關(guān)于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的分析和介紹

自從威廉.倫琴于1895年給他妻子拍下了第一張模糊的X射線膠片，科學(xué)家們一直在尋找研究一種更好的，無創(chuàng)的能夠探測(cè)人類內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。這項(xiàng)研究最近幾年受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)閶雰撼保ㄉ叻迤冢┑娜藗兡昙o(jì)越來越大，他們希望該項(xiàng)技術(shù)能提醒許多懸而未決的問題。他們肯定對(duì)一張模糊不清的照片不滿意。

隨著每天有超過1000個(gè)新生兒的生育高峰期（嬰兒潮）出生的人到達(dá)65歲，醫(yī)療成像市場(chǎng)也在蓬勃發(fā)展。研究表明，由于人口老齡化和社會(huì)的發(fā)展，膠片市場(chǎng)以及醫(yī)療成像市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2016年達(dá)到266億美元。

對(duì)于嬰兒潮出生的那一代人來說，幸運(yùn)的是，對(duì)于人體探測(cè)已經(jīng)存在多項(xiàng)技術(shù)，最早的是這個(gè)受人敬仰的X-射線，不過，有4項(xiàng)更復(fù)雜的探測(cè)人體方法正在試圖提高精度和壓低成本：計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），正電子發(fā)射斷層成像（PET），核磁共振成像（MRI）以及超聲波成像。這些設(shè)備發(fā)送一個(gè)信號(hào)到人體，然后看人體有怎樣的反應(yīng)以及這種反應(yīng)如何影響原始的信號(hào)或者返回的信號(hào)。

所有這些技術(shù)必須從前端一堆很大的噪音中識(shí)別出細(xì)微的重要的有效信號(hào)，這主要是在模擬領(lǐng)域。高保真，低噪聲組件，以及設(shè)計(jì)在提取這些微弱的信號(hào)并且提供盡可能清晰的數(shù)字域信號(hào)以進(jìn)一步進(jìn)行處理和顯示中起著非常重要的作用。根據(jù)是否可移植性，或者簡(jiǎn)單的減少痕跡，設(shè)計(jì)師要求更小的，更低功耗的組件。醫(yī)療成像在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域是要求最高（因而也是非常有趣和高利潤）的行業(yè)。

我們將簡(jiǎn)單介紹下這4個(gè)技術(shù)，并了解前端模擬子系統(tǒng)的需求。

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）

一個(gè)二維的X-射線告訴不了你太多信息，但是CT卻可以攝取大量的信息并結(jié)合電腦生成一個(gè)高分辨率的3D圖像。

CT也是利用電離輻射創(chuàng)建人體內(nèi)圖像的兩種技術(shù)之一。最簡(jiǎn)單的，CT掃描是人體的X-射線膠片的一部分。膠片會(huì)在感興趣的領(lǐng)域重復(fù)。盡管由于性能的原因，多片發(fā)射器或者接收器通常彼此相鄰分組。在探測(cè)時(shí)，為了產(chǎn)生一個(gè)“螺旋”圖像，身體可以移動(dòng)，這些可以釋放到膠片或者3D成像。（看圖1）

圖1：人類大腦的CT掃描

X-射線可以穿透身體并打到閃爍晶體上，這種閃爍晶體可以吸收X-射線光子并且重新發(fā)出可見光光子，這種光子在一個(gè)光電二極管陣列中被捕獲。二極管的電流和沖擊電壓成正比，這個(gè)電流通過一個(gè)跨阻放大器集成或轉(zhuǎn)化成電壓。

這些信號(hào)通過FET(場(chǎng)效應(yīng)管)放大了幾倍然后到了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），然后，這些信號(hào)可以傳播到一個(gè)合適的距離進(jìn)行處理和顯示（圖2）。如果ADC足夠快，他們可以處理更多不同間隙之間的信號(hào)（達(dá)到數(shù)百微妙或更高），意味著一個(gè)做更多的多路復(fù)用和使用更少的轉(zhuǎn)換器，以幫助降低面積和功耗。這個(gè)轉(zhuǎn)換器必須可以處理典型的高動(dòng)態(tài)范圍的檢測(cè)信號(hào)。在ADC中，Maxim 推薦的是MAX11047/8/9(16bit)和MAX11057/8/9（14bit），沒顆芯片有4，6，8個(gè)獨(dú)立的通道。他們可以工作達(dá)到250ksps。

圖2：一種典型的CT前端

計(jì)算機(jī)斷層掃描，就像傳統(tǒng)的X射線攝像，依賴于電離輻射，這種可能造成基因損傷。因此美國的食品和藥物管理局(FDA)制定了一套放射性安全法規(guī)（標(biāo)題是 21CFR第J章），該法規(guī)針對(duì)人體探測(cè)做了些相關(guān)的限制。因此，芯片設(shè)計(jì)師為了得到更好的信號(hào)處理關(guān)注更快的，更安靜的組件。

正電子發(fā)射斷層成像（PET）

圖3：PET掃描可探測(cè)方塊和探測(cè)圓環(huán)

正電子發(fā)射斷層成像（PET）掃描可以解決電離輻射，只是這次是伽馬射線，從放射性同位素內(nèi)部發(fā)射出來，它會(huì)在感興趣的地方積累。這材料放射出了正電子，與附近的電子遭遇并湮滅，釋放出一組伽馬射線。這兩種高能光子釋放的方向大致相反。

技巧就在于從其他的伽馬噪音中分辨出特定的伽馬射線，因此，對(duì)于每個(gè)伽馬脈沖，你不得不看是否有匹配的脈沖在另一側(cè)同時(shí)發(fā)生。這個(gè)需要精確的靈敏度和時(shí)序。

一個(gè)圓形的探測(cè)器包含閃爍體用來滿足光電倍增管（PMT），每個(gè)PMT通常由多個(gè)閃爍晶體來滿足（見圖3）。因?yàn)镻MT不會(huì)精確匹配，每個(gè)PMT需要裝備一種可變?cè)鲆娣糯笃?/u>（VGA）。每一個(gè)VGA又需要一個(gè)DAC將數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。在被一個(gè)10位到12位，采樣率大約在50到100Msps的ADC采樣之前先經(jīng)過一個(gè)低通濾波器（圖4）。整條鏈必須高度精確化和低噪聲，同時(shí)保持低功耗和小組件以及緊湊感。美國ADI推薦他們的AD8332VGA作為削減PMT信號(hào)的一種選擇，在通過濾波器發(fā)送他們到AD9230（12bit，采樣率達(dá)到250Msps）之前。