學術研究 • ACADEMIC RESEARCH 52 澳大新語 • 2024 UMAGAZINE 30 MRI技術的小型化革新 傳統的MRI儀器採用超導磁體和離散電子元件，體積龐 大、成本高昂，用途因而受限。隨著NMR/MRI系統的 小型化，這些困難正被逐漸克服。這些新的小型MRI系 統大多採用由CMOS技術製成的專用集成電路（英文 簡稱ASIC）和成本較低的永久磁鐵。我們的研究團隊 在初期主要關注NMR光譜和弛豫測量設備的小型化， 致力實現核磁共振系統的芯片化（即建立「芯片上的 NMR」）。2023年，我們推出了首個三維「芯片上的 NMR」平台，展示了一款小型化MRI掃描器。 創建小型化多核NMR/MRI平台 過去十多年來，澳大模擬與混合信號超大規模集成電路 國家重點實驗室的研究團隊致力推動NMR/MRI系統的 小型化，研發了多代系統，各有特色。最新版本是我 們的首個小型化多核NMR/MRI平台，採用定製的硅芯 片，專供追蹤氟-19的體外MRI使用。 這個平台的掃描器配備一個強度為0.52特斯拉的永磁體 和高度集成的高壓絕緣硅專用集成電路，設計緊湊小 巧，在尺寸、重量、成像區域、圖像解析度和信噪比等 均有優化。 這款小型化NMR/MRI系統的核心是一個專門設計的 CMOS ASIC芯片。芯片核心區域僅4.1平方毫米，使小 型化的多核NMR/MRI平台更易攜、更靈敏，其組件包 括：一）任意脈衝序列合成器（配備32kb內存和指導 各模塊操作的狀態協調器）；二）高壓發射器（向線圈 發送射頻信號，從而激發觀察樣本中的原子核）；三） 低噪聲接收器（捕捉和處理原子核旋進信號）；四）高 壓容忍開關（保護接收器免受發射器的高電壓信號的影 響）；五）3D梯度控制器（由三組12位數字模擬轉換 器所組成，用於編程所需的梯度，藉此作空間編碼）。 突破技術界限 這個小型化多核NMR/MRI平台採用了複合射頻脈衝。 這種脈衝是經過精確調整的相位和強度的射頻信號組 合，能夠最大程度地減少由原子核頻率不準確（即 「離共振效應」）所引發的問題。這對多核NMR/MRI 來說極為重要。此外，它能同時解決靜態和射頻磁場 強度不均而導致成像質量下降的問題。這種複合脈衝 需要小於1度的高精度相位分辨率，而多數已知的緊湊 型NMR/MRI系統無法達到這個要求。因此，我們通過 集成基於相位插值雙DLL架構的多相生成器，使NMR 光譜的精確度提高了28%，顯著增強這個低場NMR平 台的性能和成像質量。 此舉不僅革新了複合射頻脈衝的生成方式，還改進了 功率傳輸機制。該系統使用配備高壓溝道金屬氧化 物半導體場效應管陣列的D類功率放大器，能提供大 範圍MRI掃描所需的高功率容量（100Ω負載下輸出 20.5W）。此外，系統中的高壓容忍開關在激發樣品 中的原子核時發揮了關鍵作用，保護接收器免受高壓 影響，並減少接收過程中的噪聲，確保信號質量和系 統性能。 在醫療領域，追蹤氟-19是多核MRI的重要用途。為了 驗證這個新系統的效能，我們採用全氟化碳作為造影 劑，將它注入已取出體外的豬肉樣本，以MRI掃描來生 成顯示組織結構（包括肌肉和脂肪）的氫-1分佈圖像， 同時顯示全氟化碳精確位置的氟-19分佈圖像。我們發 現，結合這兩種圖像能讓我們精確追蹤和分析樣本內部 的特定化學物質。這項技術在小型化多核NMR/MRI系 統中得以應用，無疑是我們研發工作上的一個里程碑。 推動個性化醫療 我們相信，這款設計緊湊的小型化多核NMR/MRI系統 有助推動個性化醫療技術進步。它能深入從分子層面 分析身體組織，有潛力帶動早期疾病檢測、治療策略 和疾病管理等方面的革新。隨著我們的團隊在CMOS 集成電路技術上不斷取得進展，這些複雜的成像技術 可望將來成為常規的醫療工具，賦予醫療人員前所未 有的精準診斷能力。 用於小型化多核NMR/MRI平台的定製芯片 The customised integrated circuit for the miniaturised multi-nuclei NMR/MRI platform
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