述与数字 X 射线平板检测器有关的设计挑战，但是本文所述挑战并不是此产品独有的。从外科手术系统附件、内窥镜到便携式成像和监视系统，医疗专业人员始终在寻求最有效、最可靠和最小的可用工具。在这些方面不断实现突破的设备使医疗实践得以取得进步，最大限度地减少了患者的不适、结疤和恢复时间，同时提高了人员的安全性。这类产品中的电子组件使医生能更准确地实施治疗、更全面地了解病情、以及有更好的控制能力，甚至能延长训练有素的外科医生的职业生涯。再加上商业企业对于有限的工程资源、产品上市时间、需要得到证明的产品可靠性和相匹配的长生产寿命，什么样的电源解决方案才能满足这些业务需求呢? 凌力尔特的微型模块电源产品线经过仔细设计，已经证明能满足这些令人生畏的需求。
致谢
Jaino Parasseril
Yan Liang
Jason Sekanina
Dongyan Zhou
