醫(yī)學(xué)成像，特別是超聲，正在經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)變。除了基于推車的高性能超聲系統(tǒng)外，現(xiàn)在還可以使用手持設(shè)備來完成高質(zhì)量的超聲成像。由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，超聲智能探頭變得更小、更便攜，可以在醫(yī)療辦公室和醫(yī)院之外獲得醫(yī)療保健服務(wù)。

超聲智能探頭本質(zhì)上是一種便攜式超聲，它集成了整個(gè)前端和幾乎所有后端硬件。隨著功耗和尺寸的降低，智能探頭可以處理數(shù)據(jù)，同時(shí)保持信號(hào)質(zhì)量，并使用高速 USB 或無線連接在移動(dòng)設(shè)備上顯示圖像。

大多數(shù)醫(yī)生會(huì)在口袋里攜帶一個(gè)類似于聽診器的智能探頭單元的這一天即將到來，他們不僅可以聽到，還可以看到身體內(nèi)部——可能會(huì)在全球范圍內(nèi)形成數(shù)百萬個(gè)單位的市場未來十年，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)超聲系統(tǒng)。但將系統(tǒng)縮小為手持設(shè)備并非易事，并帶來許多挑戰(zhàn)。

以下是智能探頭設(shè)計(jì)人員面臨的一些最重大挑戰(zhàn)。

為設(shè)備供電

以極低的噪聲為智能探頭供電并確保電源本身不消耗高功率是兩個(gè)棘手的挑戰(zhàn)。智能探頭電源的設(shè)計(jì)人員必須在非常小的面積和高度內(nèi)工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率超過 90%，并且在空閑時(shí)消耗低功耗，最重要的是低噪聲。大多數(shù)制造商需要將其電源切換到 1 MHz 以下并與外部時(shí)鐘同步，以最大限度地減少 2-20 MHz 超聲工作頻率范圍內(nèi)的諧波干擾。規(guī)模與效率的權(quán)衡是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

尺寸

20 年前，一個(gè) 64 通道的超聲系統(tǒng)由多個(gè) A4 大小的板組成，每個(gè)板用于發(fā)送、接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、波束形成和處理，這些板連接到背板并連接到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)。如今，一個(gè)完整的 64 通道智能探頭前端板需要小于信用卡的尺寸 (85 × 54 mm)。然而，即使在技術(shù)和高度集成方面取得了所有進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)這種小型化水平仍然是不小的壯舉。

頻道數(shù)

同時(shí)處理更多數(shù)量的通道會(huì)帶來更好的圖像質(zhì)量。如今，大多數(shù)基于推車的掃描儀都有 128 個(gè)或更多通道。最初的智能探頭在探頭內(nèi)部集成了 8 個(gè)或 16 個(gè)通道。這些通道必須連接到更大的系統(tǒng)進(jìn)行處理。

目前，制造商正試圖將多達(dá) 64 或 128 個(gè)通道集成到探頭中。為了實(shí)現(xiàn)這樣的通道密度，他們現(xiàn)在可以利用新的商用現(xiàn)成設(shè)備，例如德州儀器 (TI) 的高度集成前端設(shè)備。

例如，32 通道發(fā)送模擬前端 TX7332 和 32 通道接收模擬前端 AFE5832LP 使設(shè)計(jì)人員能夠僅使用兩個(gè)器件來容納 64 個(gè)通道。此類設(shè)備為換能器提供能量以產(chǎn)生超聲脈沖、處理接收到的回波并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以生成圖像。

這些前端仍然需要額外的設(shè)備，如處理器或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 來控制它們并處理生成的數(shù)據(jù)。挑戰(zhàn)在于盡可能多地封裝這些設(shè)備，以通過在相同功率預(yù)算內(nèi)增加通道數(shù)來提高圖像質(zhì)量。

每通道功率

一個(gè) 128 通道的基于推車的超聲掃描儀消耗大約 500 W 到 1 kW 的總功率。手持式智能探頭的功率預(yù)算僅為 3-5 W，因此對于醫(yī)生來說握持或患者感覺都不會(huì)太熱，并且它可能會(huì)使用電池進(jìn)行操作。這種低功率意味著沒有空間安裝風(fēng)扇等冷卻機(jī)制，這可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)并導(dǎo)致圖像模糊。設(shè)計(jì)人員必須采用各種機(jī)制來確保探頭保持在其功率預(yù)算范圍內(nèi)，從在某些設(shè)備空閑時(shí)將其置于睡眠狀態(tài)到在設(shè)備不使用時(shí)將其完全斷電。快速開啟/關(guān)閉對于幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)非常重要。

圖 1：半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步極大地緩解了超聲波尺寸和功率限制。

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理受多種因素影響，包括通道數(shù)量、預(yù)期功耗和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。在 40 MHz 的 64 通道系統(tǒng)采樣中，前端每秒生成 5.12 GB 的海量數(shù)據(jù)，無法直接傳輸?shù)狡桨?a target="_blank">電腦或移動(dòng)設(shè)備。即使這些數(shù)據(jù)是通過某種方式傳輸?shù)模O(shè)備也無法實(shí)時(shí)處理它。因此，這些數(shù)據(jù)在發(fā)送到顯示單元之前必須經(jīng)過預(yù)處理并轉(zhuǎn)換為可管理的大小。處理量基于顯示單元的功率、帶寬和處理能力之間的權(quán)衡。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員使用超低功耗 FPGA 和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制前端。

數(shù)據(jù)傳輸

對于有線探頭，在為顯示單元提供必要的電源和高數(shù)據(jù)傳輸帶寬時(shí)，使用 USB Type-C 的 USB 3.1 和更高版本的接口可能是一個(gè)優(yōu)勢。但對于真正的移動(dòng)智能探頭，數(shù)據(jù)必須以無線方式傳輸。市面上有多種無線通信協(xié)議，如 Wi-Fi（802.11n、802.11ac、802.11ad 或 802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)）；但是，當(dāng)多個(gè)設(shè)備使用同一頻段時(shí)，這些可能會(huì)受到其帶寬干擾的限制。存在其他標(biāo)準(zhǔn)，如 802.11ah（低于 1 GHz），但帶寬有限。

數(shù)據(jù)解讀

最大的智能探頭挑戰(zhàn)是能夠快速有效地分析大量數(shù)據(jù)。今天，準(zhǔn)確的解釋需要許多醫(yī)生來分析數(shù)據(jù)，并且有很大的能力和時(shí)間限制。通過高速連接，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程位置的服務(wù)器以進(jìn)行快速分析。隨著大數(shù)據(jù)分析和人工智能的興起，圖像比對和解釋可以實(shí)時(shí)在線進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)診斷。

結(jié)論

醫(yī)學(xué)成像的下一波浪潮正在以非常小的尺寸出現(xiàn)。隨著超聲智能探頭的設(shè)計(jì)人員解決了挑戰(zhàn)，并以更低和更實(shí)惠的價(jià)格將更好的設(shè)備推向市場——尺寸更小但仍具有連接性——醫(yī)學(xué)界將見證智能探頭的迅速采用。從發(fā)達(dá)國家的醫(yī)院到發(fā)展中國家的遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，再到在戰(zhàn)場上診斷受傷士兵，超聲智能探頭的快速發(fā)展正在改變格局并幫助提供更好的護(hù)理。

審核編輯：湯梓紅