作者：貿(mào)澤電子Bryon Moyer 核磁共振成像 核磁共振成像也稱磁共振成像，是利用核磁共振原理，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，在物理、化學、醫(yī)療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。 核磁共振成像是隨著電腦技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種生物磁學核自旋成像技術(shù)。醫(yī)生考慮到患者對“核”的恐懼心理，故常將這門技術(shù)稱為磁共振成像。它是利用磁場與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進動的氫核（即H ）發(fā)生章動產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)電腦處理而成像的。 核磁共振成像是一種完全不同的探測人體部位的方法。它依賴于氫原子核對磁場的反應(yīng)。功能核磁共振成像（fMRI）是一個用于大腦的特殊版本，基于含氧水平來跟蹤氧氣而不是血液流動進行成像。 將這種技術(shù)用于人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，就產(chǎn)生出一種革命性的醫(yī)學診斷工具。快速變化的梯度磁場的應(yīng)用，大大加快了核磁共振成像的速度，使該技術(shù)在臨床診斷、科學研究的應(yīng)用成為現(xiàn)實，極大地推動了醫(yī)學、神經(jīng)生理學和認知神經(jīng)科學的迅速發(fā)展。 這個處理工作通過將人體放在一個很強的靜態(tài)磁場，因此所有的原子核朝一個方向做定向運動，通過系列梯度磁場來擾亂本地的原子。這次調(diào)整從他們起始位置，當這梯度變化的磁場沒有了，細胞處理回到了靜態(tài)位置。不同的細胞釋放的的速率不一樣，范圍從幾十毫秒到超過1秒，當細胞返回時，衰減的信號放出能量（在1到300MHz范圍）產(chǎn)生圖像。（看圖5），正是這些發(fā)送的時間不同使得系統(tǒng)能夠分辨出不同的組織及器官。 圖5：MRI的大腦成像 一個超導磁體，通過“墊片”調(diào)整線圈，建立靜態(tài)磁場。通過線圈本地化處理確立了磁場的X,Y,Z方向（看圖6）。用作刺激原子核的線圈也被用作探測響應(yīng)的線圈。傳統(tǒng)勵磁發(fā)生于頻率高于所能處理的前端，所以傳輸信號是向上變頻為線圈并且接收到的信號是向下轉(zhuǎn)換進行處理。隨著組件性能的提高，也可以在沒有頻率轉(zhuǎn)換下進行處理。圖7顯示了MRI系統(tǒng)框圖。 圖6：MRI發(fā)射機、接收機和線圈 圖7：MRI模塊圖（由TI提供） 使用核磁共振，可以用于任何的信號路徑，有兩種方法能得到更好的信噪比（SNR）：增加發(fā)射機(磁鐵)的強度或增加在接收端信噪比。典型的臨床磁共振成像的磁場強度是1.5特斯拉。最新的“3T MRI”可以完成3特斯拉，但是，它們卻非常吵，更重要的是太昂貴。關(guān)注接收端更好的信號處理更劃得來。 對于信號發(fā)送，ADI建議使用他們的新產(chǎn)品AD9726，一種16位的400Msps的 RF-transmit DAC。你也許認為使用所有大電流磁鐵的功耗不是一個問題。但是，它確實是一個問題，特別是因為在設(shè)計師想要減少能耗的地方，卻要消耗巨大的能耗。核磁共振不太可能一時半會能變成小或者低功耗。低噪聲放大器需要在向下變換之前增強接收信號。TI在推薦的芯片中包括了THS9001。采樣可以使用ADC芯片比如14位的ADS4149，采樣率達到了250Msps。低噪聲模擬前端和快速ADC有助于提高MRI的分辨率。 超聲波成像 超聲波就是頻率大于20KHZ，人耳感覺不到的聲波，它也是縱波，可以在固體、液體和氣體中傳播，并且具有與聲波相同的物理性質(zhì)。但是由于超聲波頻率高，波長短，還具有一些自身的特性。 超聲波具有束射性。這一點與一般聲波不同，而與光的性質(zhì)相似，即可集中向一個方向傳播，有較強的方向性，由換能器發(fā)出的超聲波呈窄束的圓柱形分布，故稱超聲束。 當一束超聲波入射到比自身波長大很多倍的兩種介質(zhì)的交界面上時，就會發(fā)生反射和折射。反射遵循反射定律，折射遵循折射定律。由于入射角等于反射角，因此超聲波探查疾病時要求聲束盡量與組織界面垂直。超聲波的反射還與界面兩邊的聲阻抗有關(guān)，兩介質(zhì)聲阻抗差越大，入射超聲束反射越強。聲阻抗差越小反射越弱。 穿過大界面的透射聲，可能沿入射聲束的方向繼續(xù)進行，亦可能偏離入射聲束的方向而傳播，后一種現(xiàn)象稱超聲折射，是由于兩種介質(zhì)內(nèi)聲速的不同所致。 圖8：使用85分貝的脈沖的超聲波2D圖 超聲波是一種有效的高頻聲納系統(tǒng)，測量當超聲波穿過身體時的一分鐘回聲。超聲圖像（看圖8），除了是實時顯示之外類似于X-射線。 準確測量超聲波回波和識別超聲回聲的挑戰(zhàn)很大，因為它會疊加越來越多的二次諧波。這可以通過抑制傳輸信號的二次諧波，讓只有那個頻段的信號返回。這需要周期序列的脈沖占空比是50%。另外，可以產(chǎn)生信號的正反相版本，因此他們可以抵消潛在的諧波。為了這個目的。工作在這個脈沖的上升沿和下降沿必須盡可能的靠近匹配，以使他們的頻譜對消。 這些需求將嚴格限制高壓脈沖發(fā)生器。圖9顯示了一個典型的超聲波系統(tǒng)。 圖9：一個超聲波系統(tǒng)（由ADI供圖） 用于檢測運動的多普勒效應(yīng)用使設(shè)計更加復雜了。整個概念依賴于發(fā)射器端發(fā)送一個大功率信號，且接收端接收一個微弱的信號。事實上，在發(fā)射的時候需要一個收發(fā)開關(guān)來阻隔接收端，以便它們不會重疊在一起，但是它仍然要及時地返回去抓取返回信號。 成本、功耗和尺寸要求，特別是便攜式需求驅(qū)使集成度的提高，例如，TI的LM96570是個8通道的波束成型器。而LM96511集成了LNA、VGA和一個12bit持續(xù)時間ΔΣ ADC到一個單獨的接收模擬前端（AFE）。LM96530是一個集成的T / R開關(guān)。Maxim同時提供了MAX2079，一個8通道集成的接收器前端以及連續(xù)波多普勒聲源定位。MAX4940是一個高壓脈沖器，并且MAX4936是他們的T/R轉(zhuǎn)換器。 總結(jié) 現(xiàn)在有許多技術(shù)很難以更低成本提供更精準診斷圖像。對于那些可以做成便攜式的系統(tǒng)，甚至更大的機器，像MRI帶有高壓和大電流的，降低功耗是必須的。另外，必須消除噪聲，特別是像超聲和MRI系統(tǒng)，因為他們自身就會帶來很大的噪聲。 醫(yī)學成像是一個令人振奮的領(lǐng)域，發(fā)展非常迅速，多虧了眾多聰明的工程師試著保持嬰兒潮市場的領(lǐng)先地位。請繼續(xù)關(guān)注更多有趣的發(fā)展。 (mbbeetchina)