從推車式到便攜式：超聲智能探針可以改變醫(yī)療服務(wù)

醫(yī)學(xué)成像，特別是超聲成像技術(shù)，正處于變革之中。過去，醫(yī)療人員使用推車式的高性能超聲波系統(tǒng)為病人診斷，而現(xiàn)在他們可以使用手持設(shè)備來實現(xiàn)超聲波成像。得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，超聲智能探針的尺寸越來越小且變得便攜，人們在辦公室和醫(yī)院之外就能夠獲得醫(yī)療保健。

超聲智能探針實質(zhì)上是一種便攜式超聲波，整個前端和幾乎所有后端硬件都集成其中。智能探針的功耗較低，尺寸也小，能夠在保持信號質(zhì)量的同時處理數(shù)據(jù)，并且可以使用高速USB或無線連接在移動設(shè)備上顯示圖像。

在不遠(yuǎn)的將來，絕大多數(shù)醫(yī)生就能將智能探針裝進(jìn)口袋里。未來十年內(nèi)全球市場上出現(xiàn)幾百萬個這樣的探針，其作用將與標(biāo)準(zhǔn)超聲系統(tǒng)相輔相成。然而，將超聲系統(tǒng)縮至手持設(shè)備的大小絕非易事，我們面臨著諸多挑戰(zhàn)。下面我們列舉了智能探針設(shè)計人員所面臨的七大挑戰(zhàn)。

供電

智能探針電源本身功耗較低，要為智能探針供電的同時，使噪音保持在極低的水平，是設(shè)計人員面臨的兩大棘手挑戰(zhàn)。智能探針電源的設(shè)計人員必須在很小的體積內(nèi)進(jìn)行工作，他們不僅要使電源效率達(dá)到90%以上，且要讓設(shè)備在待機(jī)時保持低功耗，最重要的是讓其保持低噪音。大多數(shù)制造商需要將其電源切換至500 kHz以下，并且和外部時鐘保持同步，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。尺寸和效率之間的權(quán)衡是一個巨大的挑戰(zhàn)。

尺寸

20年前，64通道的超聲系統(tǒng)由多個A4大小的板組成，用于傳輸、接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、波束形成和處理，其與底板相接并可連接到標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)上。如今，一塊完整的64通道智能探針的前端板必須要比信用卡還?。?5 mm x 54 mm），但即使在技術(shù)進(jìn)步和高度集成的今日，要實現(xiàn)這一目標(biāo)仍然任重道遠(yuǎn)。

通道數(shù)量

同時處理更多的通道可以提高畫面質(zhì)量。絕大多數(shù)推車式掃描儀具有128個或更多通道。最初的探針在內(nèi)部集成了8到16個通道。這些通道必須連接到一個更大的系統(tǒng)進(jìn)行處理。

目前，制造商們正試圖將多達(dá)64或128個通道集成到探針中。為了實現(xiàn)這樣的通道密度，他們現(xiàn)在可以利用新型的商業(yè)化設(shè)備，如德州儀器（TI）的高度集成的前端設(shè)備。采用TX7332 32通道傳輸模擬前端和AFE5832LP 32通道接收模擬前端，設(shè)計人員就能只使用兩個設(shè)備而放置64個通道。像這樣的設(shè)備可以給傳感器通電以產(chǎn)生超聲波脈沖，處理接收到的回聲，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以生成圖像。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)。這里的挑戰(zhàn)在于盡可能多地將這些設(shè)備裝入，以通過在相同的功耗預(yù)算內(nèi)增加通道數(shù)來提高畫面質(zhì)量。

每個通道的功耗

一臺推車式128通道超聲掃描儀的功耗約為500W到1kW。手持智能探針的功耗預(yù)算僅為3-5W，這樣醫(yī)生或患者就不會感到設(shè)備過熱，此外設(shè)備可能僅需電池供電即可運行。這種低功率意味著不需要像風(fēng)扇這樣的冷卻機(jī)制，因為風(fēng)扇會使設(shè)備振動，進(jìn)而導(dǎo)致畫面模糊。設(shè)計人員必須結(jié)合各種機(jī)制，以確保探針保持在其功率預(yù)算范圍內(nèi)，包括讓某些設(shè)備在閑置時進(jìn)入休眠狀態(tài)，以便在不使用時完全關(guān)閉設(shè)備。

圖1：半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步極大地減小了超聲波的大小和功率限制

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40兆赫的64通道系統(tǒng)采樣中，前端每秒產(chǎn)生大量5.12 GB的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不能直接傳輸?shù)狡桨咫娔X或移動設(shè)備。即使這些數(shù)據(jù)可以通過某種方式傳輸，但設(shè)備也無法實時對其進(jìn)行處理。因此，在將此數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元之前，必須將其轉(zhuǎn)換為可管理的大小。處理量基于顯示單元功耗、帶寬和處理能力這三者之間的權(quán)衡。大多數(shù)設(shè)計人員使用超低功耗的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

對于有線探針，當(dāng)向顯示單元提供必要的電源和高數(shù)據(jù)傳輸帶寬時，使用USB Type-C?的USB 3.1以及更高版本的接口更具優(yōu)勢。但對于真正的移動智能探針來說，數(shù)據(jù)必須通過無線傳輸。在市場可以買到多種無線通信協(xié)議，如 Wi-Fi?（802.11n、802.11ac、802.11ad或802.11ax標(biāo)準(zhǔn)）。然而，當(dāng)多個設(shè)備使用同一波段時，這些協(xié)議的帶寬會受到干擾的制約。雖然也有其他標(biāo)準(zhǔn)如802.11ah (Sub-1 GHz)，但其帶寬通常會受到限制。

數(shù)據(jù)解讀

在智能探針中面臨的最大挑戰(zhàn)是對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速和高效的分析。如今，準(zhǔn)確的解讀需要許多醫(yī)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這對醫(yī)生的能力和分析時間提出了較高的要求。而現(xiàn)在通過高速連接，數(shù)據(jù)可以發(fā)送到遠(yuǎn)程位置的服務(wù)器進(jìn)行快速分析。隨著大數(shù)據(jù)分析的興起，人工智能、圖像比較和解讀可以實時在線進(jìn)行，從而實現(xiàn)即時診斷。

結(jié)論

醫(yī)學(xué)成像的下一個大浪潮將體現(xiàn)在微小的尺寸上。隨著超聲智能探針的設(shè)計人員不斷解決難題并以更低、更實惠的價格將更優(yōu)質(zhì)、尺寸更小，且具有連接性能的設(shè)備推向市場，醫(yī)學(xué)界將見證智能探針被迅速采用的那一天。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，再到診斷戰(zhàn)場上的受傷士兵，超聲智能探針的快速發(fā)展正改變著整個環(huán)境，且有助于為全人類提供更好的醫(yī)療。

作者簡介

Ravindra Munva是德州儀器醫(yī)療系統(tǒng)團(tuán)隊的系統(tǒng)經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)客戶支持和參考設(shè)計開發(fā)。Ravindra在醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的設(shè)計和開發(fā)方面有著豐富的經(jīng)驗，擁有印度卡納塔克邦大學(xué)工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。

注：本文英文原文曾發(fā)表于Medical Design Technology