医疗成像系统及其低场核磁共振技术特征与应用
2012-01-06 17:31:50
来源：《磁性元件与电源》2012年1月
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摘要： 本文在医疗成像模式中对超声医学成像系统与计算机体层成像(CT)架构的基础上将重点对核磁共振成像(MMRI)和低场核磁共振技术架构及应用作分析，并以对用于食品品质监测的核磁共振成像分析仪为例作简介。
关键字： 成像系统，扫描，核磁共振，射频脉冲
0 引言——医疗成像领域的创新医疗成像技术处在不断演进与发展之中，其目的均在于改善患者的护理水平。在医疗成像发展之中有两个普遍的发展趋势：其一、由于对较高图像质量的需求而促使性能的不断提升；其二、缩减功耗和外形尺寸，以改善设备设计的便携性、易维护性和价格合理性。
随着半导体产品创新，可以借助完整的模拟信号链路、电源管理、接口和嵌入式处理产品库等手段在医疗成像领域实现了创新，它包括更快、更准确地获得诊断结果与改善最终设备的易维护性和价格合理性。
当今医疗成像模式有超声波、计算机体层成像(CT)、核磁共振成像(MRI)、正电子放射层析成像(PET)和数字式X光等多种，以及后期出现的创新型成像模式（比如：高光谱成像、光相干X线断层摄影术[0CT]）、甚至还包括人们尚未预见到的成像解决方案。值此本文在医疗成像模式中对超声医学成像系统与计算机体层成像(CT)概述的基础上将重点对核磁共振成像(MRI)和与技术架构及其应用作分析介绍。
1 超声医学成像系统
* 超声波(Ultrasound) 新理念
随着超声波设备的日益紧凑和便携，宣告诸多保健应用成为现实，这些应用展示了医疗技术的进步为患者所带来的关爱，使得他们无需为诊疗而来回奔波。新型嵌入式处理器和模拟产品凭借低功耗和高性能。简化了先进超声波系统的设计，并实现了便利性和高品质图像。
医疗和工业超声波系统运用聚焦成像技术来实现远优于单通道方法的成像性能。采用大量的接收器，通过时域平移，缩放以及智能累加回波能量，可构建出高分辨率的图像。源自传感器阵列的接收信号的时域平移及缩放提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。
* 现代超声应用-医疗成像系统架构
关于聚焦成像技术的实现。何谓聚焦成像技术？即利用一组接收器，一幅高分辨率图像便可通过时移、调节以及回波能量的智能求和来生成。而对接收来自换能器阵列（512个换能器元件）的信号进行时移和调节的原理是提供“聚焦”于扫描区域内某一点的能力。通过相继聚焦于不同的点便可构成一幅完整的图像。则由此实现的医疗成像糸统架构，见图1所示图。
* 超声医疗成像系统架构剖析
在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过多至512个传感器单元中的每一个发出。
这些脉冲将定时且定量地“照射”人体的特定区域。在发射之后。传感器单元立即切换至接收模式。上述脉冲时将构成机械能的形态。以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于1MHz至15MHz之间。随着传播的进行，信号急剧衰减。衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射回传感器／接收器。传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为灵敏的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点上，接收的回波非常强，仅需稍微放大乃至不需要放大，此区域被称为近区(near field)。在深入人体的聚焦点上，接收回波将异常得微弱，需要放大上千倍乃至更多。该区域被称为远区(farfield)。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。
根据超声波发送器与接收器的基本原理，当启动扫描时，探头（或称超声波发送器）由发送器与压电晶体（选用锆钛酸铅-PZT类压电陶瓷作为换能器材料）组成，其高频脉冲将由电子束形成器生成，并从8个换能器中的每一个发送至512个换能器元件-换能器阵列。这些脉冲被定时和调节，即通过计算机来控制每个与图像质量密切相关的发射脉冲波形的形状，以便对人体的某个特定区域进行”图示”。
这儿的脉冲被定时和调节是由电子束形成器来控制的，见图1所示。其超声波发送换能器（探头）与超声波接收换能器（探头）可选用锆钛酸铅-PZT类压电陶瓷作为换能器材料，其发送与接收的切换由T/R切换开关控制，而T/R开关的主要功能是防止高电压脉冲损坏接收电子线路。
发送波束形成器、高电压(HV)脉冲发生器和HV多路复用器构成了发送通路，该通路负责传感器元件的脉冲激励。
2 CT扫描仪
计算体层成像(CT)是一种医疗成像技术，可通过一系列为数众多的单轴旋转二维X射线成像构建人体内部某部分的三维图像。传统的X射线成像是多个平面成层叠加所形成的单个图像。与之相比，CT成像在对比度方面有了显著的改善。
随着诸如CT等需要复杂且强大的图像处理能力的诊断成像系统的出现，則半导体器件在开发具有更高密度、灵活性和高性能的系统的过程中起到了非常重要的作用。
图2为CT扫描仪示系统方框图。从图2可知，使用一个X射线源围绕目标旋转，并通过一个处于X射线源圆周对称相反位置的探测器成像，可产生X射线切片数据。随着目标逐渐地通过滑动托架，更大量的数据扫描将不断展开。较新型的螺旋或旋转式CT机使用更快速的计算机系统及优化软件，可在目标以恒定速度通过托架的同时连续地处理横截面图像。
检测器系统由大量具有闪烁体光电二极管固态探测器的通道卡组成。X射线与闪烁体相互作用并产生可见光，该可见光又由光电二极管转换成电流。X射线波束方向上被射线照相术所忽略的深度信息将通过观察多个不同方向上的幻灯切片得以复原。
通道卡具有前端系统．在此，至检测器的电荷将由放大器进行积分、增益放大并通过ADC转换为数字值。源自所有通道卡的数字数据经由高速链路传输至控制卡，并到达图像调节卡。图像调节卡连接至可观察CT图像的主控计算机。这里，数字数据将通过被称为体层成像重构的数学程序组合在一起。
电源、时钟及时钟分配电路、基准及基准缓冲器、逻辑器件及接口产品是通道卡子系统的一些关键模块。
控制卡可包括DSP及FPGA、电源、时钟和时钟分配电路以及接口模块。DSP可用于提供精确的控制，包括托架的旋转、平台的移动（上／下及进／出）及托架的倾斜（以实现角度成像），并可实现诸如X射线波束开启及关闭等其他功能。DSP的另一个重要控制功能是心电图选通，用以降低人体心脏跳动所导致的人为动作干扰。在此，将谨慎地使数据采集与心跳同步。
关于构建CT扫描仪的芯片与组件 从图2可知CT扫描仪由下列芯片与组件构建：通道卡前端和控制卡子系统，包括数据转换器、处理器、电源管理解决方案和其他模拟产品；单芯片解决方案，用于直接对来自CT扫描仪中的光电二极管阵列的低电平电流进行数字化处理；采用Veloci VLIW架构的DSP（TI公司产）可用于提供精确的控制，包括托架的旋转、平台的移动和托架的倾斜（以实现角度成像），以及其他的实时控制和处理功能；电压监控器、DC/DC转换器、非隔离型电源模块和低压降线性稳压器，用于满足排序要求。
3 核磁共振成像(MRI)架构及其应用
核磁共振成像是非侵入性的诊断技术，可基于所使用的磁场及射频(RF)场来生成生理学图像。随着磁场与射频(RF)场及图像处理技术的发展，当今核磁共振成像己有二大类型，即医疗核磁共振成像(MMRI)和低场核磁共振成像，它们都是医疗、工业及食品安全必不可少的诊断设备。值此将对该二种核磁共振成像基本架构与应用作分析说明。
3.1 医疗核磁共振成像(MMRI)
通过采用强磁铁产生磁场（该磁场将迫使人体内的氢原子产生特定的排列），MMRI系统可生成人体的生理学图像。贯穿分布在患者体内的射频(R.F)能量被人体组织所中断；这些中断对应于不同的返回信号，经处理后产生图像。
模拟IC和嵌入式处理器在改善磁共振图像的传输速度和清晰细节方面正发挥着重要的作用，从而实现了更加准确的诊断和有效的治疗。准确的信号处理是获得高质量MMRI 图像的关键所在。
* 医疔核磁共振成像(MMRl)架构与特征
核磁共振成像(MMRl)是非侵入性的诊断技术，可基于所使用的磁场及射频(RF)场来生成生理学图像。MMRl系统采用强磁铁产生磁场，该磁场将迫使人体内的氢原子产生特定的排列（共振）。射频能量因而得以贯穿分布在患者体内，并因人体组织而产生扰动。这些扰动对应于不同的返回信号，经处理后产生图像。
精确的信号处理是获得高质量图像的关键。对于接收通道来说。一个关键的系统考虑因素就是高信噪比(SNR)。返回信号具有较窄的带宽．其中频(IF)定位取决于主磁体的强度。一些系统采用高速流水线型ADC以及宽带放大器对中频进行采样，从而为数字降频转换器或FPGA的后处理增益留出了很大的提升空间。其他系统则将中频混频至基带，可以使用更低速度、更高分辨率的SAR及△—∑型ADC。
为控制核磁共振成像中的磁场及射频能量，高分辨率，高速的DAC是必不可少的。高分辨率用于精确地定位所扫描的患者部位，高速则是匹配主磁体产生的高中频所必需的。
DSP可用于提供梯度式的处理器控制，旨在准确地控制核磁共振成像系统的磁体。DSP还可用于实现MMRI设备中的信号处理功能。MMRI的图像重构主要基于2D傅立叶变换。此外，诸如自相关及互相关、曲线拟合、合并子图像及运动稳定等功能性均需要对图像进行预处理及后处理，以降低各种人为干扰。图3为医疔核磁共振成像(MMRl) 构建框图。
如今一些著名厂商（如TI公司）己为核磁共振成像系统及设备制造商提供了多种多样的产品。包括运算放大器、DSP、多通道高速及低速数据转换器、时钟分配、接口及电源管理。
*关于构建MMRI的芯片与组件
从图3可知MMRI由下列芯片与组件构建：有些系统采用具有宽带放大器的高速流水线型ADC来对由主磁体产生的中频(IF)进行采样；其他系统则将IF混频至基带，因而允许使用较低速度、较高分辨率的逐次逼近寄存器(SAR)型ADC和增量-累加(△∑)型ADC；高分辨率DAC能够控制MMRI中的磁场能量和射频能量；诸如TMS320C6452等DSP能够提供梯度式的处理器控制，旨在正确地控制MMRI系统的磁体，并在信号到达图像重构引擎之前对其进行预处理；提供给MMRI系统和设备制造商的其他产品还包括运算放大器、定时分配、接口和电源管理器件。
3.2 低场核磁共振架构及其应用
当今除医疗外工业及食品安全还专注于“低场核磁共振”技术研究及推广应用。其产品包括了拥有核磁共振弛豫分析仪、核磁共振定量测量仪和磁共振成像系统三大核心产品。被广泛应用在农业食品、石油勘探、化纤工业、生物医药等行业。值此本节将对其“低场核磁共振”技术特征及应用，尤其是食品安全作分析说明。
3.2.1 低场核磁共振技术及基本架构
*低场核磁共振技术
低场核磁共振技术及设备主要是检测样品中的H质子。将样品放入磁场中之后（见图4(a)所示），通过发射一定频率的射频脉冲，使H质子发生共振（见图4(b)所示），H质子吸收射频脉冲能量。当射频脉冲结束之后，H质子会将所吸收的射频能量释放出来（见图4(c)右下角的尖脉冲所示），通过专用的线圈就可以检测到H质子释放能量的过程，这也就是核磁共振信号。对于性质不同的样品，其能量释放的快慢是不同的，通过这些信号差别就可以寻找规律，研究样品内部性质。
而低场核磁共振基本架构可用氢质子自旋、氢质子在磁场中的排布、射频激励—能量释放及高场核磁-低场核磁之比较等四部分技术构建，并可用下列示意图4(a)(b)(c)(d)说明。
需要注意的是，低场核磁与高场核磁区别在于其磁场强度的不同。一般将磁场强度为1T以上的称作高场核磁，0.5T及以下的称作低场核磁。其应用领域不同：低场核磁常被用于分子动力学研究，即分析分子与分子之间的相互作用，如水分子相态、高分子材料的交联密度等。而高场核磁则常用于分子结构分析。
*低场核磁共振技术及仪器之优势
低场核磁共振技术及仪器与其它实验室仪器相比，拥有众多突出优势：样品无需前处理，无需化学溶剂，绿色无污染；样品无损伤、无侵入检测，可重复测试；无辐射，对操作人员无伤害；测试过程快速，测试结果准确；可动态观测手段，极易实施纵向实验；除定性分析外，可提供量化信息；可无损提供空间、结构信息。
3.2.2 低场核磁共振应用
低场核磁共振技术可在食品品质监测、种子含油率检测、橡胶交联密度检测、纤维上油率检测、岩心分析检测、靶向造影剂成像分析外实验、植物生理实验及多孔介质材料实验等领域方面应用。值此以对食品品质监测的应用及其核磁共振成像分析仪为重点作简介。
* 食品品质监测
水分子是影响食品品质十分关键的因素，影响着食品的储藏加工和食品口感。同时油脂也是影响食品品质和口感的重要部分。在粮油生产方面，油料种子的含油率检测，以及生产后饼粕的含油率、饲料含油率的指标都是非常重要的。低场核磁共振技术可以很好的检测食品中水分子相态，迁徙变化以及油脂含量和油脂分布（图5为猪肉中品质监测示意）。
*用于食品品质监测的低场核磁共振典型产品功能与应用。
当今低场核磁共振产品系列己在市场闻世，其产品有核磁共振分析仪、系列核磁共振成像分析仪、系列微型磁共振成像仪、系列核磁共振成像分析系统、系列磁共振成像及分析系统与软件。值此以对食品品质监测的核磁共振成像分析仪作简介。
*简介：核磁共振成像分析仪是通过升级配套研发的高性能谱仪，近年己正式面市。产品采用了模块化的设计理念，可根据用户需要设定配置。既能够满足生产过程中质量管理和监测的要求，同时也可用于相关领域的研究和开发工作中。该产品不仅具备核磁共振无需特别制备样品、无损检测、绿色环保的特点，且测量准确性与重复性非常优异，分析速度快、操作简单方便，是一款理想的具有高性价比的台式小核磁分析仪。该产品主要针对各个行业的科研需求而开发，在石油、食品、农业、医药及生物等行业的科研应用领域均有广泛的用途。NM120-Analyst核磁共振成像分析仪在成像质量、分析精度和稳定性方面都有了显著的提高，与此同时，更加完善的产品功能以及面向用户开发的更多应用软件，极大程度上拓展了仪器的使用领域，将为用户带来更多方便快捷的实验体验。图6为M120-Analyst核磁共振成像分析仪基本构建外形示意图。
*技术指标：主磁场为0.51Tesla，H质子共振频率为21.7MHz，射频脉冲频率为1MHz-49.9MHz，腔体控温精度为+0.02℃，磁体控温为25℃-35℃，磁场均匀度为12.0ppm(10mm×10mm×10mm)，射频功率为50W（峰峰值输出功率）， 探头线圈尺寸、标配为15mm、选配为5mm和10mm，最大有效样品检测范围为12.8mm×12.8mm×20mm。
*主要功能与应用：核磁共振弛豫分析、核磁共振造影剂驰豫率测量与磁共振成像。可在造影剂、食品品质等领域应用。
应该说，目前有一些著名厂商的核磁共振成像分析仪己经闻世，本文仅以纽迈公司产的NM120-Analyst核磁共振成像分析仪为例作介绍。
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