Esta procura por tecnologias mais avançadas tem recebido muito mais atenção nos últimos anos, à medida que os nascidos durante o baby boom envelhecem e desejam que a tecnologia os alerte para quaisquer problemas. E certamente não se contentarão com imagens de raios X desfocadas.
Mais de mil pessoas nascidas durante este período completam 65 anos todos os dias, o que explica o crescimento significativo do mercado de imagiologia médica. De acordo com a Markets & Markets, o mercado de imagiologia médica deverá atingir os 26,6 milhões de dólares em 2016, impulsionado pelo envelhecimento da população e pelos avanços na área.
Felizmente para os nascidos durante o baby boom, existem inúmeras tecnologias para examinar o corpo humano, sendo a mais antiga delas o tradicional raio-X. No entanto, quatro técnicas mais sofisticadas para observar os nossos corpos continuam a evoluir num esforço para melhorar a precisão e reduzir os custos: tomografia computorizada (TC), tomografia por emissão de positrões (PET), ressonância magnética (RM) e ecografia. Cada uma destas técnicas envia um sinal ao organismo para estudar como reage a esse sinal e como essa reação afeta o sinal original ou o sinal de retorno.
Todas estas técnicas necessitam de discriminar sinais pequenos, mas importantes, no meio de uma cacofonia de ruído intenso na fase de entrada, que se encontra essencialmente no domínio analógico. Componentes de alta fidelidade e baixo ruído, juntamente com o design, são cruciais para extrair estes sinais minúsculos e transmiti-los com a maior precisão possível para o domínio digital, para posterior processamento e exibição. Seja para portabilidade ou simplesmente para reduzir o tamanho, os projetistas exigem componentes mais pequenos e de menor consumo energético. A imagiologia médica é uma das áreas mais exigentes — e, por isso, mais interessantes e gratificantes — dentro do projeto eletrónico.
Analisaremos brevemente cada uma destas técnicas e examinaremos os requisitos dos subsistemas do estágio de entrada analógica.
Tomografia Computadorizada:
Uma imagem de raios X bidimensional não fornece muita informação, mas a tomografia computorizada (TC) utiliza uma série de raios X e combina-os através de um computador para gerar uma imagem 3D de alta resolução.
A TC é uma das duas tecnologias que utilizam radiação ionizante para criar uma imagem do interior do corpo. Simplificando, uma tomografia computorizada é uma secção transversal do corpo obtida por raio-X. As secções transversais são repetidas ao longo da área de interesse, embora, para melhorar o desempenho, vários transmissores/receptores de secção transversal estejam frequentemente agrupados próximos uns dos outros. O corpo também pode ser movido durante a exposição para obter uma imagem em "espiral" que pode ser dividida em secções ou uma visualização 3D (ver Figura 1).
Os raios X atravessam o corpo e atingem um cristal cintilador que absorve os fotões de raios X e reemite fotões de luz visível, os quais são captados por uma matriz de fotodíodos, criando assim um sinal elétrico. A corrente no díodo é proporcional à luz incidente, e esta corrente é integrada, ou convertida em tensão, por um amplificador de transimpedância.
Estes sinais são multiplexados por FETs para conversores A/D, após o que o sinal pode percorrer uma certa distância para processamento e exibição (ver Figura 2). Se os conversores A/D forem suficientemente rápidos, podem processar mais sinais no intervalo entre exposições (da ordem das centenas de microssegundos ou mais), o que significa que se pode conseguir uma maior multiplexagem utilizando menos conversores, reduzindo assim o tamanho e o consumo de energia. Os conversores devem também ser capazes de lidar com a elevada gama dinâmica que 
caracteriza o sinal detectado. Entre os conversores A/D recomendados pela Maxim estão o MAX11047/8/9 (16 bits) e o MAX11057/8/9 (14 bits), cada um com 4, 6 ou 8 canais independentes. Podem operar até 250 ksps.
A tomografia computorizada (TC), tal como a radiografia convencional, baseia-se na radiação ionizante, que pode potencialmente causar danos genéticos. Por conseguinte, a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA estabelece uma série de regulamentos sobre a saúde radiológica (Título 21 CFR Parte J) que especificam os limites de exposição. Como resultado, os designers de dispositivos estão a trabalhar em componentes mais rápidos e com menor ruído para melhorar o processamento do sinal.
A Tomografia por Emissão
(PET) também envolve radiação ionizante, mas, neste caso, limita-se aos raios gama emitidos por um traçador radioativo que se acumula na área de interesse. Este material emite positrões que encontram eletrões próximos, libertando um pulso de radiação gama. Dois fotões de alta energia são libertados em direções aproximadamente opostas.
Esta técnica é utilizada para distinguir o sinal de raios gama de outros ruídos. Assim sendo, para cada pulso gama, é necessário observar se o pulso correspondente ocorreu simultaneamente no lado oposto. Isto requer sensibilidade e sincronização precisas.
Um detetor circular contém cintiladores que alimentam tubos fotomultiplicadores (PMTs). Geralmente, cada PMT é alimentado por mais do que um cintilador (ver Figura 3). Como os PMT não estarão exatamente alinhados, é necessário um amplificador de ganho variável (VGA) para ajustar o sinal de cada um. Cada VGA, por sua vez, requer um conversor digital-analógico (DAC) para converter o sinal de controlo digital na tensão apropriada. Este sinal pode então passar por um filtro passa-baixo antes de ser digitalizado por um conversor A/D de 10 para 12 bits que faz a amostragem entre 50 e 100 Msps (ver Figura 4). Toda a cadeia de sinal deve ser altamente precisa e de baixo ruído, mantendo o consumo de energia sob controlo e utilizando componentes pequenos e compactos. A Analog Devices recomenda o seu amplificador de ganho variável AD8332 como opção para ajustar os sinais TFM antes de os enviar através do filtro para o conversor A/D de 12 bits AD9230, que pode amostrar até 250 Msps.
Figura 4: Diagrama de blocos de um sistema TEP (cortesia da Maxim).
A sincronização é fundamental. Cada sinal tem um registo de tempo, e estes são comparados para verificar se dois eventos opostos coincidem. Em sistemas mais recentes, o registo de tempo é suficientemente preciso para identificar a origem do evento. A Maxim disponibiliza diversos comparadores que podem servir este propósito, como o MAX9601; O seu conversor D/A MAX5661 de 16 bits pode ser utilizado para definir a referência do comparador.
A Ressonância Magnética
(RM) é uma forma completamente diferente de observar o interior do corpo. Baseia-se na forma como os núcleos de hidrogénio respondem aos campos magnéticos. A Ressonância Magnética Funcional (RMf) é uma versão especializada utilizada no cérebro, que monitoriza os níveis de oxigénio para gerar imagens do fluxo sanguíneo.
Este processo funciona colocando o corpo dentro de um poderoso campo magnético estático, de modo a que todos os núcleos fiquem orientados na mesma direção. É então gerado um campo variável para perturbar os átomos localmente; isso reorienta-os da sua posição inicial. Quando este campo variável é removido, a célula 
regressa à sua posição estática. As diferentes células passam por este processo a velocidades variadas, que vão desde dezenas de milissegundos a mais de um segundo, e simultaneamente os sinais atenuam-se — numa gama de 1 a 300 MHz — criando assim a imagem (ver Figura 5). Estas diferenças no tempo de relaxamento permitem que o sistema discrimine entre diferentes tipos de tecido.
Um íman supercondutor, acionado por bobinas, estabelece o campo estático. A localização é feita por bobinas de gradiente que estabelecem campos nas direções x, y e z, variando de acordo com a posição (ver Figura 6). As bobinas também são utilizadas para estimular os núcleos, seja como bobinas de deteção de resposta ou posicionadas ao lado dos mesmos. A excitação ocorre geralmente a frequências mais elevadas do que aquelas que o estágio de entrada consegue processar, pelo que o sinal transmitido é convertido e amplificado antes de chegar às bobinas, e o sinal recebido é novamente convertido e reduzido para processamento. À medida que o desempenho dos componentes melhora, será possível realizar o processo à frequência de operação sem conversão. A Figura 7 mostra o diagrama de blocos 
de um sistema de ressonância magnética.
Existem duas formas de obter uma melhor relação sinal-ruído num sistema de ressonância magnética, aplicável a qualquer percurso de sinal: aumentar a intensidade do transmissor (ímanes) ou aumentar a relação sinal-ruído no recetor. A intensidade do campo para um sistema de ressonância magnética típico é de 1,5 Tesla. Os sistemas de ressonância magnética (RM) de 3T mais recentes podem atingir até 
3 Teslas, mas são bastante ruidosos e — o que é mais importante — bastante caros. É mais económico concentrar-se em melhorar o processamento do sinal no receptor.
Para a transmissão do sinal, a Analog Devices recomenda o seu novo AD9726, um conversor D/A de 16 bits e 400 Msps para transmissão de radiofrequência (RF). Poder-se-ia pensar que o consumo de energia é irrelevante com todos os magnetos de alta corrente, mas é importante, especialmente porque é consumida muita energia e os projetistas procuram sempre reduzir o consumo de energia. Sistemas de RM mais pequenos ou com menor potência não são esperados a curto prazo.
Os amplificadores de baixo ruído são necessários para amplificar o sinal recebido antes de ser convertido para reduzir o seu nível. A Texas Instruments (TI) inclui o THS9001 entre as suas recomendações para esta função. A amostragem pode ser realizada utilizando conversores A/D, como o ADS4149 de 14 bits, que faz a amostragem até 250 Msps. Os estágios de entrada de baixo ruído e os conversores A/D rápidos contribuem diretamente para o aumento da resolução da imagem de ressonância magnética.
Ultrassom:
O ultrassom consiste essencialmente num sistema de sonar de alta frequência que mede os minúsculos ecos das ondas sonoras que atravessam o corpo. As imagens de ultrassons (ver Figura 8) assemelham-se às radiografias, exceto pelo facto de serem apresentadas em tempo real.
Medir e discriminar com precisão os ecos de ultrassons é difícil porque, cada vez mais, o segundo harmónico é detetado em vez do fundamental. Isto é conseguido suprimindo o segundo harmónico no sinal transmitido, de modo a que apenas os sinais com essa frequência sejam devolvidos; isto requer um ciclo de trabalho de quase 50% no trem de impulsos. Outra possibilidade é gerar versões positivas e invertidas do sinal para que se cancelem mutuamente e revelem os harmónicos subjacentes. Para que isto funcione corretamente, os tempos de subida e descida dos geradores de impulsos devem ser o mais compatíveis possível para cancelar os seus espectros. Estes requisitos impõem limitações severas aos geradores de impulsos de alta tensão. A Figura 9 mostra um sistema de ultrassons típico.
O processo Doppler utilizado para detetar movimento torna o projeto ainda mais complexo. Todo o conceito assenta no transcetor a enviar um sinal de alta potência e o recetor a captar uma resposta fraca. De facto, o recetor necessita de ser desativado por um interruptor de transmissão/receção (T/R) durante a transmissão para evitar sobrecarga, mas necessita de ser reativado para captar o sinal de retorno.
Os requisitos relacionados com o custo, consumo de energia e tamanho, especialmente para unidades portáteis, têm impulsionado uma maior integração. Por exemplo, o LM96570 da TI é um gerador de feixe integrado de oito canais, enquanto o LM96511 integra um amplificador de baixo ruído, um amplificador de ganho variável e um conversor A/D ΔΣ de 12 bits em tempo contínuo num único estágio de entrada de receção analógica. O LM96530 é um interruptor T/R integrado. A Maxim, por sua vez, fornece o MAX2079, um estágio de entrada integrado de oito canais com um gerador de feixe Doppler de onda contínua. O MAX4940 é um gerador de impulsos de alta tensão e o MAX4936 é o seu interruptor de transmissão/recepção.
Em resumo
, estão a ser desenvolvidas diversas tecnologias para fornecer imagens de diagnóstico mais precisas a um custo mais baixo. Para sistemas portáteis — e até para grandes equipamentos como a ressonância magnética, com tensões e correntes elevadas — o baixo consumo de energia é essencial. Além disso, a rejeição de ruído é crucial, especialmente em sistemas como a ecografia e a ressonância magnética, que geram inerentemente muito ruído.
A área da imagiologia médica é um campo entusiasmante e em rápido crescimento, graças ao grande número de engenheiros brilhantes que procuram manter-se à frente do mercado criado pelo baby boom. Fiquem atentos às muitas novidades que aí vêm.
Autor: Bryon Moyer, Mouser Electronics
Bryon é escritor e editor de tecnologia no EE Journal. Tem mais de 30 anos de experiência em funções de engenharia e marketing em Silicon Valley, tendo trabalhado para empresas como MMI, AMD, Cypress, Altera, Actel, Teja Technologies e Vector Fabrics. A sua especialização principal abrange PLD/FPGA, EDA, sistemas embebidos, processamento multicore, protocolos de rede, análise de software, MEMS e sensores. Os seus interesses técnicos são amplos e encontra particular satisfação em estabelecer paralelos úteis entre áreas aparentemente não relacionadas. Mantém as suas competências técnicas a um nível suficiente para facilitar conversas envolventes com utilizadores e fabricantes. Faz perguntas aparentemente tolas porque, em 90% dos casos, não são tolas. Possui um diploma de bacharel pela Universidade da Califórnia, Berkeley, e um mestrado em engenharia elétrica pela Universidade de Santa Clara. Fora do trabalho, Bryon gosta de música, fotografia, viagens, culinária, caminhadas e línguas.
