В последние годы этому вопросу уделяется гораздо больше внимания, поскольку люди, родившиеся во время демографического бума, стареют и хотят, чтобы технологии предупреждали их о любых проблемах. И, конечно же, они не согласятся на размытые рентгеновские снимки.
Более 1000 человек, родившихся во время этого бума, ежедневно достигают 65-летнего возраста, поэтому рынок медицинской визуализации также переживает значительный рост. По данным Markets & Markets, прогнозируется, что в 2016 году объем рынка медицинской визуализации достигнет 26,6 млн долларов, чему способствуют старение населения и достижения в этой области.
К счастью для тех, кто родился во время бума, существует множество технологий для исследования человеческого тела, старейшей из которых является почтенная рентгенография. Однако четыре более совершенных метода наблюдения за нашим телом продолжают развиваться в стремлении повысить точность и снизить стоимость: компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковое исследование. Каждый из этих методов посылает сигнал в тело, чтобы изучить, как оно реагирует на сигнал и как эта реакция влияет на исходный или обратный сигнал.
Все эти методы должны различать малые, но важные сигналы в какофонии громкого шума на входном каскаде, который, по сути, находится в аналоговой области. Высокоточные малошумящие компоненты, наряду с проектированием, имеют решающее значение для извлечения этих мельчайших сигналов и их максимально точной передачи в цифровую область для дальнейшей обработки и отображения. Независимо от того, идет ли речь о портативности или просто об уменьшении размеров, разработчики требуют более компактных и энергоэффективных компонентов. Медицинская визуализация — одна из самых сложных, а следовательно, и самых интересных и перспективных областей в электронике.
Мы кратко рассмотрим каждый из этих методов и изучим требования к подсистемам аналогового входного каскада.
рис. 1-вКомпьютерная томография:
двухмерное рентгеновское изображение мало что говорит, но компьютерная томография (КТ) делает серию рентгеновских снимков и объединяет их с помощью компьютера для создания трехмерного изображения высокого разрешения.
КТ — одна из двух технологий, использующих ионизирующее излучение для создания изображения внутренней части тела. Проще говоря, КТ-сканирование — это рентгеновский срез тела. Поперечные сечения повторяются по всей интересующей области, хотя для повышения эффективности часто группируют несколько передатчиков/приемников поперечных сечений близко друг к другу. Тело также можно перемещать во время экспозиции для получения «спирального» изображения, которое можно разбить на сечения или трехмерное изображение (см. рис. 1).
 
Рентгеновские лучи проходят через тело и достигают кристаллического сцинтиллятора, который поглощает фотоны рентгеновского излучения и переизлучает фотоны видимого света, которые улавливаются массивом фотодиодов, создавая таким образом электрический сигнал. Ток в диоде пропорционален падающему свету, и этот ток интегрируется, или преобразуется в напряжение, трансимпедансным усилителем.
Эти сигналы мультиплексируются полевыми транзисторами (FET) в аналого-цифровые преобразователи (АЦП), после чего сигнал может пройти определенное расстояние для обработки и отображения (см. рис. 2). Если АЦП достаточно быстры, они могут обрабатывать больше сигналов в интервале между экспозициями (порядка сотен микросекунд и более), что означает возможность достижения большего мультиплексирования с использованием меньшего количества преобразователей, тем самым уменьшая размер и энергопотребление. Преобразователи также должны быть способны обрабатывать высокий динамический диапазон, рис. 2-вхарактерный для детектируемого сигнала. Среди АЦП, рекомендованных компанией Maxim, — MAX11047/8/9 (16-бит) и MAX11057/8/9 (14-бит), каждый с 4, 6 или 8 независимыми каналами. Они могут работать со скоростью до 250 кс/с.
 
Компьютерная томография (КТ), как и традиционная рентгенография, основана на ионизирующем излучении, которое потенциально может вызывать генетические повреждения. Поэтому Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) устанавливает ряд правил по радиационной безопасности (Раздел 21 CFR Часть J), которые определяют пределы облучения. В результате разработчики устройств работают над более быстрыми и малошумными компонентами для улучшения обработки сигнала.

 
рис. 3-в-эмиссионная томография
(ПЭТ) также включает ионизирующее излучение, но в этом случае она ограничивается гамма-лучами, испускаемыми радиоактивным индикатором, который накапливается в интересующей области. Этот материал испускает позитроны, которые сталкиваются с находящимися рядом электронами, вызывая вспышку гамма-излучения. Два высокоэнергетических фотона испускаются приблизительно в противоположных направлениях.
Этот метод используется для различения этого гамма-излучения от других шумов. Поэтому для каждого гамма-импульса необходимо наблюдать, произошел ли соответствующий импульс одновременно на противоположной стороне. Это требует высокой чувствительности и точности синхронизации.
Круговой детектор содержит сцинтилляторы, которые питают фотоумножители (ФУ). Как правило, каждый ФУ питается от более чем одного сцинтиллятора (см. рис. 3). Поскольку ФУ не будут точно выровнены, для регулировки сигнала от каждого из них необходим усилитель с переменным коэффициентом усиления (VGA). Каждый VGA, в свою очередь, требует цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) для преобразования цифрового управляющего сигнала в соответствующее напряжение. Затем этот сигнал проходит через фильтр нижних частот, прежде чем быть оцифрованным 10-12-битным АЦП, который производит выборку с частотой от 50 до 100 Мвыб/с (см. рис. 4). Вся сигнальная цепь должна быть высокоточной и малошумной, при этом необходимо контролировать энергопотребление и использовать небольшие, компактные компоненты. Компания Analog Devices рекомендует свой усилитель с переменным коэффициентом усиления AD8332 в качестве опции для регулировки сигналов TFM перед их прохождением через фильтр на 12-битный АЦП AD9230, который может производить выборку с частотой до 250 Мвыб/с.
 
Рис. 4: Блок-схема системы TEP (предоставлено компанией Maxim).
рис4-вСинхронизация имеет решающее значение. Каждый сигнал имеет временную запись, и они сравниваются, чтобы проверить, совпадают ли два противоположных события. В более новых системах временная запись достаточно точна, чтобы точно определить источник события. Компания Maxim предлагает несколько компараторов, которые могут служить этой цели, например, MAX9601; Его 16-битный ЦАП MAX5661 можно использовать для установки опорного сигнала компаратора.
Магнитно-резонансная томография
(МРТ) — это совершенно другой способ исследования внутренних органов. Она основана на том, как ядра водорода реагируют на магнитные поля. Функциональная МРТ (фМРТ) — это специализированная версия, используемая в головном мозге для отслеживания уровня кислорода и визуализации кровотока.
Этот процесс работает путем помещения тела в мощное статическое магнитное поле, так что все ядра ориентированы в одном направлении. Затем генерируется переменное поле, которое локально возмущает атомы; это переориентирует их из исходного положения. Когда это переменное поле удаляется, клетка рис. 5-ввозвращается в свое статическое положение. Различные клетки проходят этот процесс с разной скоростью, от десятков миллисекунд до более чем секунды, и одновременно сигналы ослабевают — в диапазоне от 1 до 300 МГц — создавая таким образом изображение (см. рисунок 5). Эти различия во времени релаксации позволяют системе различать различные типы тканей.
 
Сверхпроводящий магнит, приводимый в движение катушками, создает статическое поле. Локализация осуществляется с помощью градиентных катушек, которые создают поля в направлениях x, y и z, изменяющиеся в зависимости от положения (см. рис. 6). Катушки также используются для стимуляции ядер, либо в качестве катушек, детектирующих отклик, либо размещенных рядом с ними. Возбуждение обычно происходит на частотах выше тех, которые может обрабатывать входной каскад, поэтому передаваемый сигнал преобразуется и усиливается до достижения катушек, а принимаемый сигнал снова преобразуется и уменьшается для обработки. По мере улучшения характеристик компонентов станет возможным выполнять этот процесс на рабочей частоте без преобразования. На рисунке 7 показана блок-схема рис6-всистемы МРТ.
 


Существует два способа достижения лучшего отношения сигнал/шум в системе МРТ, применимых к любому сигнальному тракту: увеличение мощности передатчика (магнитов) или увеличение отношения сигнал/шум на приемнике. Напряженность поля для типичной системы МРТ составляет 1,5 Тесла. Более новые системы МРТ с напряженностью поля 3 Тесла могут достигать
рис. 7-в3 Тесла, но они довольно шумные и, что более важно, довольно дорогие. Экономичнее сосредоточиться на улучшении обработки сигнала на приемнике.
Для передачи сигнала компания Analog Devices рекомендует свой новый AD9726, 16-битный ЦАП с частотой дискретизации 400 Мвыб/с для радиочастотной передачи. Можно подумать, что энергопотребление не имеет значения при таком количестве сильноточных магнитов, но оно важно, особенно учитывая большое потребление энергии, а разработчики всегда стремятся снизить энергопотребление. В ближайшее время не ожидается появления более компактных или маломощных систем МРТ.
Для усиления принимаемого сигнала перед его преобразованием для снижения уровня необходимы малошумящие усилители. Компания Texas Instruments (TI) включает THS9001 в число своих рекомендаций для этой функции. Дискретизация может осуществляться с помощью АЦП, таких как 14-битный ADS4149, который обеспечивает дискретизацию до 250 Мвыб/с. Малошумящие входные каскады и быстрые АЦП напрямую способствуют повышению разрешения МРТ-изображения.
Ультразвук:

рис8-вУльтразвук, по сути, представляет собой высокочастотную сонарную систему, которая измеряет мельчайшие эхо-сигналы звуковых волн, проходящих через тело. Ультразвуковые изображения (см. рис. 8) напоминают рентгеновские снимки, за исключением того, что они отображаются в реальном времени.
Точное измерение и различение ультразвуковых эхо-сигналов затруднено, поскольку все чаще обнаруживается вторая гармоника, а не основная. Это достигается путем подавления второй гармоники в передаваемом сигнале, так что возвращаются только сигналы с этой частотой; для этого требуется почти идеальный коэффициент заполнения импульсной последовательности в 50%. Другая возможность — генерация положительных и инвертированных версий сигнала, чтобы они могли взаимно компенсироваться, выявляя лежащие в их основе гармоники. Для корректной работы этого метода необходимо, чтобы времена нарастания и спада импульсных генераторов были максимально согласованы для компенсации их спектров. Эти требования накладывают серьезные ограничения на высоковольтные импульсные генераторы. На рисунке 9 показана типичная ультразвуковая система.
 
рис. 9-вДоплеровский эффект, используемый для обнаружения движения, еще больше усложняет конструкцию. Вся концепция основана на том, что приемопередатчик посылает мощный сигнал, а приемник принимает слабый ответ. Фактически, приемник должен быть деактивирован переключателем приема/передачи (T/R) во время передачи, чтобы предотвратить перегрузку, но он должен быть повторно активирован для захвата обратного сигнала.
Требования к стоимости, энергопотреблению и размерам, особенно для портативных устройств, привели к большей интеграции. Например, LM96570 от TI представляет собой интегрированный восьмиканальный генератор луча, в то время как LM96511 объединяет малошумящий усилитель, усилитель с переменным коэффициентом усиления и 12-битный непрерывный ΔΣ АЦП в один аналоговый входной каскад приема. LM96530 — это интегрированный переключатель приема/передачи. Компания Maxim, в свою очередь, поставляет MAX2079, интегрированный восьмиканальный входной каскад с генератором луча непрерывного действия с эффектом Доплера. MAX4940 — это генератор высоковольтных импульсов, а MAX4936 — его переключатель приема/передачи.
В целом
, разрабатывается множество технологий для обеспечения более точной диагностической визуализации при меньших затратах. Для портативных систем — и даже для крупных аппаратов, таких как МРТ с высокими напряжениями и токами — низкое энергопотребление имеет важное значение. Кроме того, подавление шума имеет решающее значение, особенно в таких системах, как ультразвуковая диагностика и МРТ, которые по своей природе генерируют много шума.
Медицинская визуализация — это захватывающая и быстро развивающаяся область благодаря большому количеству талантливых инженеров, стремящихся опередить рынок, созданный демографическим взрывом. Следите за новостями, впереди много интересных разработок.

Более подробная информация
 

Автор: Брайон Мойер, Mouser Electronics

Брайон — технологический писатель и редактор журнала EE Journal. Он имеет более чем 30-летний опыт работы в инженерных и маркетинговых сферах в Силиконовой долине, работая в компаниях MMI, AMD, Cypress, Altera, Actel, Teja Technologies и Vector Fabrics. В основном он специализируется на PLD/FPGA, EDA, встроенных системах, многоядерных процессорах, сетевых протоколах, анализе программного обеспечения, MEMS и датчиках. Его технические интересы широки, и он получает особое удовлетворение, проводя полезные параллели между, казалось бы, несвязанными областями. Он сохранил свои технические навыки на уровне, достаточном для ведения содержательных бесед с пользователями и производителями. Он задает глупые вопросы, потому что в 90% случаев они не глупые. Он имеет степень бакалавра Калифорнийского университета в Беркли и степень магистра электротехники Университета Санта-Клары. Вне работы Брайон увлекается музыкой, фотографией, путешествиями, кулинарией, пешим туризмом и языками.