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作者：Ravindra Munva，德州儀器（TI） 醫學(xué)成像，特別是超聲成像技術(shù)，正處于變革之中。過(guò)去，醫療人員使用推車(chē)式的高性能超聲波系統為病人診斷，而現在他們可以使用手持設備來(lái)實(shí)現超聲波成像。得益于半導體技術(shù)的進(jìn)步，超聲智能探針的尺寸越來(lái)越小且變得便攜，人們在辦公室和醫院之外就能夠獲得醫療保健。 超聲智能探針實(shí)質(zhì)上是一種便攜式超聲波，整個(gè)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(shí)處理數據，并且可以使用高速USB或無(wú)線(xiàn)連接在移動(dòng)設備上顯示圖像。 在不遠的將來(lái)，絕大多數醫生就能將智能探針裝進(jìn)口袋里。未來(lái)十年內全球市場(chǎng)上出現幾百萬(wàn)個(gè)這樣的探針，其作用將與標準超聲系統相輔相成。然而，將超聲系統縮至手持設備的大小絕非易事，我們面臨著(zhù)諸多挑戰。下面我們列舉了智能探針設計人員所面臨的七大挑戰。 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(shí)，使噪音保持在極低的水平，是設計人員面臨的兩大棘手挑戰。智能探針電源的設計人員必須在很小的體積內進(jìn)行工作，他們不僅要使電源效率達到90%以上，且要讓設備在待機時(shí)保持低功耗，最重要的是讓其保持低噪音。大多數制造商需要將其電源切換至500 kHz以下，并且和外部時(shí)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的諧波干擾。尺寸和效率之間的權衡是一個(gè)巨大的挑戰。 尺寸 20年前，64通道的超聲系統由多個(gè)A4大小的板組成，用于傳輸、接收、模數轉換、波束形成和處理，其與底板相接并可連接到標準計算機上。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�。�85 mm x 54 mm），但即使在技術(shù)進(jìn)步和高度集成的今日，要實(shí)現這一目標仍然任重道遠。 通道數量 同時(shí)處理更多的通道可以提高畫(huà)面質(zhì)量。絕大多數推車(chē)式掃描儀具有128個(gè)或更多通道。最初的探針在內部集成了8到16個(gè)通道。這些通道必須連接到一個(gè)更大的系統進(jìn)行處理。 目前，制造商們正試圖將多達64或128個(gè)通道集成到探針中。為了實(shí)現這樣的通道密度，他們現在可以利用新型的商業(yè)化設備，如德州儀器（TI）的高度集成的前端設備。采用TX7332 32通道傳輸模擬前端和AFE5832LP 32通道接收模擬前端，設計人員就能只使用兩個(gè)設備而放置64個(gè)通道。像這樣的設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，并轉換為數字信號以生成圖像。這些前端仍然需要額外的設備，如處理器或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），來(lái)控制它們并處理生成的數據。這里的挑戰在于盡可能多地將這些設備裝入，以通過(guò)在相同的功耗預算內增加通道數來(lái)提高畫(huà)面質(zhì)量。 每個(gè)通道的功耗 一臺推車(chē)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算僅為3-5W，這樣醫生或患者就不會(huì )感到設備過(guò)熱，此外設備可能僅需電池供電即可運行。這種低功率意味著(zhù)不需要像風(fēng)扇這樣的冷卻機制，因為風(fēng)扇會(huì )使設備振動(dòng)，進(jìn)而導致畫(huà)面模糊。設計人員必須結合各種機制，以確保探針保持在其功率預算范圍內，包括讓某些設備在閑置時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以便在不使用時(shí)完全關(guān)閉設備。 
圖1：半導體技術(shù)的進(jìn)步極大地減小了超聲波的大小和功率限制 數據處理 數據處理受多種因素影響，包括通道數量、預期功耗和數據傳輸帶寬。在40兆赫的64通道系統采樣中，前端每秒產(chǎn)生大量5.12 GB的數據，這些數據不能直接傳輸到平板電腦或移動(dòng)設備。即使這些數據可以通過(guò)某種方式傳輸，但設備也無(wú)法實(shí)時(shí)對其進(jìn)行處理。因此，在將此數據發(fā)送到顯示單元之前，必須將其轉換為可管理的大小。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衡。大多數設計人員使用超低功耗的FPGA和處理器進(jìn)行數據處理和控制前端。 數據傳輸 對于有線(xiàn)探針，當向顯示單元提供必要的電源和高數據傳輸帶寬時(shí)，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(dòng)智能探針來(lái)說(shuō)，數據必須通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸。在市場(chǎng)可以買(mǎi)到多種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，如 Wi-Fi®（802.11n、802.11ac、802.11ad或802.11ax標準）。然而，當多個(gè)設備使用同一波段時(shí)，這些協(xié)議的帶寬會(huì )受到干擾的制約。雖然也有其他標準如802.11ah (Sub-1 GHz)，但其帶寬通常會(huì )受到限制。 數據解讀 在智能探針中面臨的最大挑戰是對大量數據進(jìn)行快速和高效的分析。如今，準確的解讀需要許多醫生對數據進(jìn)行分析，這對醫生的能力和分析時(shí)間提出了較高的要求。而現在通過(guò)高速連接，數據可以發(fā)送到遠程位置的服務(wù)器進(jìn)行快速分析。隨著(zhù)大數據分析的興起，人工智能、圖像比較和解讀可以實(shí)時(shí)在線(xiàn)進(jìn)行，從而實(shí)現即時(shí)診斷。 結論 醫學(xué)成像的下一個(gè)大浪潮將體現在微小的尺寸上。隨著(zhù)超聲智能探針的設計人員不斷解決難題并以更低、更實(shí)惠的價(jià)格將更優(yōu)質(zhì)、尺寸更小，且具有連接性能的設備推向市場(chǎng)，醫學(xué)界將見(jiàn)證智能探針被迅速采用的那一天。從發(fā)達國家的醫院到發(fā)展中國家的遠程醫療中心，再到診斷戰場(chǎng)上的受傷士兵，超聲智能探針的快速發(fā)展正改變著(zhù)整個(gè)環(huán)境，且有助于為全人類(lèi)提供更好的醫療。 作者簡(jiǎn)介 Ravindra Munva是德州儀器醫療系統團隊的系統經(jīng)理，主要負責客戶(hù)支持和參考設計開(kāi)發(fā)。Ravindra在醫學(xué)成像設備的設計和開(kāi)發(fā)方面有著(zhù)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 |
