核磁共振成像

核磁共振成像也稱磁共振成像，是利用核磁共振原理，通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波，據此可以繪制成物體內部的結構圖像，在物理、化學、醫療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應用。

核磁共振成像是隨著電腦技術、電子電路技術、超導體技術的發展而迅速發展起來的一種生物磁學核自旋成像技術。醫生考慮到患者對“核”的恐懼心理，故常將這門技術稱為磁共振成像。它是利用磁場與射頻脈沖使人體組織內進動的氫核（即H+）發生章動產生射頻信號，經電腦處理而成像的。

核磁共振成像是一種完全不同的探測人體部位的方法。它依賴于氫原子核對磁場的反應。功能核磁共振成像（fMRI）是一個用于大腦的特殊版本，基于含氧水平來跟蹤氧氣而不是血液流動進行成像。

將這種技術用于人體內部結構的成像，就產生出一種革命性的醫學診斷工具。快速變化的梯度磁場的應用，大大加快了核磁共振成像的速度，使該技術在臨床診斷、科學研究的應用成為現實，極大地推動了醫學、神經生理學和認知神經科學的迅速發展。

這個處理工作通過將人體放在一個很強的靜態磁場，因此所有的原子核朝一個方向做定向運動，通過系列梯度磁場來擾亂本地的原子。這次調整從他們起始位置，當這梯度變化的磁場沒有了，細胞處理回到了靜態位置。不同的細胞釋放的的速率不一樣，范圍從幾十毫秒到超過1秒，當細胞返回時，衰減的信號放出能量（在1到300MHz范圍）產生圖像。（看圖5），正是這些發送的時間不同使得系統能夠分辨出不同的組織及器官。

圖5：MRI的大腦成像

一個超導磁體，通過“墊片”調整線圈，建立靜態磁場。通過線圈本地化處理確立了磁場的X,Y,Z方向（看圖6）。用作刺激原子核的線圈也被用作探測響應的線圈。傳統勵磁發生于頻率高于所能處理的前端，所以傳輸信號是向上變頻為線圈并且接收到的信號是向下轉換進行處理。隨著組件性能的提高，也可以在沒有頻率轉換下進行處理。圖7顯示了MRI系統框圖。

圖6：MRI發射機、接收機和線圈

圖7：MRI模塊圖（由TI提供）

使用核磁共振，可以用于任何的信號路徑，有兩種方法能得到更好的信噪比（SNR）：增加發射機(磁鐵)的強度或增加在接收端信噪比。典型的臨床磁共振成像的磁場強度是1.5特斯拉。最新的“3T MRI”可以完成3特斯拉，但是，它們卻非常吵，更重要的是太昂貴。關注接收端更好的信號處理更劃得來。

對于信號發送，ADI建議使用他們的新產品AD9726，一種16位的400Msps的 RF-transmit DAC。你也許認為使用所有大電流磁鐵的功耗不是一個問題。但是，它確實是一個問題，特別是因為在設計師想要減少能耗的地方，卻要消耗巨大的能耗。核磁共振不太可能一時半會能變成小或者低功耗。低噪聲放大器需要在向下變換之前增強接收信號。TI在推薦的芯片中包括了THS9001。采樣可以使用ADC芯片比如14位的ADS4149，采樣率達到了250Msps。低噪聲模擬前端和快速ADC有助于提高MRI的分辨率。

超聲波成像

超聲波就是頻率大于20KHZ，人耳感覺不到的聲波，它也是縱波，可以在固體、液體和氣體中傳播，并且具有與聲波相同的物理性質。但是由于超聲波頻率高，波長短，還具有一些自身的特性。

超聲波具有束射性。這一點與一般聲波不同，而與光的性質相似，即可集中向一個方向傳播，有較強的方向性，由換能器發出的超聲波呈窄束的圓柱形分布，故稱超聲束。

當一束超聲波入射到比自身波長大很多倍的兩種介質的交界面上時，就會發生反射和折射。反射遵循反射定律，折射遵循折射定律。由于入射角等于反射角，因此超聲波探查疾病時要求聲束盡量與組織界面垂直。超聲波的反射還與界面兩邊的聲阻抗有關，兩介質聲阻抗差越大，入射超聲束反射越強。聲阻抗差越小反射越弱。

穿過大界面的透射聲，可能沿入射聲束的方向繼續進行，亦可能偏離入射聲束的方向而傳播，后一種現象稱超聲折射，是由于兩種介質內聲速的不同所致。

圖8：使用85分貝的脈沖的超聲波2D圖

超聲波是一種有效的高頻聲納系統，測量當超聲波穿過身體時的一分鐘回聲。超聲圖像（看圖8），除了是實時顯示之外類似于X-射線。

準確測量超聲波回波和識別超聲回聲的挑戰很大，因為它會疊加越來越多的二次諧波。這可以通過抑制傳輸信號的二次諧波，讓只有那個頻段的信號返回。這需要周期序列的脈沖占空比是50%。另外，可以產生信號的正反相版本，因此他們可以抵消潛在的諧波。為了這個目的。工作在這個脈沖的上升沿和下降沿必須盡可能的靠近匹配，以使他們的頻譜對消。

這些需求將嚴格限制高壓脈沖發生器。圖9顯示了一個典型的超聲波系統。

圖9：一個超聲波系統（由ADI供圖）

用于檢測運動的多普勒效應用使設計更加復雜了。整個概念依賴于發射器端發送一個大功率信號，且接收端接收一個微弱的信號。事實上，在發射的時候需要一個收發開關來阻隔接收端，以便它們不會重疊在一起，但是它仍然要及時地返回去抓取返回信號。

成本、功耗和尺寸要求，特別是便攜式需求驅使集成度的提高，例如，TI的LM96570是個8通道的波束成型器。而LM96511集成了LNA、VGA和一個12bit持續時間ΔΣ ADC到一個單獨的接收模擬前端（AFE）。LM96530是一個集成的T / R開關。Maxim同時提供了MAX2079，一個8通道集成的接收器前端以及連續波多普勒聲源定位。MAX4940是一個高壓脈沖器，并且MAX4936是他們的T/R轉換器。

總結

現在有許多技術很難以更低成本提供更精準診斷圖像。對于那些可以做成便攜式的系統，甚至更大的機器，像MRI帶有高壓和大電流的，降低功耗是必須的。另外，必須消除噪聲，特別是像超聲和MRI系統，因為他們自身就會帶來很大的噪聲。

醫學成像是一個令人振奮的領域，發展非常迅速，多虧了眾多聰明的工程師試著保持嬰兒潮市場的領先地位。請繼續關注更多有趣的發展。