專訪澳大李家明：開發首個用于「微型多核核磁共振成像」定制芯片，降低檢測成本及時間

作為信息時代的基石，集成電路正以前所未有的速度改變人類生活。從電腦，到手機，再到大數據、物聯網、人工智能等一系列科技突破背后都離不開集成電路的加持。

以物聯網（IoT）為例，其通過連接多種電子設備，以及家電、車輛等實現數據收集與交換，提升生活便利性，在這一過程中，集成電路發揮著至關重要的作用，物聯網興起為集成電路發展開辟了新的應用場景。

集成度更高、功耗更低、性能更強的芯片是未來主流發展方向，然而，隨著摩爾定律逐漸接近物理極限，如何進一步提升集成電路的性能是擺在科學家面前的一道難題。

圍繞集成電路開發，近期「問芯」采訪了澳門大學微電子研究院李家明教授，訪談中他圍繞精密模擬集成電路設計，以及用于跨學科領域集成電路和系統研制方面的最新進展進行了分享與解讀。

圖｜澳門大學微電子研究院助理教授李家明博士（來源：受訪者）

李家明于 2012 年在澳門大學獲得電機及電子工程學士學位，同時他也是澳大榮譽學院的首屆畢業生，期間曾在美國羅徹斯特大學留學。本科畢業后被澳門大學錄取為博士研究生，研究方向主要圍繞用于定點診斷的 CMOS 核磁共振系統。博士畢業后，李家明獲聘為澳門大學濠江學者，三年任期期間曾赴哈佛大學從事博士后研究。從 2019 年起，他開始擔任澳門大學微電子研究院助理教授、博士生導師。

開發高速平行核磁共振技術降低檢測成本和時間

現階段，李家明和團隊的研究方向分別圍繞精密模擬集成電路設計，以及應用于跨學科研究的集成電路和系統研制。

其中一個研究課題是開發精密模擬基準 CMOS 集成電路，側重于物聯網設備的應用場景。“電壓 / 電流基準、振蕩器以及溫度傳感器等模擬基準電路，對于確保電子系統在各種電路（比如模數轉換、傳感器接口、功率管理和信號調節電路等）運行的準確性、穩定性和可靠性至關重要。尤其是在物聯網電子應用場景，其對電路體積、電壓空間和功耗均有嚴格要求，而這給模擬精密基準的設計帶來了額外的挑戰和機遇?！彼赋觥?/p>

除此之外，將定制集成電路應用于跨學科領域也是他和團隊現階段的研究方向，圍繞這一方向現階段的一個課題是開發基于定制集成電路的微型核磁共振（NMR）/ 核磁共振成像（MRI）系統。

作為一種用于診斷和治療的關鍵技術，核磁共振成像儀是現代化醫院必備的診療設備，可用于診斷前交叉韌帶撕裂、炎癥，以及腫瘤等?！叭欢?，傳統商用核磁共振成像儀體積龐大而且昂貴，限制了它們的安裝數量及使用場合。因此，我們著手研發基于定制集成電路的核磁共振成像系統，其基于永久磁鐵產生用于磁化原子核的磁場，能夠讓儀器設備的體積大幅減小、價格大幅降低?！崩罴颐鞅硎?。

“除此之外，定制的集成電路可改良電路性能及令系統功能更為完善，還可有效擴展其應用場景。”他補充說。

圖｜用于定點診斷的 CMOS 核磁共振系統（來源：澳門大學官網）

據介紹，他在哈佛大學從事博士后研究期間專注于開發高速平行核磁共振技術，通過增加可進行核磁共振實驗的位置及空間來加速采集數據的速度，進而減少實驗所需時間。

在這項研究中，他們通過并行化多個樣品的分析，使微型核磁共振儀實驗通量提高了 2-4 倍。這種并行化的方法通過兩種方式實現：一種是利用時間交錯的方法，在同一硅芯片上連接多個 NMR 線圈，并對多個樣品進行掃描；另一種是采用磁共振成像技術，同時測量多個樣品的松弛時間，不僅可以用于高分辨率的一維和二維光譜學，還可以用于多維弛豫成像。

這種微型核磁共振儀采用永久磁體和硅電子芯片相結合，能夠在不使用超導磁體的情況下實現高分辨率的多維核磁共振分析，具有高效、輕便、低功耗等特點，大幅提升核磁共振實驗的操作效率，可廣泛應用到生物檢測領域，比如血液、蛋白質的分析檢測等，并能大幅降低傳統生物檢測所需的成本和時間。目前，相關研究成果已經發表在 ACS Analytical Chemistry 上。

（來源：ACS Analytical Chemistry）

“市面上很多檢測方法大都需要借助大型儀器，并且涉及到大量人力和時間。我們開發的新型核磁共振技術大幅減小儀器的體積，同時也降低成本。未來隨著技術普及，無需在大型醫院，即使是較偏遠或落后地區的小型診所也能負擔得起，造福更多患者。”他說道。

圍繞核磁共振成像系統，李家明和團隊開發了首個可用于微型多核核磁共振成像的定制芯片?！霸诙嗪撕舜殴舱竦膽弥?，對需要發送至原子的操控信號有更高要求，比如射頻信號的相位要達至 1° 的精度之下。基于此，我們開發出了可達 0.7° 相位精度要求的信號發射器芯片，以適應微型多核核磁共振成像的應用?！彼榻B說。

目前，相關研究成果已發表在 ISSCC 2024 上。ISSCC（International Solid-State Circuits Conference，國際固態電路會議）是學術界和工業界公認的全球集成電路設計領域最高級別會議，被稱為集成電路設計領域的“奧林匹克大會”。

已聯合企業進行技術轉化

圍繞集成電路設計，李家明表達了自己的一些理解和看法?！半娮觾x器可以說是現代社會不可或缺的資源，而集成電路則是所有電子儀器的核心，所以，集成電路行業的需求會持續增長。”他說道。

“其中，行業未來發展的一個趨勢是自動化，工程師只需輸入特定的指令及條件，程序便會設計電路及進行初步布局，節省設計的時間。而作為學生，則需要對電路有更深刻的認識，以及了解不同電路的特性，如此才可以評價該在哪些情形使用特定架構的電路?！彼a充說。

關于技術產業轉化方面，李家明團隊現階段正專注于“快速啟動晶體振動器”的設計與開發。

“傳統電子產品不需經常開機和關機，所以對電路啟動時間要求相對寬松。相較之下，物聯網電子的核心電路會周期性工作以降低整體功耗，所以對電路啟動時間及消耗能源要求較為苛刻?！彼榻B道，“我們目前正在與企業合作開發可降低晶體振動器啟動時間的技術，以提升其性能。”

圖｜李家明和團隊發表在 ISSCC 2023 的一款快速啟動晶體振動器（來源：受訪者）

訪談最后，李家明結合自身成長經歷介紹了澳門大學在培養集成電路領域人才方面的一些特點。

“我早在中學時期開始對電子電路產生了興趣，所以選擇了電機及電子工程。而在讀本科時，有幸參與到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，意識到微電子電路在跨學科應用及研究上的發展空間及機會，所以便選擇了集成電路方向作為日后的研究主題?！崩罴颐鹘榻B說，“與此同時，本科求學階段我認識了啟蒙老師、微電子領域專家麥沛然教授，他是我的良師益友，一直引導著我的成長?！?/p>

“在微電子集成電路領域，芯片設計最重要的驗證步驟是流片，把在電子程序里設計的電路轉化成實際的芯片，這樣才可以測試設計理念是否可行以及被領域的專家認可。然而，每次制造芯片的費用動輒數萬甚至數十萬元。”他指出。

“在這個方面，澳大的研究資源較為充裕，相對有更多流片的機會給到學生，此外，澳大也注重理論與實踐結合的教學模式，鼓勵學生參與科研項目以培養創新能力，實驗室會給予學生更大的研究自由度，這有助于把一些前瞻的研究主題或理念實現落地應用?！彼偨Y道。

參考資料：

1.https://ime.um.edu.mo/zh-hans/people-zh-hans/ka-meng-lei/

2.https://www.um.edu.mo/zh-hant/news-and-press-releases/campus-news/detail/42286/

3.https://ieeexplore.ieee.org/author/37078239100

4.https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10454322