半导体IC引领医学成像革命 - 文章

半导体IC引领医学成像革命

作者：Roger Allan 来源：电子系统设计

欢迎访问e展厅
展厅 4	医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ...

医学成像技术领域正在经历一场革命。随着DSP、FPGA、模拟前端(AFE)以及大量其他模拟和混合信号半导体IC的快速进步，医学成像技术正跨入前所未有的领域。此外，实现复杂3D和4D图像格式的图像处理软件和算法的开发成果也对此有所帮助。

超声波、电脑断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、X射线、正电子发射断层扫描(PET)和放射线等扫描技术正在改变医学实现的方式。在达特茅斯大学和斯坦福大学最近的一份调查报告中，顶级内科医生将MRI和CT扫描技术列为最宝贵的近代医学创新。

成像系统动辄上百万美元，而且体积庞大，很占空间，这种系统正在演变成可以装入手推车的成本较低的产品，这样就可以用在医生办公室、病人床边或者地方诊所。基于笔记本电脑的便携式手持式成像系统也正在开始面世。这种成像系统还可以通过量身定做来适应病人的体形、体重、年龄和其他的独特特征。

例如，躺椅式MRI现在可以用来扫描手和脚了，这得益于加利福尼亚大学戴维斯分校的开发成果(图1)。这种装置消除了大多数病人害怕进入典型的“隧道”MRI扫描仪的焦虑情绪(这会引发幽闭恐惧症)。此外，这种系统在使病人获得放松的同时，还能提供最高的成像品质。

newmaker.com
图1：躺椅式MRI现在可以用来扫描手和脚了，这得益于加利福尼亚大学戴维斯分校的开发成果。这种装置消除了大多数病人害怕进入典型的“隧道”MRI扫描仪的焦虑情绪(这会引发幽闭恐惧症)。该扫描仪由已被通用电气医疗集团(GE Healthcare)收购的ONI Medical Systems公司生产。

全球老年人口的爆增和对高性价比设备的需求不断推动着尺寸更小，更加精确，速度更快的成像诊断装置的开发。随着半导体IC技术向尺寸更小、速度更快和价格更低的方向的不断推进，半导体IC技术正在满足这一需求。

半导体技术创造无限可能

据德州仪器(TI)医疗业务部公关经理Veronica Marques表示，半导体IC技术已占据提高医学成像系统性能的前沿位置。她列举了三个明显的趋势：需要的成像分辨率越来越高(以便更精确地进行诊断)，需要的数据吞吐能力越来越高(以便更加迅速地进行诊断并且最大限度地减少病人不适)，使用创新技术生产尺寸更小的扫描仪(以便降低功耗从而提高成本效益)。

扫描仪性能的提升与系统创新的结合，使得扫描过程不仅执行得快，对于病人来讲也更安全。CT和MRI已将辐射剂量降低75%。

将多通道低噪声放大器、电压至电流放大器和多通道模数转换器(ADC)整合到单个AFE IC中，这已经是相当大的进步。TI公司用于超声扫描仪的AFE58xx AFE比前几代产品尺寸小40%，功耗低50%，但是它们仍能提供两倍的性能。

亚德诺半导体(ADI)公司的AD9279还可以降低系统复杂性、功耗和外形尺寸，从而实现高端中型便携式超声系统。第四代低功耗八通道接收器将数据转换电路与低噪声、时间增益、控制模式性能整合在一起，同时提供高动态范围的I/Q解调器，从而减少实现连续波(CW)多普勒处理的功耗和面积。

“这款2007年发布的第四代器件满足了给定小封装尺寸的超声扫描仪的需求，”ADI公司医疗事业部战略市场经理Scott Pavlik表示，“这款器件可提供高达67 dB的最高输出参考大信号信噪比(SNR)，从而可以提高诊断扫描灵敏度，同时可将印制电路板(PCB)空间减少40%。”

有些公司(比如收购了Actel的Microsemi公司)在多通道超声成像应用中采用FPGA。基于闪存的FPGA SmartFusion系列采用专有算法作为4D超声成像的基础。此外，该公司表示，与基于SRAM存储器的FPGA相比，基于闪存的FPFA不易出现由于辐射产生的错误。

最近，Samplify Systems公司推出了SAM2032，这是一款用于超声成像应用的32通道波束成形接收器ASIC。该公司表示，SAM2032是市面上的首款此类器件。该器件的功耗为50mW/通道，仅为同类竞争器件功耗的一半。单个SAM2032可以提供高达50MHz的数据采样速率，可以采用菊花链方式进行连接以实现更多通道。

软件可助一臂之力

通过使用图像处理算法，软件算法也开始起作用。Samplify Systems公司推出了Prism CT算法，该算法是在上文提到的SAM 2032 32通道波束成形ASIC中实现的。与现有解决方案相比，该算法可以实现更好的无损耗和有损耗医疗传感器信号压缩，具体取决于节省的材料清单(BOM)成本。

Samplify Systems公司创始人兼首席技术官、《Electronic Design》特约编辑Al Wegener表示，在有损耗模式下，采用Prism算法的CT、MRI和数字X线扫描仪节省的BOM成本相当大，并且可以产生临床可以接受的图像。

使用无损耗压缩时也可以实现降低但仍然相当高的BOM成本，而且可以提供质量更高的图像。Wegener指出，“当传感器信号压缩能够使传感器数据速率减半时，医疗传感器数据的无损耗压缩就变得相当有吸引力了”。

梅约医疗中心(Mayo Clinic)已经开发出一种先进的图像处理算法，这种算法可以为放射科医生提供他们做CT灌注扫描时需要的所有信息，而其辐射剂量则减少了20倍。典型的CT灌注过程约为半分钟，可以扫描同一身体组织多次，每次扫描的辐射剂量都可以保持在较低的水平。灌注扫描需穿过碘等液体，这类液体作为穿过血液的造影剂。液体浓度用来计算血量和血流，以检测血管受伤情况或者肿瘤对治疗的反应。

实验室也在马不停蹄地进行医学成像算法的研发。麻省理工学院(MIT)的电子研究实验室开发出了一种可将MRI扫描时间从45分钟削减到15分钟的算法。该算法采用来自首次扫描的图像来产生后续的图像。该算法的软件会查找各种扫描(比如被扫描的身体部分的基本解剖结构)所共有的特性，因此这种软件不会重复以前的完全相同的扫描，从而节省了时间。

在不同的场合下，软件可能会在医学成像领域发挥更大的作用。微软公司(Microsoft)指派了一个项目组研究无接触技术，以帮助外科医生更好地利用医学成像技术。该项目的目的是通过使用基于摄像机的手势识别技术，研究如何利用与外科设备的无接触式互动，从而在无需接触的情况下查看、控制和处理图像。

外科医生一般都会接触到键盘、鼠标和触摸屏表面等装置，这就需要他们对自己进行“重新消毒”，如果外科医生对其环境进行消毒的要求无法免除的话，这种技术就能大显身手。同时，外科医生将不必再依赖别人来处理图像。

借助更多切片获得更清晰图像

与大约十年前相比，CT和MRI扫描仪已经大幅增加了其“切片(slice)数”，从而能够获得更快更清晰的图像。“那个时候，四张切片就已经很了不起了。而现在，我们已经有了320张切片的扫描仪，从而大大提升了图像质量，切片数还在不断增加，”ADI公司的Scott Pavlik表示。

像ADI公司的ADAS1128电流至数字转换器这样的产品可以满足具有高切片数和更清晰图像的CT扫描仪的低功耗和低成本要求。这种产品对于医生来讲是无价之宝，有了它们，医生就可以迅速准确地诊断癌症、心血管疾病和肌骨失常等病症。

“这款24位数据采集芯片前所未有地实现了采样率从6ksamples/s到20ksamples/s的提升，它支持比其他产品更多的通道，与以前的设计相比，CT扫描仪电子器件的成本可以降低50%，”ADI公司医疗事业部总监Alain Guery介绍。

对于MRI成像，必须使用无磁性器件在有MRI扫描仪引起的强磁场的环境下获取高分辨率图像。TI公司在去年推出无磁性封装选择方案时在ADAS6253高分辨率ADC中就已经贯彻了这种思想。

这款四通道16位器件专为高端医学成像应用设计，其采样率为100Msamples/s，10MHz 时的SNR为84.6dB。该器件提供9mm×9mm方形扁平无引脚(QFN)封装，功耗为380mW/通道，非常适合用于微型成像系统。这款ADC可以在14位与16位分辨率模式之间切换。

正在流行的便携之风

一般来讲，将扫描技术带到病人身边是医学成像系统的使命，这样病人就不必为了使用这项技术而大费周折。由于半导体IC尺寸的不断缩小，提供的电子功能越来越强大，价格越来越低，这是一个符合逻辑，自然而然的趋势。

Sonosite公司用于内科医生诊室和病房简单手术的10-lb EDGE超声系统已将医疗扫描的便携技术向前推进了一步。该系统拥有12英寸的高分辨率LED显示屏、14个传感器和专有的算法，可用于各种检查和手术，包括病理学评估、血管穿刺、细针穿刺和注射，以及腹部、心脏、神经、妇产科、骨骼肌系统和血管的扫描。

InfraScan公司的Infrascanner 1000便携式扫描仪可以迅速扫描病人的颅内血肿脑损伤(图)。这款电池供电的手持式非侵入式装置已于去年12月经美国食品药品监督局(FDA)获准使用，它可以快速对病人进行扫描，并作为CT扫描的辅助设备。该装置可以对疑似脑血肿的病人进行分类，以便做进一步的CT扫描，并且可以对需要进行紧急神经外科手术干预的病人进行监护。

newmaker.com
InfraScan公司的Infrascanner 1000便携式扫描仪可以在急诊中迅速扫描病人的疑似颅内血肿脑损伤，可作为CT扫描仪的辅助设备。FDA已在去年12月核准使用该产品。

Infrascanner使用近红外(IR)技术根据左右脑的不同吸收来检测血肿。一般情况下，脑部的光吸引是对称的。如果某处的血管外有额外的血的话(这表明发生了脑损伤)，这里的局部血红蛋白浓度就更高，反射就相应地更小。这种差别可以通过将射线源和探测器放在两叶对称的头盖骨上检测到。

在未来，太赫兹射线(T射线)可能会在医学成像领域发挥更大的作用。这些系统可以发出太赫兹辐射，采用的是现在的全身安全扫描仪的技术。这些系统往往非常昂贵。此外，它们还释放低电量，需要较低的工作温度，并且能耗极高。

两家研究机构的合作开发有望改变这些要求。材料研究与工程研究所(IMRE，新加坡科技研究局(A*STAR)下属一个研究机构)与伦敦大学帝国学院的科学家们开发出了一种产生太赫兹波的新技术，这种波可以在室温下产生，并且更长，效率更高。

这些技术进展表明，使用T射线可以对癌肿瘤和活性DNA中的分子进行扫描和检测。这是因为每一个分子在太赫兹范围都具有独一无二的特征。此外，太赫兹成像比CT和MRI扫描和传统的X射线更加安全。

从医学界角度看成像

据世界卫生组织(WHO)报告，全球60岁或60岁以上的老年人人数将在2025年从2006年的6.5亿爆增到12亿。这些人当中的许多人都可能需要在医生诊室、自己家里或者当地诊所进行医疗保健，以避免医院的医疗保健成本节节攀升。远程放射学和远程医疗有望满足这一日益增长的需求，从而更好地提供医疗保健服务。

分子成像技术的不断改进与远程放射和远程医疗服务的日益流行，凸显了对更好地访问医疗记录(特别是图像记录)的需求。虽然2009年颁布的美国经济复苏与再投资法案(American Recovery and Reinvestment Act)拨出了190亿美元的资金，一定程度上推进了医疗记录(包括图像记录)的数字化进程，但是只有不到10%的美国医院采用了这种保存记录的方式，甚至采用的也只是最基本的形式。

许多美国的内科医生(特别是处于紧急医疗服务一线的急诊室医生)都在工作时间外提供远程放射服务。病人的扫描图像在工作时间之外传送给遍布全球其他国家或地区的专科放射学家。诊断结果再通过传真返回给发送者，从而提供迅速而极其精确的诊断。

目前正处于研究阶段的计算机辅助诊断有望更加高效地解读医疗图像。它采用不同的学习软件，将新的医疗图像与放射学家确认的有异常症状或病变的旧医疗图像进行对比。经证实，这种诊断方式在发现各种不同的癌症(比如乳房、肺部和黑素瘤以及垂直缝和颅内动脉瘤的癌症)中非常有用。

虽然医学界对美国远程放射服务的需求在日益增长，但目前的供应仍然短缺。这是因为很少有美国医院采用这种技术。远程医疗是另一个肯定会扩大并能够降低渐增的医疗成本的相关领域。它涉及医生与病人通过视频会议的互动，有时候还需要使用医学成像设备。

IEEE高级会员、华盛顿远程医疗和电子医疗法律中心的Yadin David博士强烈呼吁医疗保健提供者和技术应统一远程医疗网络和平台的最低系统性能标准，同时开发出界定这类技术的常用词汇。

“医疗保健提供者可以参考心脏泵或X射线机的技术说明，了解它是否满足为病人提供优质服务的要求，”他解释道。

“但是放射学家怎么才能轻松地判断视频设备的像素分辨率或压缩率是否能够让他们看得到精确的图像细节，以便更加精确地进行诊断呢？”他问道，“我们需要将技术标准转换到临床领域，从而使医疗保健提供者能够更加轻松地进行关联。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/20/2012)


您的位置：首页 > 木工/造纸/环保/医疗设备展区 > 医疗设备/医疗器械展厅 > 产品库 > CT机 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录