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超聲顯像，從最初的A型診斷儀發展成為斷面顯像，功能越來越完善。至今，被簡稱為“B超”的超聲顯像診斷設備，受到了醫務工作者與病人的普遍歡迎，它已與X線、同位素掃描、紅外技術以及磁共振成像等一起成為醫學顯像的一個重要內容(圖1)。 自1950年以來，超聲回波技術開始用于醫學中，然而由于技術上的問題，多數結果不很滿意。1955年，靈敏度高的壓電陶瓷換能器代替了早期應用的石英換能器，使得醫學超聲學的面目為之一新。隨后由于電子學與計算機技術的迅速進展，給醫學超聲帶來了巨大的變化。 更快更強大的信號處理能力、更好的非線性波形傳播處理能力、更高性能的傳感器、特殊對比藥劑的發展，以及圖像和實時信號處理技術的進步，所有這些因素正在促成超聲醫學成像市場的復興。目前的醫療工作者或醫院已經有很多種令人印象深刻的工具可供隨意使用，但超聲設備制造商并沒感受到多少擠壓，因為他們是開發心臟成像和四維新型成像等獨創性醫療電子機器的先驅。 
圖1：超聲波系統廣泛用于監視胎兒的健康狀況。 它們是如何工作的？ 超聲成像儀器是一些類似于聲納的復雜系統，因此這種技術也被稱作超聲波掃描術。一個傳感器或一個傳感器陣列發射超聲波，然后監聽反射回來的信號(圖2)。信號處理結合了反射回來的信號，并通過在一個寬的掃描區域內執行這一處理過程，勾畫出被掃區域的輪廓圖像。 超聲波頻率范圍從1到10MHz，信號可以穿透人體幾個厘米。被穿透生理組織的類型(軟或硬)和穿透深度決定了聲譜儀的響應時間和分辨率。
圖2：超聲波通過從一個傳感器或傳感器陣列發送聲波，然后監聽掃描區域的反射信號。 超聲波可以脈沖模式或連續波(CW)模式施加。脈沖模式主要用于診斷，而連續波模式除了診斷外，還可用于治療。CW超聲波可以通過消融有效地治療各種類型的腫瘤。 超聲波信號可以表現為灰度圖像、多普勒圖像或動靜脈圖像。灰度圖像是黑白色的。彩色的多普勒圖像可以用來檢查血液及其它體液的流速。動靜脈圖像可使用灰度和多普勒兩種方法產生。 新興超聲波應用 超過35年以來，產科醫生一直依賴于二維超聲波儀器，其工作原理是觀察單個X-Y平面上的聲波，并通過聲波的來回傳播形成圖像，就像在切一條面包。 表面呈現(surface rendering)是三維超聲波技術的主要組成部分，除了X和Y軸外，它還使用Z軸。三維掃描使用的超聲波與二維掃描一樣，不過聲波使用的角度有所不同。復雜的軟件翻譯這些波形和創造出一個三維圖像，其清晰度比二維圖像要好很多。 四維超聲波儀器能夠實時生成圖像，它在三維成像技術中增加了時間參數，以實現實時觀察。它已用于CW模式下血流方向和速度的多普勒成像。飛利浦的HDI 4000超聲波系統可完成4D成像，且具有寬帶數字波束成形、HDI寬帶換能器和高級圖像功能，如組織諧波成像(THI)以及在所有換能器上完全集成的 3D及MPR格式化，并內置強大的工作站級的圖像管理功能。 模擬和數字波束形成 超聲波系統有兩種類型：模擬波束形成(ABF)和數字波束形成(DBF)(圖3)。數字波束形成是超聲波成像系統的標準。數字波束形成系統使用現場可編程門陣列(FPGA)、具有固定功能的最新數字器件和DSP進行數據處理，由于數字處理可提供實時能力，因此它要求對信號進行優化。數字化后的極坐標數據經處理后映射進直角坐標系，保存到存儲器中，并發送給視頻和音頻編碼器。數字波束形成器的優點是，可提高波束掃描速率，實現近、中、遠場接收狀態的連續動態聚焦和動態孔徑，并實現軟件提取回波信息。 模擬波束形成系統采用一個可變增益放大器來補償波束穿透介質時引起的衰減。一個時延元件可以最大化來自焦點區域的反射信號的信噪比(SNR)。每個通道上時延后信號的相應點經過累加、壓縮和幅度檢測后，再由模數轉換器(ADC)處理圖像、音頻和多普勒信息。
圖3：超聲波系統分兩種：模擬波束形成系統和數字波束形成系統。前者用于高端應用，后者廣泛用于大多數的超聲波系統。 目前醫生們仍在繼續使用模擬波束形成系統，尤其是在CW多普勒等高端超聲波系統中。由于在CW多普勒超聲波現場，超聲波發射源和接收器都是固定不動的。當發射和接收多普勒超聲波信號時，諸如組織密度、流體的粘滯性以及流體的運動速度等變量都會產生具有很大動態范圍的信號，因此需要大動態范圍的信號處理元器件。而大動態范圍信號不可能數字化處理，因此CW多普勒儀需要ABF。 一般，一個ABF前端包含多個低噪聲放大器、模擬延遲線以及大量的交叉點開關矩陣。ADI的雙通道解調器和移相器AD8333可以取代ABF前端，它采用了每個輸入通道都帶有I/Q解調器的可編程移相技術，從而無需多條模擬延遲線和交叉點開關。與延遲線方法相比較，由于AD8333減小了PCB面積并且降低了功耗，從而允許增加CW功能。 CW多普勒技術是一種先進的多普勒技術，目前的心臟超聲波診斷設備中大約30%采用了這種技術，它允許醫生通過快速檢查血液的流動和方向來準確評定動脈、靜脈和血管的物理狀態。對于便攜式和臺式CW多普勒超聲波系統的需求正在增長，過去5年全球銷量的年增長率估計為15%，這些多通道超聲波設備每臺都要使用數百個移相器。 大型超聲波系統功能更強大，圖像更清晰 西門子Medical Solutions、GE Healthcare Systems和飛利浦Medical Systems是三家最大的超聲波系統制造商。西門子最近推出了婦產科使用的白金版Acuson Anteres系統。GE的Volusion 730系統主要用于胎兒超聲心動圖儀。相對緊湊些的飛利浦HD11 XE超聲波系統則適合心臟科室使用。 西門子的Acuson系統基于該公司自己開發的節奏對比脈沖序列技術(CPS)。CPS也可以通過超聲波診斷跟蹤癌及癌細胞轉移。通過整合非線性基本原理和較高階諧波對比信號，CPS可以改善對比藥劑的靈敏度和特征，這使得可以同時檢測出只有對比藥劑和被掃描生理組織才有的信號。另外，通過施加到多普勒信號上的啁啾編碼激勵，Acuson系統的高分辨率彩色流(HRCF)可以極大地改善超聲波空間分辨率和靈敏度。 GE Volusion 730系統是一個四維超聲波系統，其先進的信號處理功能可實現高等級的圖像質量。GE獨特的四維技術可以實現掃描圖像的實時更新，它與三維成像的區別“好比一個是活動視頻，一個是靜止照片。”GE公司表示。 雖然西門子、GE和飛利浦的超聲波系統代表了世界最先進的超聲波設備，但它們體積龐大，價格昂貴，許多這樣的系統價格都超過了20萬美元。而且由于它們體積大，使用中的可移動性和靈活性受到很大限制。許多這樣的系統都被放置于醫院的放射室，不能移動到患者床前，而必須將病人帶到機器前才能接受超聲波檢查和治療。 便攜產品將大行其道 由于認識到低成本、可移動性和靈活性的需要，一些公司開始推類似于筆記本電腦的高性能便攜式機器，售價低至4萬美元。便攜式B超已不再是簡易概念下的產品，而是大型、多功能B超的小型化(便攜式、床邊化、家庭化)概念，將給整個產業與技術的發展帶來巨大的影響。 GE 的Logiq Book XP是一款類似筆記本電腦、重量僅10.3磅(包括電池)的超聲波儀器，可用于心血管、腹腔和婦產科領域。Logiq Book XP性能的關鍵是采用了包括外科手術用小型血管傳感器在內的先進傳感器。該系統有一個GE的LOGIQ系列產品中常見的鍵盤、一個輕松導航的軌跡球和一個彩色顯示器。配置有60GB的存儲器，其中30GB專門用來保存30,000多個超聲波。圖像可以通過CD-R/W驅動器、USB設備或通過無線醫學數字成像和通信(DICOM)協議輸出。 連通性設計正在成為臨床醫療設備的一個主要的設計因素。不管是采用ZigBee技術、以太網、CAN、藍牙或是某種專門的RF解決方案，終端產品都必須能夠與醫院或診所里的任何網絡連接，而且還必須是非常安全的連接，以可靠地傳輸重要的數據，不損害病人的隱私權。 例如，GE的LOGIQ系列就具有有線及無線上網功能，能隨時隨地提供病人或傷員的詳細生理數據，特別適用于運動會中為運動員及時診斷傷情。一旦出現不能確診的情況，就可將傷情數據通過互聯網迅速傳遞給其他地方的專家會診。 Sonosite 公司通常被認為是便攜式超聲波成像市場的領頭羊，這要歸功于該公司的系統級芯片(SoC)成像技術。這種SoC在同一芯片上包含有數字信號處理和多種超聲波功能。Sonosite的技術源自華盛頓大學應用物理實驗室對聲納的研究成果，其最新產品是8磅重的MicroMaxx超聲波成像系統，可用來診斷在美國占死亡原因第一位的心血管疾病(圖4)。
圖4：8磅重的MicroMaxx超聲波成像系統來自Sonosite, 一家最早開拓手持式超聲波成像設備市場的公司。該設備用于診斷心血管疾病。 Zonare 公司開發的便攜式z.one系統可用于一般成像、婦產科、心臟科、血管科和其它新興領域。它采用該公司專有的Zone超聲波檢查法和Zone Speed技術(ZST)，可專門針對成像組織的"區域"快速收集大量數據(圖5)。使用Zone超聲波檢查法可以在5.2ms內完成圖像捕獲，而傳統的超聲波技術需要花52ms。 z.one系統性能的關鍵部分是三個TI公司的C6?55 DSP芯片，這些芯片增強了視頻處理和成像性能。該儀器可以在裝有5.5磅掃描引擎的手推車上使用，在需要攜帶至別處使用時可以從手推車上取下引擎。 Zonare公司將該系統稱為可裝卸式超聲波儀，因為它能快速方便地在許多不同的地方用于不同的醫療用途。 對超聲波領域，TI許多高性能和高集成度的器件，如一系列8通道壓控放大器VCA8617，可提供8個VCA通道和集成的低通濾波器，可節省板空間。其集成度水平和低功耗性能有助于增加系統通道密度，并有利于提高系統性能和便攜性。 內窺鏡超聲波(EUS)是醫療領域中最新和增長最快的應用之一。在EUS幫助下，幾英尺長的一根纖細導管可以通過食道向下或通過直腸向上插入到病人的消化道中。 EUS可幫助醫生通過顯微鏡檢查消化道內部及其周圍的組織。內窺鏡檢查管就像潛望鏡那樣工作，它能幫助醫生檢查內部器官，并將窺視結果拍攝成照片或錄像。EUS與常規內窺鏡檢查法的舒適度一樣，雖然它所花的時間要長一些，因為它更精確，而且醫生需要看清和分析更多的細節。 奧林巴斯有多款醫療內窺鏡新產品。例如，經鼻插入的超細型上部消化道視頻內窺鏡“GIF TYPE N260”可大幅減輕患者痛苦，目前很受日本醫生的歡迎，而名為“EVIS EXERA II”的內窺鏡系統正被越來越多的歐美醫院所采用。針對中國及其它亞洲地區的是名為“EVIS LUCERA”的高清內窺鏡系統及普及型視頻內窺鏡“V70系統”。 EVIS EXERA II是專用于醫療及外科內窺鏡檢查的高清晰視頻系統，該系統采用了1080i高清晰圖像處理、窄帶成像等先進技術，高性能的EVIS EXERA II處理器為HDTV等先進功能提供了強大的支持。為進行高效的圖像管理，EVIS EXERA II還提供各種數字輸出能力，使圖像以數字形式進行傳輸或存儲，從而很方便地在電腦中進行數據管理，而對圖像質量沒有任何損失。 細針抽吸活檢術是一種更先進的EUS技術，已被加州大學的干涉內窺鏡檢查中心的總監和醫學博士Kenneth Chang，以及Phuong Nguyen博士成功運用于許多病人。它在內窺鏡的端點插入一個活檢針，通過電視屏幕的控制和監視，這種針能讓醫生檢查并判斷癌細胞是增加了還是減少了 (作為治療的效果)。在沒有這種技術的情況下，病人需要經過許多探測性外科手術才能檢查癌組織。 細針抽吸術也可以用來探查其它器官，包括心臟、肝、腸和胰腺。用這種方法可以看到直徑小至6mm的胰腺腫瘤，CT掃描技術以前曾是觀察腫瘤的最好方法，它只能發現大于2cm的腫瘤。 研究發現，33%的食道癌和75%的胰腺癌病例發現時已進入晚期，也即此時已經沒有必要再實施探查用的外科手術。
圖5：Zonare公司的z.one系統是一款重僅5.5磅的便攜式超聲波設備，適用于通用超聲波成像，它采用該公司專有的Zone超聲波檢查法和Zone Speed技術(ZST)，可專門針對成像組織的"區域"快速收集大量數據。 據Chang估計，在美國大約有150家醫院在使用EUS。“大約有一半的醫院可以做細針抽吸術，其中又有不到一半的醫院正在成功地為病人實施細針抽吸術。”他說，“他們有生物工程學知識，但沒有經驗，當前最缺乏的是培訓。” 理解EUS的超聲波圖像是一項非常艱巨的任務，需要進行培訓和實踐，且要頭腦靈活，這也是Chang和Nguyen在UCI醫療中心每年教授三次超聲波內窺鏡課程的原因。事實上，Chang已經是Mayo診所和其它診療中心的演講佳賓。 EUS 是如此熱門以致于許多醫療設備制造商(如Pentax)正準備研制EUS探針。以照相機著名的Pentax發明的具有360度全視角的第三代全電子放射陣列內窺鏡已經在做臨床試驗，更小的線性陣列內窺鏡也在開發中。據Pentax透露，新的壓電材料、更高的制造效率和更有效的線纜與屏蔽材料對Pentax 的EUS先進設備都有很大的貢獻。 另外一個重要的先進性能來自于Duke大學。那里的研究人員已經開發出整合了三維成像和加熱治療的超聲波設備，這種設備能夠很好地治療心律不齊。 “還沒有其他人開發出在導管中整合了治療與成像功能的超聲波設備，而讓三維成像單獨實現。”領導這一項目小組的生物醫學工程教授Stephen Smith表示。他認為這種設備可以改進醫生過去廣泛使用的摧毀或燒灼掉引起心律不齊的異常心臟組織的方法。 作者：Roger Allan，《Electronic Design》特約編輯；Bellinda Shi，《電子系統設計》高級助理編輯 |
