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医学影像技术：核磁共振成像与超声波成像资料下载
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2021-04-23
王兰
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作者：贸泽电子Bryon Moyer
核磁共振成像
核磁共振成像也称磁共振成像，是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像，在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。
核磁共振成像是随着电脑技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。医生考虑到患者对“核”的恐惧心理，故常将这门技术称为磁共振成像。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即H ）发生章动产生射频信号，经电脑处理而成像的。
核磁共振成像是一种完全不同的探测人体部位的方法。它依赖于氢原子核对磁场的反应。功能核磁共振成像（fMRI）是一个用于大脑的特殊版本，基于含氧水平来跟踪氧气而不是血液流动进行成像。
将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。
这个处理工作通过将人体放在一个很强的静态磁场，因此所有的原子核朝一个方向做定向运动，通过系列梯度磁场来扰乱本地的原子。这次调整从他们起始位置，当这梯度变化的磁场没有了，细胞处理回到了静态位置。不同的细胞释放的的速率不一样，范围从几十毫秒到超过1秒，当细胞返回时，衰减的信号放出能量（在1到300MHz范围）产生图像。（看图5），正是这些发送的时间不同使得系统能够分辨出不同的组织及器官。
图5：MRI的大脑成像
一个超导磁体，通过“垫片”调整线圈，建立静态磁场。通过线圈本地化处理确立了磁场的X,Y,Z方向（看图6）。用作刺激原子核的线圈也被用作探测响应的线圈。传统励磁发生于频率高于所能处理的前端，所以传输信号是向上变频为线圈并且接收到的信号是向下转换进行处理。随着组件性能的提高，也可以在没有频率转换下进行处理。图7显示了MRI系统框图。
图6：MRI发射机、接收机和线圈
图7：MRI模块图（由TI提供）
使用核磁共振，可以用于任何的信号路径，有两种方法能得到更好的信噪比（SNR）：增加发射机(磁铁)的强度或增加在接收端信噪比。典型的临床磁共振成像的磁场强度是1.5特斯拉。最新的“3T MRI”可以完成3特斯拉，但是，它们却非常吵，更重要的是太昂贵。关注接收端更好的信号处理更划得来。
对于信号发送，ADI建议使用他们的新产品AD9726，一种16位的400Msps的 RF-transmit DAC。你也许认为使用所有大电流磁铁的功耗不是一个问题。但是，它确实是一个问题，特别是因为在设计师想要减少能耗的地方，却要消耗巨大的能耗。核磁共振不太可能一时半会能变成小或者低功耗。低噪声放大器需要在向下变换之前增强接收信号。TI在推荐的芯片中包括了THS9001。采样可以使用ADC芯片比如14位的ADS4149，采样率达到了250Msps。低噪声模拟前端和快速ADC有助于提高MRI的分辨率。
超声波成像
超声波就是频率大于20KHZ，人耳感觉不到的声波，它也是纵波，可以在固体、液体和气体中传播，并且具有与声波相同的物理性质。但是由于超声波频率高，波长短，还具有一些自身的特性。
超声波具有束射性。这一点与一般声波不同，而与光的性质相似，即可集中向一个方向传播，有较强的方向性，由换能器发出的超声波呈窄束的圆柱形分布，故称超声束。
当一束超声波入射到比自身波长大很多倍的两种介质的交界面上时，就会发生反射和折射。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，因此超声波探查疾病时要求声束尽量与组织界面垂直。超声波的反射还与界面两边的声阻抗有关，两介质声阻抗差越大，入射超声束反射越强。声阻抗差越小反射越弱。
穿过大界面的透射声，可能沿入射声束的方向继续进行，亦可能偏离入射声束的方向而传播，后一种现象称超声折射，是由于两种介质内声速的不同所致。
图8：使用85分贝的脉冲的超声波2D图
超声波是一种有效的高频声纳系统，测量当超声波穿过身体时的一分钟回声。超声图像（看图8），除了是实时显示之外类似于X-射线。
准确测量超声波回波和识别超声回声的挑战很大，因为它会叠加越来越多的二次谐波。这可以通过抑制传输信号的二次谐波，让只有那个频段的信号返回。这需要周期序列的脉冲占空比是50%。另外，可以产生信号的正反相版本，因此他们可以抵消潜在的谐波。为了这个目的。工作在这个脉冲的上升沿和下降沿必须尽可能的靠近匹配，以使他们的频谱对消。
这些需求将严格限制高压脉冲发生器。图9显示了一个典型的超声波系统。
图9：一个超声波系统（由ADI供图）
用于检测运动的多普勒效应用使设计更加复杂了。整个概念依赖于发射器端发送一个大功率信号，且接收端接收一个微弱的信号。事实上，在发射的时候需要一个收发开关来阻隔接收端，以便它们不会重叠在一起，但是它仍然要及时地返回去抓取返回信号。
成本、功耗和尺寸要求，特别是便携式需求驱使集成度的提高，例如，TI的LM96570是个8通道的波束成型器。而LM96511集成了LNA、VGA和一个12bit持续时间ΔΣ ADC到一个单独的接收模拟前端（AFE）。LM96530是一个集成的T / R开关。Maxim同时提供了MAX2079，一个8通道集成的接收器前端以及连续波多普勒声源定位。MAX4940是一个高压脉冲器，并且MAX4936是他们的T/R转换器。
总结
现在有许多技术很难以更低成本提供更精准诊断图像。对于那些可以做成便携式的系统，甚至更大的机器，像MRI带有高压和大电流的，降低功耗是必须的。另外，必须消除噪声，特别是像超声和MRI系统，因为他们自身就会带来很大的噪声。
医学成像是一个令人振奋的领域，发展非常迅速，多亏了众多聪明的工程师试着保持婴儿潮市场的领先地位。请继续关注更多有趣的发展。
(mbbeetchina)
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