近年来，随着婴儿潮时期出生的人逐渐老龄化，他们希望借助科技手段在出现任何问题时都能及时收到提醒，因此，这项技术受到了越来越多的关注。他们当然不会满足于模糊不清的X光片。
每天有超过1000名婴儿潮时期出生的人年满65岁，这也正是医疗影像市场蓬勃发展的原因。据Markets & Markets预测，在人口老龄化和技术进步的推动下，2016年医疗影像市场规模预计将达到2660万美元。
幸运的是，对于婴儿潮时期出生的人来说，目前有很多技术可以用来检查人体，其中最古老的就是久负盛名的X光。然而，为了提高准确性和降低成本，四种更先进的人体成像技术仍在不断发展：计算机断层扫描（CT）、正电子发射断层扫描（PET）、磁共振成像（MRI）和超声波。这些技术都是通过向体内发送信号来研究人体对信号的反应，以及这种反应如何影响原始信号或返回信号。
所有这些技术都必须在输入级（本质上是模拟域）从嘈杂的噪声中分辨出微弱但重要的信号。高保真、低噪声的元件以及设计对于提取这些微弱信号并尽可能精确地将其传递到数字域进行进一步处理和显示至关重要。无论是出于便携性还是仅仅为了缩小尺寸，设计人员都要求使用更小、更低功耗的元件。医学成像是电子设计中最具挑战性——因此也是最有趣、最有成就感——的领域之一。
我们将简要回顾每种技术，并探讨模拟输入级子系统的要求。
计算机断层扫描：
二维X射线图像提供的信息有限，但计算机断层扫描（CT）通过拍摄一系列X射线，并利用计算机将它们组合起来，生成高分辨率的3D图像。CT
是两种利用电离辐射生成人体内部图像的技术之一。简而言之，CT扫描是对人体进行X射线横截面成像。在目标区域内重复进行横截面扫描，但为了提高性能，通常会将多个横截面发射器/接收器紧密排列。在曝光过程中，也可以移动人体以获得“螺旋”图像，该图像可以分解成多个部分或生成三维视图（见图1）。X
射线穿过人体到达晶体闪烁体，晶体闪烁体吸收X射线光子并重新发射可见光光子，这些可见光光子被光电二极管阵列捕获，从而产生电信号。二极管中的电流与入射光强度成正比，该电流由跨阻放大器积分或转换为电压。
这些信号经场效应晶体管（FET）多路复用到模数转换器（A/D转换器），之后信号可以传输一定距离进行处理和显示（见图2）。如果模数转换器 (A/D 转换器) 的速度足够快，它们可以在两次曝光之间的间隔（数百微秒或更长）内处理更多信号，这意味着可以使用更少的转换器实现更高的复用率，从而减小尺寸和功耗。转换器还必须能够处理 
检测信号所特有的高动态范围。Maxim 推荐的模数转换器包括 MAX11047/8/9（16 位）和 MAX11057/8/9（14 位），它们分别具有 4、6 或 8 个独立通道。它们的运行速度最高可达 250 ksps。与传统
X 光成像一样，CT 也基于电离辐射，而电离辐射可能造成基因损伤。因此，美国食品药品监督管理局 (FDA) 制定了一系列关于辐射健康的法规（《美国联邦法规》第 21 篇 J 部分），其中规定了辐射暴露限值。因此，设备设计人员正在致力于开发速度更快、噪声更低的组件，以改进信号处理。
发射断层扫描
（PET）也涉及电离辐射，但仅限于放射性示踪剂在目标区域积聚时释放的伽马射线。这种示踪剂会发射正电子，正电子与附近的电子碰撞后会释放出一束伽马射线。两个高能光子会沿大致相反的方向释放。
该技术用于将伽马射线信号与其他噪声区分开来。因此，对于每个伽马脉冲，都需要观察其对面是否同时出现了相应的脉冲。这需要精确的灵敏度和时间控制。
圆形探测器包含闪烁体，这些闪烁体为光电倍增管（PMT）供电。通常，每个PMT由多个闪烁体供电（见图3）。由于PMT之间无法精确对准，因此需要一个可变增益放大器（VGA）来调节每个PMT的信号。而每个VGA又需要一个数模转换器（DAC）来将数字控制信号转换为相应的电压。该信号随后可通过低通滤波器，再由采样率为 50 至 100 Msps 的 10 至 12 位模数转换器进行数字化（参见图 4）。整个信号链必须具有高精度和低噪声，同时还要控制功耗并使用小型紧凑的元件。Analog Devices 推荐使用其 AD8332 可变增益放大器来调节 TFM 信号，然后再将其送入采样率高达 250 Msps 的 AD9230 12 位模数转换器。
图 4：TEP 系统框图（由 Maxim 提供）。
同步至关重要。每个信号都有一个时序记录，通过比较这些记录来检查两个相反的事件是否同时发生。在较新的系统中，时序记录的精度足以精确定位事件的来源。Maxim 提供多种可用于此目的的比较器，例如 MAX9601；其16位MAX5661数模转换器可用于设置比较器参考值。
磁共振成像
（MRI）是一种完全不同的体内成像方式。它基于氢核对磁场的响应。功能性磁共振成像（fMRI）是专门用于大脑成像的一种技术，通过追踪氧气水平来观察血流。
该过程的工作原理是将人体置于强大的静态磁场中，使所有原子核都朝向同一方向。然后产生一个可变磁场来局部扰动原子，使其偏离初始位置。当移除该可变磁场时，细胞 
恢复到其静态位置。不同的细胞经历这一过程的速度各不相同，从几十毫秒到一秒以上不等，同时信号衰减——衰减范围为1至300 MHz——从而形成图像（见图5）。弛豫时间的差异使得系统能够区分不同的组织类型。
由线圈驱动的超导磁体产生静态磁场。梯度线圈负责定位，它们在 x、y 和 z 方向上建立磁场，磁场强度随位置变化（见图 6）。线圈还用于刺激原子核，既可作为响应检测线圈，也可与原子核并排放置。激励频率通常高于输入级的处理频率，因此发射信号在到达线圈之前需要进行转换和放大，接收到的信号也需要再次转换和衰减以进行处理。随着组件性能的提高，未来有望在工作频率下直接进行处理，而无需转换。图 7 显示了 
MRI 系统的框图。
对于适用于任何信号路径的 MRI 系统，有两种方法可以提高信噪比：提高发射器（磁体）的磁场强度或提高接收器的信噪比。典型 MRI 系统的磁场强度为 1.5 特斯拉。新型 3T 磁共振成像系统最高可达 
3 特斯拉，但噪声较大，更重要的是，价格昂贵。因此，更经济的做法是着重改进接收端的信号处理。
对于信号传输，ADI 公司推荐使用其新型 AD9726，这是一款用于射频传输的 16 位、400 Msps 数模转换器。人们可能会认为，在高电流磁体的情况下，功耗无关紧要，但实际上功耗非常重要，尤其是在能量消耗巨大的情况下，设计人员始终致力于降低功耗。短期内，小型化或低功耗的磁共振成像系统预计不会出现。
接收信号需要低噪声放大器进行放大，然后再进行信号转换以降低其电平。德州仪器 (TI) 推荐使用 THS9001 来实现此功能。采样可以使用数模转换器，例如 14 位 ADS4149，其采样率高达 250 Msps。低噪声输入级和高速模数转换器直接有助于提高磁共振成像（MRI）图像的分辨率。
超声：
超声本质上是一个高频声呐系统，用于测量穿过人体的声波的微弱回波。超声图像（见图8）类似于X光片，但它是实时显示的。
精确测量和区分超声回波非常困难，因为检测到的通常是二次谐波而不是基波。这可以通过抑制发射信号中的二次谐波来实现，从而只返回该频率的信号；这要求脉冲序列的占空比接近完美的50%。另一种方法是生成信号的正反两面，使它们相互抵消，从而显示潜在的谐波。为了使这种方法正常工作，脉冲发生器的上升时间和下降时间必须尽可能匹配，以抵消它们的频谱。这些要求对高压脉冲发生器提出了严格的限制。图9显示了一个典型的超声系统。
用于检测运动的多普勒效应使设计更加复杂。整个原理基于收发器发送高功率信号，接收器接收微弱的响应。实际上，为了防止过载，在发射信号时必须通过收发 (T/R) 开关关闭接收器，但在接收返回信号时则必须重新激活接收器。
对成本、功耗和尺寸（尤其是便携式设备）的要求推动了更高集成度的发展。例如，德州仪器 (TI) 的 LM96570 是一款集成的八通道波束发生器，而 LM96511 则将低噪声放大器、可变增益放大器和 12 位连续时间 ΔΣ A/D 转换器集成到单个模拟接收输入级中。LM96530 是一款集成的收发开关。Maxim 公司则提供 MAX2079，这是一款集成的八通道输入级，带有连续波多普勒波束发生器。 MAX4940 是一款高压脉冲发生器，MAX4936 是其收发开关。
总而言之
，众多技术正在研发中，旨在以更低的成本提供更精确的诊断成像。对于便携式系统，乃至像磁共振成像 (MRI) 这样需要高电压和大电流的大型设备而言，低功耗至关重要。此外，噪声抑制也至关重要，尤其是在超声和 MRI 等本身就会产生大量噪声的系统中。
由于众多杰出的工程师致力于引领由婴儿潮催生的市场，医学成像领域正蓬勃发展，令人振奋。敬请期待更多激动人心的发展。
作者：Bryon Moyer，贸泽电子
布莱恩是《EE Journal》的技术撰稿人和编辑。他在硅谷拥有超过30年的工程和市场营销经验，曾就职于MMI、AMD、Cypress、Altera、Actel、Teja Technologies和Vector Fabrics等公司。他的主要专长领域包括PLD/FPGA、EDA、嵌入式系统、多核处理、网络协议、软件分析、MEMS和传感器。他的技术兴趣广泛，尤其擅长在看似无关的领域之间建立有益的联系。他始终保持着精湛的技术水平，足以与用户和制造商进行深入的交流。他喜欢问一些看似愚蠢的问题，因为90%的情况下，这些问题其实并不愚蠢。他拥有加州大学伯克利分校的学士学位和圣克拉拉大学的电气工程硕士学位。工作之余，布莱恩喜欢音乐、摄影、旅行、烹饪、徒步旅行和语言学习。.
