Una panoramica sul Medical Imaging

Sin da quando Wilhelm Röentgen realizzò la prima sfocata immagine ai raggi X nel 1895 della mano di sua moglie, gli scienziati sono andati alla ricerca di un modo migliore, e non invasivo, per scrutare all'interno del corpo umano. Questa ricerca ha ricevuto molta più attenzione negli ultimi anni poichè un'ondata invecchiata di baby boomer ha guardato alla tecnologia per ricevere avvertimenti immediati sui propri problemi fisici. Essi non saranno sicuramente soddisfatti di immagini radiografiche sfocate.

Introduzione

Con oltre 1.000 baby boomer che si aggirano attorno ai 65 anni ogni giorno, il mercato della diagnostica per immagini è in piena espansione. Secondo la società di ricerca Markets & Markets, il mercato della diagnostica per immagini dovrebbe aumentare a 26,6 miliardi di dollari entro il 2016, guidato dall'invecchiamento della popolazione e dagli avanzamenti tecnologici nel settore. Fortunatamente per gli esigenti boomer, esistono numerose tecnologie per sondare nel corpo umano, la più antica delle quali sono i venerabili raggi X. Tuttavia, quattro approcci più sofisticati per sbirciare nel corpo continuano la loro evoluzione nei tentativi di migliorare la precisione e di abbassare i costi: tomografia computerizzata (CT), tomografia di positroni (PET), risonanza magnetica (MRI) e ultrasuoni. Ognuna di queste tecnologie invia un segnale nel corpo per vedere come il corpo stesso reagisca ad esso e come tale reazione influenzi il segnale originale o un segnale di ritorno.

Tutte queste tecniche devono discriminare piccoli segnali importanti da una cacofonia di forte rumore presente nel front-end, che è principalmente di tipo analogico. Componenti di alta qualità a basso rumore e design sono fondamentali per estrarre questi piccoli segnali ed inviarli nel modo più preciso possibile nel dominio digitale per successive elaborazioni e visualizzazioni. Che sia dovuto alla portabilità, o semplicemente a ridurne l'ingombro, i progettisti richiedono componenti più piccoli e con più bassi consumi di potenza. La diagnostica per immagini è uno dei campi più esigenti - e quindi interessanti e gratificanti - nel design elettronico. Daremo un breve sguardo ad ognuno dei quattro casi, analizzando le esigenze dei sottosistemi front-end analogici.

Tomografia computerizzata

Un'immagine radiografica bidimensionale non dice molto, ma la tomografia computerizzata ne prende molte e le mette insieme grazie ad un computer per generare un'immagine 3D ad alta risoluzione. La CT è una delle due tecnologie che utilizzano radiazioni ionizzanti per creare un'immagine di ciò che accade all'interno del corpo. Se volessimo semplificare, una scansione CT è una sezione del corpo ai raggi X . Le sezioni vengono ripetute lungo l'area di interesse, anche se per motivi di prestazione, più trasmettitori/ricevitori di sezioni sono tipicamente raggruppati uno accanto all'altro. Il corpo può anche essere spostato durante l'esposizione per creare un'immagine "a spirale" che può essere srotolata in sezioni o in una vista 3D (vedere Figura 1).

Figura 1: scansione CT di un cervello umano

I raggi x attraversano il corpo e colpiscono uno scintillatore a cristallo che assorbe i fotoni dei raggi x e ri-emette i fotoni nello spettro della luce visibile che vengono catturati da un array di fotodiodi creando un segnale elettrico. La corrente nel diodo è proporzionale alla luce interferente e tale corrente viene integrata o convertita in una tensione grazie ad un amplificatore a transimpedenza (TIA). Questi segnali vengono sottoposti a multiplazione tramite FET verso convertitori analogico-digitali (ADC), dopo di che il segnale viene inviato per essere elaborato e visualizzato (vedi figura 2). Se gli ADC sono abbastanza veloci, possono elaborare più segnali nell'intervallo tra le esposizioni (nell'ordine di centinaia di microsecondi o superiore), il che significa che si possono effettuare più multiplazioni e utilizzare meno convertitori, contribuendo a contenere le dimensioni e i consumi. I convertitori devono anche essere in grado di gestire l'elevata gamma dinamica tipica del segnale rilevato. Tra gli ADC che Maxim raccomanda ci sono i MAX11047/8/9 (16 bit) e MAX11057/8/9 (14 bit), con 4, 6 o 8 canali indipendenti ciascuno. Essi possono operare fino a 250 ksps.

Figura 2: un tipico front-end per CT

La tomografia computerizzata, come la radiografia convenzionale, si basa su radiazioni ionizzanti, che possono causare danni genetici. Di conseguenza, l'U.S. Food and Drug Administration (FDA) applica una serie di norme sulla salute radiologica (Titolo 21 CFR Subchapter J) che specificano i limiti di esposizione. Di conseguenza, i progettisti del dispositivo sono concentrati su componenti più veloci e più silenziosi per una migliore elaborazione del segnale.

Tomografia di positroni

Le scansioni di tomografia a emissione di positroni (PET) implicano anche radiazioni ionizzanti, solo che questa volta si tratta di raggi gamma che brillano dall'interno emessi da un tracciante radioattivo che si accumula in un'area di interesse. Il materiale emette positroni che incontrano gli elettroni vicini, rilasciando cosi una esplosione di radiazioni gamma. Due fotoni ad alta energia vengono rilasciati approssimativamente in direzioni opposte l'uno dall'altro. Il trucco è quello di identificare questi ingressi gamma specifici da altri rumori gamma. Quindi per ogni impulso gamma si deve analizzare se un impulso corrispondente si è verificato contemporaneamente sul lato opposto. Tutto ciò richiede precisione in fatto di sensibilità e tempistica degli strumenti.

Un rivelatore circolare contiene scintillatori che alimentano i tubi fotomoltiplicatori (PMT). Ogni PMT sarà in genere alimentato da più di uno scintillatore (vedi Figura 3). Poiché i PMT non saranno esattamente accordati, sarà necessario un amplificatore a guadagno variabile (VGA) per regolare il segnale da ciascuno di essi. Ogni VGA richiede un DAC per convertire il segnale di controllo digitale nella tensione appropriata. Il segnale viene quindi fatto passare in un filtro passa-basso prima di essere digitalizzato da un ADC a 10-12 bit con  campionamento da 50 a 100 Msps (vedi Figura 4). L'intera catena deve essere altamente precisa e a basso rumore, mantenendo la potenza sotto controllo e componenti piccoli e compatti. Analog Devices consiglia la loro VGA AD8332 come un'opzione per la riduzione dei segnali PMT prima di inviarli attraverso il filtro verso un ADC AD9230 a 12 bit, che può campionare fino a 250 Msps.

Figura 3: blocchi e anello di un rilevatore a scansione PET

La tempistica è fondamentale. Ogni segnale ottiene un marchio temporale e vengono confrontati i marchi per vedere se due eventi opposti coincidono. Sui sistemi più recenti, il marchio è abbastanza accurato da individuare la fonte dell'evento. Maxim ha un numero di comparatori che possono servire a ciò, incluso il MAX9601; il loro DAC a 16 bit MAX5661 può essere utilizzato per impostare il riferimento per il comparatore.

Figura 4: diagramma a blocchi di un sistema PET

Risonanza Magnetica

La risonanza magnetica (MRI) è un modo completamente diverso di osservare le parti interne del corpo. Si basa sul modo in cui i nuclei di idrogeno rispondono ai campi magnetici. La funzionalità MRI (fMRI) è una versione specializzata usata nel cervello, che traccia l'ossigeno invece di esaminare il flusso sanguigno in base ai livelli di ossigenazione. Questo processo funziona mettendo il corpo in un forte campo magnetico statico in modo che tutti i nuclei siano orientati nella stessa direzione. Viene quindi creato un campo variabile per disturbare gli atomi localmente; questo li riorienta dalla loro posizione iniziale. Quando il campo variabile viene rimosso, la cella torna alla posizione statica. Cellule differenti si riposizionano a velocità differenti, che vanno da decine di millisecondi a più di un secondo, e i segnali di decadimento che vengono emessi mentre le cellule si riposizionano - nell'intervallo da 1 a 300 MHz - creano l'immagine (vedere la Figura 5). Sono queste differenze nel tempo di rilassamento che permettono al sistema di discriminare diversi tipi di tessuti.

Figura 5: immagine MRI del cervello

Un magnete superconduttore, avvolto da bobine di shimming, stabilisce il campo statico. La localizzazione viene gestita tramite bobine di gradiente che stabiliscono campi nelle direzioni x, y e z che variano in base alla posizione (si veda la Figura 6). Le bobine per stimolare i nuclei vengono anche utilizzate come (o collocate insieme con) le bobine che rilevano la risposta. Tradizionalmente, l'eccitazione si verifica a frequenze superiori a quelle che possono essere gestite nel front-end, cosi il segnale trasmesso viene sollevato in frequenza per le bobine e il segnale ricevuto viene abbassato per l'elaborazione. Con il miglioramento delle prestazioni dei componenti, l'elaborazione sarà possibile alla frequenza di lavoro senza effettuare conversioni. La Figura 7 mostra lo schema a blocchi di un sistema MRI.

Figura 6: Trasmettitore, ricevitore e spire MRI

Ci sono due modi per ottenere un miglior rapporto segnale/rumore (SNR) con una MRI che si applica a qualsiasi percorso del segnale: aumentare la forza del trasmettitore (magneti) o aumentare l'SNR sull'estremità di ricezione. La forza del campo per una tipica MRI clinica è di 1,5 tesla. I nuovi "3T MRIs" possono ottenere 3 tesla, ma sono piuttosto rumorosi e, soprattutto, piuttosto costosi. È più conveniente concentrarsi sulla migliore elaborazione del segnale sul lato ricevente.

Figura 7: un diagramma a blocchi raffigurante un MRI

Per trasmettere il segnale, Analog Devices consiglia la nuova AD9726, un RF-transmit DAC a 16 bit, operante a 400 Msps. Potreste pensare che la potenza non rappresenti un problema a causa di tutti i magneti ad alta corrente presenti, ma lo è, nello specifico molta potenza viene bruciata cosi i progettisti vorrebbero ridurla altrove. Comunque è improbabile che gli MRIs diventino piccoli o a basso consumo di potenza nel breve termine.

Amplificatori a basso rumore sono necessari per potenziare il segnale ricevuto prima della conversione in bassa frequenza; Texas Instruments (TI) include il THS9001 nelle sue raccomandazioni per questa operazione. Il campionamento può allora avvenire utilizzando un ADC come il loro ADS4149 a 14 bit, con cadenza fino a 250 Msps. Front-end analogici a basso rumore e ADC veloci contribuiscono direttamente alla risoluzione delle immagini MRI.

Ultrasuoni

Gli ultrasuoni sono effettivamente un sistema sonar ad alta frequenza, che misura i minuscoli echi delle onde sonore che passano attraverso il corpo. Le immagini ad ultrasuoni (vedi Figura 8) assomigliano ai raggi x, eccetto per il fatto che esse vengono visualizzate in tempo reale.

Figura 8: immagine 2D a ultrasuoni usando implusi a 85dB

Il compito di misurare e discriminare con precisione gli echi a ultrasuoni è difficile perché è spesso la seconda armonica ad essere rilevata piuttosto che la fondamentale. Ciò può essere fatto sopprimendo la seconda armonica nel segnale di trasmissione in modo che solo i segnali di ritorno abbiano quella frequenza; questo richiede un treno di impulsi con un duty-cycle al 50% quasi perfetto. In alternativa, versioni positive e invertite del segnale possono essere generate in modo da annullarsi a vicenda per rivelare le armoniche sottostanti. Affinché questo possa funzionare, i tempi di salita e discesa dei generatori di impulsi devono corrispondere il più possibile in modo che i loro spettri si annullino. Questi requisiti portano severe restrizioni ai generatori di impulsi ad alta tensione. La Figura 9 mostra un tipico sistema ad ultrasuoni.

Figura 9: schema a blocchi di un sistema a ultrasuoni

L'elaborazione Doppler utilizzata per rilevare il movimento rende ancora più complesso il design. L'intero concetto si basa sull'inviare dal lato del ricetrasmettitore un segnale ad alta potenza e nel raccogliere dal lato del ricevitore una debole risposta. Infatti, il lato ricevente deve essere bloccato usando uno switch di trasmissione/ricezione (T/R) quando trasmette in modo da non essere sopraffatto - ma deve essere quindi riacceso in tempo per recuperare il ritorno. I requisiti di costi, potenza e dimensione, in particolare per le unità portatili, hanno determinato una maggiore integrazione. Ad esempio, LM96570 di TI è un beamformer integrato a otto canali, mentre LM96511 integra l'ingresso LNA, VGA e un ΔΣ ADC a tempo continuo a 12 bit in un unico front-end analogico di ricezione (AFE). LM96530 è uno switch integrato T/R. Maxim, nel frattempo, fornisce il MAX2079, un front-end a otto canali integrato con un beamformer doppler a onda continua (CW). Il MAX4940 è un generatore di impulsi ad alta tensione e il MAX4936 è il loro switch T/R.

Conclusioni

Ci sono numerose tecnologie su cui si punta molto per fornire immagini diagnostiche più precise e a costi inferiori. Per i sistemi che possono essere resi portatili - e anche per grandi macchine come la MRI con elevate tensioni e correnti - i consumi di potenza ridotti sono una necessità. Inoltre, il rumore deve essere reiettato - soprattutto in sistemi come gli ultrasuoni e l'MRI, che per loro stessa natura generano tanto rumore. La diagnostica per immagini è un'area emozionante che sta crescendo rapidamente, grazie a molti ingegneri intelligenti che cercano di stare al passo con l'esplosione del mercato dei baby boomer. Rimanete sintonizzati per ulteriori interessanti sviluppi.

A cura di Bryon Moyer, Mouser Electronics

 

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 26 giugno 2017

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