Negli ultimi anni, questa ricerca ha ricevuto molta più attenzione, poiché le persone nate durante il baby boom stanno invecchiando e desiderano che la tecnologia le avvisi in caso di problemi. E di certo non si accontenteranno di immagini radiografiche sfocate.
Ogni giorno, più di 1.000 persone nate durante questo boom compiono 65 anni, motivo per cui anche il mercato dell'imaging medicale sta registrando una crescita significativa. Secondo Markets & Markets, si prevede che il mercato dell'imaging medicale raggiungerà i 26,6 milioni di dollari nel 2016, trainato dall'invecchiamento della popolazione e dai progressi nel settore.
Fortunatamente per coloro che sono nati durante il boom, esistono numerose tecnologie per esaminare il corpo umano, la più antica delle quali è la venerabile radiografia. Tuttavia, quattro tecniche più sofisticate per osservare il nostro corpo continuano ad evolversi nel tentativo di migliorare la precisione e ridurre i costi: la tomografia computerizzata (TC), la tomografia a emissione di positroni (PET), la risonanza magnetica (RM) e gli ultrasuoni. Ognuna di queste tecniche invia un segnale nel corpo per studiare come questo reagisce al segnale e come tale reazione influisce sul segnale originale o di ritorno.
Tutte queste tecniche devono discriminare segnali piccoli ma importanti all'interno di una cacofonia di rumore forte nella fase di ingresso, che è essenzialmente nel dominio analogico. Componenti ad alta fedeltà e a basso rumore, insieme alla progettazione, sono fondamentali per estrarre questi segnali minuti e trasmetterli nel modo più accurato possibile al dominio digitale per l'ulteriore elaborazione e visualizzazione. Sia per la portabilità che semplicemente per ridurre le dimensioni, i progettisti richiedono componenti più piccoli e a basso consumo energetico. L'imaging medicale è uno dei campi più impegnativi – e quindi più interessanti e gratificanti – della progettazione elettronica.
Esamineremo brevemente ciascuna di queste tecniche e analizzeremo i requisiti dei sottosistemi della fase di ingresso analogica.
Tomografia computerizzata:
un'immagine a raggi X bidimensionale non fornisce molte informazioni, ma la tomografia computerizzata (TC) acquisisce una serie di raggi X e li combina utilizzando un computer per generare un'immagine 3D ad alta risoluzione.
La TC è una delle due tecnologie che utilizzano radiazioni ionizzanti per creare un'immagine dell'interno del corpo. In parole semplici, una scansione TC è una sezione trasversale a raggi X del corpo. Le sezioni trasversali vengono ripetute sull'area di interesse, sebbene, per migliorare le prestazioni, diversi trasmettitori/ricevitori di sezioni trasversali siano spesso raggruppati vicini. Il corpo può anche essere spostato durante l'esposizione per ottenere un'immagine "a spirale" che può essere scomposta in sezioni o in una vista 3D (vedere Figura 1).
 
I raggi X attraversano il corpo e raggiungono uno scintillatore a cristallo che assorbe i fotoni X e riemette fotoni di luce visibile, che vengono catturati da una serie di fotodiodi, creando così un segnale elettrico. La corrente nel diodo è proporzionale alla luce incidente e questa corrente viene integrata, o convertita in tensione, da un amplificatore di transimpedenza.
Questi segnali vengono multiplexati da FET a convertitori A/D, dopodiché il segnale può percorrere una certa distanza per l'elaborazione e la visualizzazione (vedere Figura 2). Se i convertitori A/D sono sufficientemente veloci, possono elaborare più segnali nell'intervallo tra le esposizioni (dell'ordine di centinaia di microsecondi o più), il che significa che è possibile ottenere una maggiore multiplazione utilizzando un minor numero di convertitori, riducendo così dimensioni e consumo energetico. I convertitori devono inoltre essere in grado di gestire l'elevata gamma dinamica che caratterizza il segnale rilevato. Tra i convertitori A/D raccomandati da Maxim ci sono il MAX11047/8/9 (16 bit) e il MAX11057/8/9 (14 bit), ciascuno con 4, 6 o 8 canali indipendenti. Possono operare fino a 250 ksps.
 
La TC, come la radiografia convenzionale, si basa su radiazioni ionizzanti, che possono potenzialmente causare danni genetici. Pertanto, la Food and Drug Administration (FDA) statunitense stabilisce una serie di normative sulla salute dalle radiazioni (Titolo 21 CFR Parte J) che specificano i limiti di esposizione. Di conseguenza, i progettisti di dispositivi stanno lavorando su componenti più veloci e a basso rumore per migliorare l'elaborazione del segnale.

 
La tomografia a emissione
(PET) utilizza anch'essa radiazioni ionizzanti, ma in questo caso si limita ai raggi gamma emessi da un tracciante radioattivo che si accumula nell'area di interesse. Questo materiale emette positroni che, incontrando gli elettroni circostanti, rilasciano un impulso di radiazione gamma. Due fotoni ad alta energia vengono emessi in direzioni approssimativamente opposte.
Questa tecnica viene utilizzata per distinguere il segnale gamma da altri rumori. Pertanto, per ogni impulso gamma, è necessario osservare se l'impulso corrispondente si è verificato simultaneamente sul lato opposto. Ciò richiede una sensibilità e una temporizzazione precise.
Un rivelatore circolare contiene scintillatori che alimentano i tubi fotomoltiplicatori (PMT). Generalmente, ogni PMT è alimentato da più di uno scintillatore (vedere Figura 3). Poiché i PMT non saranno perfettamente allineati, è necessario un amplificatore a guadagno variabile (VGA) per regolare il segnale di ciascuno. Ogni VGA, a sua volta, richiede un convertitore digitale-analogico (DAC) per convertire il segnale di controllo digitale nella tensione appropriata. Questo segnale può quindi passare attraverso un filtro passa-basso prima di essere digitalizzato da un convertitore A/D da 10 a 12 bit che campiona tra 50 e 100 Msps (vedere Figura 4). L'intera catena del segnale deve essere estremamente precisa e a basso rumore, mantenendo al contempo il consumo energetico sotto controllo e utilizzando componenti piccoli e compatti. Analog Devices raccomanda il suo amplificatore a guadagno variabile AD8332 come opzione per regolare i segnali TFM prima di inviarli attraverso il filtro al convertitore A/D a 12 bit AD9230, che può campionare fino a 250 Msps.
 
Figura 4: Diagramma a blocchi di un sistema TEP (per gentile concessione di Maxim).
La sincronizzazione è fondamentale. Ogni segnale ha una registrazione temporale, e queste vengono confrontate per verificare se due eventi opposti coincidono. Nei sistemi più recenti, la registrazione temporale è sufficientemente precisa da individuare la sorgente dell'evento. Maxim offre diversi comparatori che possono servire a questo scopo, come il MAX9601; Il suo convertitore D/A MAX5661 a 16 bit può essere utilizzato per impostare il riferimento del comparatore.
La risonanza magnetica
(MRI) è un modo completamente diverso di osservare l'interno del corpo. Si basa su come i nuclei di idrogeno rispondono ai campi magnetici. La risonanza magnetica funzionale (fMRI) è una versione specializzata utilizzata nel cervello, che monitora i livelli di ossigeno per visualizzare il flusso sanguigno.
Questo processo funziona posizionando il corpo all'interno di un potente campo magnetico statico in modo che tutti i nuclei siano orientati nella stessa direzione. Viene quindi generato un campo variabile per perturbare localmente gli atomi; questo li riorienta dalla loro posizione iniziale. Quando questo campo variabile viene rimosso, la cellula ritorna alla sua posizione statica. Le diverse cellule subiscono questo processo a velocità variabili, che vanno da decine di millisecondi a più di un secondo, e simultaneamente i segnali si attenuano – in un intervallo da 1 a 300 MHz – creando così l'immagine (vedi Figura 5). Queste differenze nel tempo di rilassamento consentono al sistema di discriminare tra diversi tipi di tessuto.
 
Un magnete superconduttore, azionato da bobine, genera il campo statico. La localizzazione è gestita da bobine di gradiente che generano campi nelle direzioni x, y e z, variabili a seconda della posizione (vedere Figura 6). Le bobine vengono utilizzate anche per stimolare i nuclei, sia come bobine di rilevamento della risposta, sia posizionate a fianco di essi. L'eccitazione avviene generalmente a frequenze superiori a quelle gestibili dallo stadio di ingresso, pertanto il segnale trasmesso viene convertito e amplificato prima di raggiungere le bobine, e il segnale ricevuto viene nuovamente convertito e ridotto per l'elaborazione. Con il miglioramento delle prestazioni dei componenti, sarà possibile eseguire il processo alla frequenza operativa senza conversione. La Figura 7 mostra lo schema a blocchi di un sistema MRI.
 


Esistono due modi per ottenere un migliore rapporto segnale/rumore con un sistema MRI, applicabili a qualsiasi percorso del segnale: aumentare la potenza del trasmettitore (magneti) o aumentare il rapporto segnale/rumore al ricevitore. L'intensità del campo per un tipico sistema MRI è di 1,5 Tesla. I sistemi MRI 3T più recenti possono raggiungere fino a
3 Tesla, ma sono piuttosto rumorosi e, soprattutto, piuttosto costosi. È più economico concentrarsi sul miglioramento dell'elaborazione del segnale al ricevitore.
Per la trasmissione del segnale, Analog Devices raccomanda il suo nuovo AD9726, un convertitore D/A a 16 bit e 400 Msps per la trasmissione RF. Si potrebbe pensare che il consumo energetico sia irrilevante con tutti i magneti ad alta corrente, ma è importante, soprattutto perché viene consumata molta energia e i progettisti cercano sempre di ridurlo. Sistemi MRI più piccoli o a basso consumo energetico non sono previsti a breve termine.
Sono necessari amplificatori a basso rumore per amplificare il segnale ricevuto prima che venga convertito per ridurne il livello. Texas Instruments (TI) include il THS9001 tra le sue raccomandazioni per questa funzione. Il campionamento può essere eseguito utilizzando convertitori A/D come l'ADS4149 a 14 bit, che campiona fino a 250 Msps. Stadi di ingresso a basso rumore e convertitori A/D veloci contribuiscono direttamente ad aumentare la risoluzione dell'immagine MRI.
Ecografia:

l'ecografia consiste essenzialmente in un sistema sonar ad alta frequenza che misura i minuscoli echi delle onde sonore che attraversano il corpo. Le immagini ecografiche (vedi Figura 8) sono simili alle radiografie, tranne per il fatto che vengono visualizzate in tempo reale.
Misurare e discriminare con precisione gli echi ultrasonori è difficile perché viene sempre più spesso rilevata la seconda armonica anziché la fondamentale. Ciò si ottiene sopprimendo la seconda armonica nel segnale trasmesso, in modo che vengano restituiti solo segnali con quella frequenza; questo richiede un duty cycle quasi perfetto del 50% sul treno di impulsi. Un'altra possibilità è quella di generare versioni positive e invertite del segnale in modo che si annullino a vicenda per rivelare le armoniche sottostanti. Affinché ciò funzioni correttamente, i tempi di salita e discesa dei generatori di impulsi devono essere il più possibile allineati per annullare i loro spettri. Questi requisiti impongono severe limitazioni ai generatori di impulsi ad alta tensione. La Figura 9 mostra un tipico sistema a ultrasuoni.
 
Il processo Doppler utilizzato per rilevare il movimento rende il progetto ancora più complesso. L'intero concetto si basa sul ricetrasmettitore che invia un segnale ad alta potenza e sul ricevitore che capta una risposta debole. Infatti, il ricevitore deve essere disattivato da un interruttore di trasmissione/ricezione (T/R) durante la trasmissione per evitare il sovraccarico, ma deve essere riattivato per catturare il segnale di ritorno.
I requisiti relativi a costi, consumo energetico e dimensioni, soprattutto per le unità portatili, hanno spinto verso una maggiore integrazione. Ad esempio, l'LM96570 di TI è un generatore di fascio integrato a otto canali, mentre l'LM96511 integra un amplificatore a basso rumore, un amplificatore a guadagno variabile e un convertitore A/D ΔΣ a tempo continuo a 12 bit in un singolo stadio di ingresso di ricezione analogico. L'LM96530 è un interruttore T/R integrato. Maxim, dal canto suo, fornisce il MAX2079, uno stadio di ingresso integrato a otto canali con un generatore di fascio Doppler a onda continua. Il MAX4940 è un generatore di impulsi ad alta tensione, mentre il MAX4936 ne è l'interruttore T/R.
In sintesi
, numerose tecnologie sono in fase di sviluppo per fornire immagini diagnostiche più accurate a un costo inferiore. Per i sistemi portatili, e persino per macchinari di grandi dimensioni come la risonanza magnetica (RM) con tensioni e correnti elevate, il basso consumo energetico è essenziale. Inoltre, la soppressione del rumore è fondamentale, soprattutto in sistemi come gli ultrasuoni e la risonanza magnetica, che per loro natura generano molto rumore.
L'imaging medicale è un campo entusiasmante e in rapida crescita grazie al gran numero di brillanti ingegneri che cercano di rimanere al passo con il mercato creato dal baby boom. Restate sintonizzati per scoprire i prossimi interessanti sviluppi.

Ulteriori informazioni
 

Autore: Bryon Moyer, Mouser Electronics

Bryon è uno scrittore e redattore di articoli tecnologici per EE Journal. Ha oltre 30 anni di esperienza in ruoli di ingegneria e marketing nella Silicon Valley, avendo lavorato per MMI, AMD, Cypress, Altera, Actel, Teja Technologies e Vector Fabrics. È specializzato principalmente in PLD/FPGA, EDA, sistemi embedded, elaborazione multicore, protocolli di rete, analisi software, MEMS e sensori. I suoi interessi tecnici sono ampi e trova particolare soddisfazione nel tracciare parallelismi utili tra campi apparentemente non correlati. Ha mantenuto le sue competenze tecniche a un livello sufficiente per facilitare conversazioni stimolanti con utenti e produttori. Fa domande apparentemente sciocche perché nel 90% dei casi non lo sono affatto. Ha conseguito una laurea triennale presso l'Università della California, Berkeley, e una laurea magistrale in ingegneria elettrica presso la Santa Clara University. Nel tempo libero, Bryon ama la musica, la fotografia, i viaggi, la cucina, le escursioni e le lingue.