Die Suche nach medizinischen Bildgebungsverfahren hat in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen, da die während des Babybooms Geborenen älter werden und sich von der Technologie bei möglichen Problemen warnen lassen wollen. Unscharfe Röntgenbilder geben sie sich sicherlich nicht mehr hin.
Täglich erreichen über 1.000 Menschen dieser Generation das 65. Lebensjahr, weshalb auch der Markt für medizinische Bildgebung ein signifikantes Wachstum verzeichnet. Laut Markets & Markets wird der Markt für medizinische Bildgebung im Jahr 2016 voraussichtlich ein Volumen von 26,6 Millionen US-Dollar erreichen, angetrieben durch die alternde Bevölkerung und die Fortschritte in diesem Bereich.
Glücklicherweise stehen den während des Babybooms Geborenen zahlreiche Technologien zur Untersuchung des menschlichen Körpers zur Verfügung, allen voran das altbewährte Röntgenverfahren. Vier weitere, hochentwickelte Techniken zur Beobachtung unseres Körpers werden jedoch stetig weiterentwickelt, um die Genauigkeit zu verbessern und die Kosten zu senken: Computertomographie (CT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschall. Jede dieser Techniken sendet ein Signal in den Körper, um zu untersuchen, wie er auf das Signal reagiert und wie diese Reaktion das ursprüngliche oder das reflektierte Signal beeinflusst.
Alle diese Techniken müssen kleine, aber wichtige Signale inmitten eines lauten Rauschens im Eingangsbereich, der im Wesentlichen im analogen Bereich stattfindet, herausfiltern können. Hochwertige, rauscharme Bauteile sind zusammen mit einem durchdachten Design entscheidend, um diese feinen Signale zu extrahieren und sie so präzise wie möglich an den digitalen Bereich zur Weiterverarbeitung und Darstellung zu übertragen. Ob aus Gründen der Portabilität oder einfach zur Reduzierung der Größe – Entwickler fordern kleinere und energieeffizientere Komponenten. Die medizinische Bildgebung ist eines der anspruchsvollsten – und damit interessantesten und lohnendsten – Gebiete der Elektronikentwicklung.
Wir werden die einzelnen Techniken kurz vorstellen und die Anforderungen an die Subsysteme der analogen Eingangsstufe untersuchen.
Computertomographie:
Ein zweidimensionales Röntgenbild ist wenig aussagekräftig, aber die Computertomographie (CT) erstellt aus einer Reihe von Röntgenaufnahmen ein hochauflösendes 3D-Bild.
Die CT ist eine von zwei Technologien, die ionisierende Strahlung nutzen, um ein Bild des Körperinneren zu erzeugen. Vereinfacht gesagt ist ein CT-Scan ein Röntgenquerschnitt des Körpers. Die Querschnitte werden im gesamten Untersuchungsbereich wiederholt. Um die Leistung zu verbessern, werden mehrere Querschnittssender/-empfänger oft eng beieinander angeordnet. Der Körper kann während der Belichtung bewegt werden, um ein spiralförmiges Bild zu erhalten, das in Abschnitte oder eine 3D-Ansicht unterteilt werden kann (siehe Abbildung 1).
 
Die Röntgenstrahlen durchdringen den Körper und treffen auf einen Kristallszintillator, der die Röntgenphotonen absorbiert und Photonen des sichtbaren Lichts wieder emittiert. Diese werden von einer Anordnung von Fotodioden erfasst und erzeugen so ein elektrisches Signal. Der Strom in der Diode ist proportional zum einfallenden Licht und wird mittels eines Transimpedanzverstärkers integriert bzw. in eine Spannung umgewandelt.
Diese Signale werden mittels Feldeffekttransistoren (FETs) zu Analog-Digital-Wandlern gemultiplext und können anschließend zur Weiterverarbeitung und Anzeige eine bestimmte Strecke zurücklegen (siehe Abbildung 2). Sind die A/D-Wandler schnell genug, können sie im Intervall zwischen den Aufnahmen (im Bereich von Hunderten von Mikrosekunden oder mehr) mehr Signale verarbeiten. Dies ermöglicht ein höheres Multiplexing mit weniger Wandlern und reduziert somit Größe und Stromverbrauch. Die Wandler müssen zudem den hohen Dynamikbereich des erfassten Signals bewältigen können. Zu den von Maxim empfohlenen A/D-Wandlern gehören der MAX11047/8/9 (16 Bit) und der MAX11057/8/9 (14 Bit) mit jeweils 4, 6 oder 8 unabhängigen Kanälen. Sie arbeiten mit bis zu 250 kSPS.
 
Die Computertomographie (CT) basiert wie die konventionelle Radiographie auf ionisierender Strahlung, die potenziell genetische Schäden verursachen kann. Daher legt die US-amerikanische Arzneimittelbehörde (FDA) in Title 21 CFR Part J Strahlenschutzbestimmungen fest, die Expositionsgrenzwerte definieren. Aus diesem Grund arbeiten Geräteentwickler an schnelleren und rauschärmeren Komponenten, um die Signalverarbeitung zu verbessern.

 
-Emissions-Tomographie
(PET) nutzt ebenfalls ionisierende Strahlung, beschränkt sich in diesem Fall jedoch auf Gammastrahlen, die von einem radioaktiven Tracer emittiert werden, der sich im Untersuchungsbereich anreichert. Dieses Material emittiert Positronen, die auf nahegelegene Elektronen treffen und dabei einen Gammastrahlenausbruch erzeugen. Dabei werden zwei hochenergetische Photonen in annähernd entgegengesetzte Richtungen freigesetzt.
Dieses Verfahren dient dazu, das Gammastrahlensignal vom Rauschen zu unterscheiden. Daher muss für jeden Gammaimpuls überprüft werden, ob gleichzeitig auf der gegenüberliegenden Seite ein korrespondierender Impuls auftritt. Dies erfordert präzise Empfindlichkeit und Zeitmessung.
Ein kreisförmiger Detektor enthält Szintillatoren, die Photomultiplier (PMTs) speisen. In der Regel wird jeder PMT von mehreren Szintillatoren angesteuert (siehe Abbildung 3). Da die PMTs nicht exakt ausgerichtet sind, wird ein Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA) benötigt, um das Signal jedes einzelnen PMTs anzupassen. Jeder VGA wiederum benötigt einen Digital-Analog-Wandler (DAC), um das digitale Steuersignal in die entsprechende Spannung umzuwandeln. Dieses Signal durchläuft anschließend einen Tiefpassfilter, bevor es von einem 10- bis 12-Bit-A/D-Wandler digitalisiert wird, der mit 50 bis 100 MS/s abtastet (siehe Abbildung 4). Die gesamte Signalkette muss hochpräzise und rauscharm sein, gleichzeitig aber einen geringen Stromverbrauch aufweisen und kleine, kompakte Bauteile verwenden. Analog Devices empfiehlt den variablen Verstärkungsverstärker AD8332 zur Anpassung der TFM-Signale, bevor diese den Filter passieren und an den 12-Bit-A/D-Wandler AD9230 weitergeleitet werden, der bis zu 250 MS/s abtasten kann.
 
Abbildung 4: Blockdiagramm eines TEP-Systems (mit freundlicher Genehmigung von Maxim).
Die Synchronisation ist entscheidend. Jedes Signal verfügt über einen Zeitdatensatz, der mit den Zeitdatensätzen verglichen wird, um zu prüfen, ob zwei gegenläufige Ereignisse übereinstimmen. In neueren Systemen ist der Zeitdatensatz präzise genug, um die Ereignisquelle genau zu lokalisieren. Maxim bietet verschiedene Komparatoren für diesen Zweck an, beispielsweise den MAX9601. Der 16-Bit-D/A-Wandler MAX5661 kann zur Einstellung der Komparatorreferenz verwendet werden.
Die Magnetresonanztomographie
(MRT) ist eine völlig andere Methode, um in den Körper zu blicken. Sie basiert auf der Reaktion von Wasserstoffkernen auf Magnetfelder. Die funktionelle MRT (fMRT) ist eine spezielle Variante, die im Gehirn eingesetzt wird und den Sauerstoffgehalt misst, um die Durchblutung darzustellen.
Dabei wird der Körper in ein starkes statisches Magnetfeld gebracht, sodass alle Atomkerne in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Anschließend wird ein variables Feld erzeugt, um die Atome lokal zu beeinflussen und sie so aus ihrer Ausgangsposition zu verändern. Wird das variable Feld entfernt, kehrt die Zelle in ihre statische Position zurück. Verschiedene Zellen durchlaufen diesen Prozess mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, von einigen zehn Millisekunden bis zu mehr als einer Sekunde, und gleichzeitig schwächen sich die Signale – im Bereich von 1 bis 300 MHz – ab, wodurch das Bild entsteht (siehe Abbildung 5). Diese Unterschiede in der Relaxationszeit ermöglichen es dem System, verschiedene Gewebetypen zu unterscheiden.
 
Ein supraleitender Magnet, der von Spulen angetrieben wird, erzeugt das statische Magnetfeld. Die Lokalisierung erfolgt mittels Gradientenspulen, die Felder in x-, y- und z-Richtung erzeugen, deren Stärke positionsabhängig variiert (siehe Abbildung 6). Spulen werden auch zur Anregung der Atomkerne verwendet, entweder als Detektionsspulen oder direkt neben den Kernen. Die Anregung erfolgt üblicherweise mit Frequenzen, die höher sind als die der Eingangsstufe. Daher wird das gesendete Signal vor dem Erreichen der Spulen umgewandelt und verstärkt, und das empfangene Signal wird für die Weiterverarbeitung erneut umgewandelt und reduziert. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der Komponenten wird es möglich sein, den Prozess ohne Umwandlung bei der Betriebsfrequenz durchzuführen. Abbildung 7 zeigt das Blockdiagramm eines MRT-Systems.
 


Es gibt zwei Möglichkeiten, ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis mit einem MRT zu erzielen, die für jeden Signalweg anwendbar sind: Erhöhung der Stärke des Senders (Magnete) oder Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses am Empfänger. Die Feldstärke eines typischen MRT-Systems beträgt 1,5 Tesla. Neuere 3T-MRT-Systeme erreichen bis zu
3 Tesla, sind aber recht rauschbehaftet und – was noch wichtiger ist – sehr teuer. Wirtschaftlicher ist es, die Signalverarbeitung am Empfänger zu verbessern.
Für die Signalübertragung empfiehlt Analog Devices den neuen AD9726, einen 16-Bit-D/A-Wandler mit 400 MS/s für die HF-Übertragung. Man könnte meinen, der Stromverbrauch sei angesichts der vielen Hochstrommagnete irrelevant, doch er ist wichtig, insbesondere da viel Energie verbraucht wird und Entwickler stets den Stromverbrauch reduzieren möchten. Kleinere oder energieeffizientere MRT-Systeme sind kurzfristig nicht zu erwarten.
Rauscharme Verstärker werden benötigt, um das empfangene Signal vor der Pegelreduzierung zu verstärken. Texas Instruments (TI) empfiehlt hierfür unter anderem den THS9001. Die Abtastung kann mit A/D-Wandlern wie dem 14-Bit-ADS4149 erfolgen, der bis zu 250 MS/s abtastet. Rauscharme Eingangsstufen und schnelle A/D-Wandler tragen direkt zur Erhöhung der Auflösung des MRT-Bildes bei.
Ultraschall:

Ultraschall besteht im Wesentlichen aus einem Hochfrequenz-Sonarsystem, das die winzigen Echos von Schallwellen misst, die den Körper durchdringen. Ultraschallbilder (siehe Abbildung 8) ähneln Röntgenbildern, werden jedoch in Echtzeit dargestellt.
Die genaue Messung und Unterscheidung von Ultraschallechos ist schwierig, da zunehmend die zweite Harmonische anstelle der Grundfrequenz detektiert wird. Dies wird erreicht, indem die zweite Harmonische im Sendesignal unterdrückt wird, sodass nur Signale mit dieser Frequenz zurückgesendet werden. Dies erfordert ein nahezu perfektes Tastverhältnis von 50 % der Impulsfolge. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, positive und invertierte Versionen des Signals zu erzeugen, sodass sie sich gegenseitig auslöschen und die zugrunde liegenden Harmonischen sichtbar machen. Damit dies korrekt funktioniert, müssen die Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulsgeneratoren so genau wie möglich aufeinander abgestimmt sein, um ihre Spektren auszulöschen. Diese Anforderungen schränken Hochspannungsimpulsgeneratoren stark ein. Abbildung 9 zeigt ein typisches Ultraschallsystem.
 
Der zur Bewegungserkennung verwendete Doppler-Effekt macht die Konstruktion noch komplexer. Das gesamte Konzept basiert darauf, dass der Transceiver ein Signal mit hoher Leistung aussendet und der Empfänger eine schwache Antwort empfängt. Tatsächlich muss der Empfänger während des Sendens mittels eines Sende-/Empfangsschalters (S/R-Schalter) deaktiviert werden, um eine Überlastung zu vermeiden. Zum Empfang des Rücksignals muss er jedoch wieder aktiviert werden.
Anforderungen an Kosten, Stromverbrauch und Größe, insbesondere bei tragbaren Geräten, haben zu einer stärkeren Integration geführt. So ist beispielsweise der LM96570 von TI ein integrierter Achtkanal-Strahlgenerator, während der LM96511 einen rauscharmen Verstärker, einen Verstärker mit variabler Verstärkung und einen 12-Bit-ΔΣ-A/D-Wandler in einer einzigen analogen Empfangseingangsstufe integriert. Der LM96530 ist ein integrierter S/R-Schalter. Maxim bietet seinerseits den MAX2079 an, eine integrierte Achtkanal-Eingangsstufe mit einem kontinuierlichen Doppler-Strahlgenerator. Der MAX4940 ist ein Hochspannungsimpulsgenerator, und der MAX4936 ist sein S/R-Schalter.
Zusammenfassend
lässt sich sagen, dass zahlreiche Technologien entwickelt werden, um präzisere diagnostische Bildgebung zu geringeren Kosten zu ermöglichen. Für tragbare Systeme – und selbst für große Geräte wie MRT-Geräte mit hohen Spannungen und Strömen – ist ein geringer Stromverbrauch unerlässlich. Darüber hinaus ist die Rauschunterdrückung entscheidend, insbesondere bei Systemen wie Ultraschall und MRT, die naturgemäß viel Rauschen erzeugen.
Die medizinische Bildgebung ist ein spannendes und schnell wachsendes Feld, dank der vielen talentierten Ingenieure, die versuchen, dem durch den Babyboom entstandenen Markt einen Schritt voraus zu sein. Seien Sie gespannt auf viele weitere spannende Entwicklungen.

Weitere Informationen
 

Autor: Bryon Moyer, Mouser Electronics

Bryon ist Technologiejournalist und Redakteur beim EE Journal. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in Ingenieurs- und Marketingpositionen im Silicon Valley und arbeitete unter anderem für MMI, AMD, Cypress, Altera, Actel, Teja Technologies und Vector Fabrics. Seine Spezialgebiete sind PLD/FPGA, EDA, eingebettete Systeme, Multicore-Prozessoren, Netzwerkprotokolle, Softwareanalyse, MEMS und Sensoren. Seine technischen Interessen sind breit gefächert, und er findet besondere Befriedigung darin, sinnvolle Parallelen zwischen scheinbar unzusammenhängenden Bereichen herzustellen. Er hat seine technischen Fähigkeiten auf einem Niveau gehalten, das ihm ermöglicht, anregende Gespräche mit Anwendern und Herstellern zu führen. Er stellt auch mal vermeintlich dumme Fragen, weil sie in 90 % der Fälle durchaus berechtigt sind. Er hat einen Bachelor-Abschluss von der University of California, Berkeley, und einen Master-Abschluss in Elektrotechnik von der Santa Clara University. In seiner Freizeit widmet sich Bryon der Musik, der Fotografie, dem Reisen, dem Kochen, dem Wandern und Sprachen.