核磁共振（英文簡稱NMR）技術讓我們毋須侵入人體便可探究體內分子的結構和動態，廣泛用於化學、物理及生物學研究，其中一大用途就是核磁共振成像（英文簡稱MRI）。MRI作為現代醫學的利器，大大提升了醫生觀察病變的能力。我們在澳門大學微電子研究院的研究團隊近期開發出一款基於互補式金屬氧化物半導體（英文簡稱CMOS）技術的小型化核磁共振成像掃描器，期望改進個性化醫療技術。

運用多核MRI技術

隨著多核MRI技術出現，人們得以利用各種原子核進行醫學成像，例如氫-1（1H）和氟-19（19F），增強診斷和治療監測的效果。由於氫-1廣泛存在於生物組織內，它在MRI進行時能清晰顯示人體的解剖結構。不過，同樣因為氫-1廣泛存在，它在用於追蹤體內的特定物質時效果有限。相比之下，氟-19在生物組織內極為罕見，因此我們可以使用含氟-19的全氟化碳納米粒子作為標記物，更精準地通過追蹤靶向藥物等特定物質來評估病情和療效。

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。

作者：

范姝豪在2024年獲澳門大學博士學位，2016年獲東北林業大學學士學位、2017年獲香港科技大學碩士學位，曾在2024年於哈佛大學當訪問生，研究重點是便攜式NMR/MRI平台與定製集成電路，成果曾在IEEE國際固態電路會議、《IEEE固態電路期刊》、《IEEE電路與系統期刊-I》和國際微全分析系統會議等會議和期刊上發表。

李家明於2019年起在澳門大學微電子研究院擔任助理教授，分別於2012年和2016年澳門大學獲學士學位和博士學位，研究興趣包括精密模擬集成電路、傳感器與模擬前端接口，以及高解析度的便攜式NMR/MRI平台。

文、圖 / 范姝豪、李家明
中文翻譯 / 葉浩男

來源：《澳大新語》第30期