分享醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的原理及應(yīng)用

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(chǎng)檢測(cè)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(xué)、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(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。醫(yī)生考慮到患者對(duì)“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(chǎng)與射頻脈沖使人體組織內(nèi)進(jìn)動(dòng)的氫核（即H+）發(fā)生章動(dòng)產(chǎn)生射頻信號(hào)，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(cè)人體部位的方法。它依賴于氫原子核對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)。功能核磁共振成像（fMRI）是一個(gè)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(dòng)進(jìn)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(xué)診斷工具?？焖僮兓奶荻却艌?chǎng)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(xué)研究的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。

這個(gè)處理工作通過將人體放在一個(gè)很強(qiáng)的靜態(tài)磁場(chǎng)，因此所有的原子核朝一個(gè)方向做定向運(yùn)動(dòng)，通過系列梯度磁場(chǎng)來擾亂本地的原子。這次調(diào)整從他們起始位置，當(dāng)這梯度變化的磁場(chǎng)沒有了，細(xì)胞處理回到了靜態(tài)位置。不同的細(xì)胞釋放的的速率不一樣，范圍從幾十毫秒到超過1秒，當(dāng)細(xì)胞返回時(shí)，衰減的信號(hào)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(shí)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(gè)超導(dǎo)磁體，通過“墊片”調(diào)整線圈，建立靜態(tài)磁場(chǎng)。通過線圈本地化處理確立了磁場(chǎng)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(cè)響應(yīng)的線圈。傳統(tǒng)勵(lì)磁發(fā)生于頻率高于所能處理的前端，所以傳輸信號(hào)是向上變頻為線圈并且接收到的信號(hào)是向下轉(zhuǎn)換進(jìn)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(jìn)行處理。圖7顯示了MRI系統(tǒng)框圖。

圖6：MRI發(fā)射機(jī)、接收機(jī)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(hào)路徑，有兩種方法能得到更好的信噪比（SNR）：增加發(fā)射機(jī)(磁鐵)的強(qiáng)度或增加在接收端信噪比。典型的臨床磁共振成像的磁場(chǎng)強(qiáng)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(hào)處理更劃得來。

對(duì)于信號(hào)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(rèn)為使用所有大電流磁鐵的功耗不是一個(gè)問題。但是，它確實(shí)是一個(gè)問題，特別是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)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(shí)半會(huì)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(qiáng)接收信號(hào)。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(dá)到了250Msps。低噪聲模擬前端和快速ADC有助于提高M(jìn)RI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(zhǎng)短，還具有一些自身的特性。

超聲波具有束射性。這一點(diǎn)與一般聲波不同，而與光的性質(zhì)相似，即可集中向一個(gè)方向傳播，有較強(qiáng)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(dāng)一束超聲波入射到比自身波長(zhǎng)大很多倍的兩種介質(zhì)的交界面上時(shí)，就會(huì)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(shí)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(qiáng)。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(jìn)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(cè)量當(dāng)超聲波穿過身體時(shí)的一分鐘回聲。超聲圖像（看圖8），除了是實(shí)時(shí)顯示之外類似于X-射線。

準(zhǔn)確測(cè)量超聲波回波和識(shí)別超聲回聲的挑戰(zhàn)很大，因?yàn)樗鼤?huì)疊加越來越多的二次諧波。這可以通過抑制傳輸信號(hào)的二次諧波，讓只有那個(gè)頻段的信號(hào)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(hào)的正反相版本，因此他們可以抵消潛在的諧波。為了這個(gè)目的。工作在這個(gè)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(duì)消。

這些需求將嚴(yán)格限制高壓脈沖發(fā)生器。圖9顯示了一個(gè)典型的超聲波系統(tǒng)。

圖9：一個(gè)超聲波系統(tǒng)（由ADI供圖）

用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)用使設(shè)計(jì)更加復(fù)雜了。整個(gè)概念依賴于發(fā)射器端發(fā)送一個(gè)大功率信號(hào)，且接收端接收一個(gè)微弱的信號(hào)。事實(shí)上，在發(fā)射的時(shí)候需要一個(gè)收發(fā)開關(guān)來阻隔接收端，以便它們不會(huì)重疊在一起，但是它仍然要及時(shí)地返回去抓取返回信號(hào)。

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(gè)8通道的波束成型器。而LM96511集成了LNA、VGA和一個(gè)12bit持續(xù)時(shí)間ΔΣ ADC到一個(gè)單獨(dú)的接收模擬前端（AFE）。LM96530是一個(gè)集成的T / R開關(guān)。Maxim同時(shí)提供了MAX2079，一個(gè)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(gè)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(zhǔn)診斷圖像。對(duì)于那些可以做成便攜式的系統(tǒng)，甚至更大的機(jī)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?yàn)樗麄冏陨砭蜁?huì)帶來很大的噪聲。

醫(yī)學(xué)成像是一個(gè)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(chǎng)的領(lǐng)先地位。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注更多有趣的發(fā)展。