从推车式到便携式：超声智能探针可以改变医疗服务

医学成像，特别是超声成像技术，正处于变革之中。过去，医疗人员使用推车式的高性能超声波系统为病人诊断，而现在他们可以使用手持设备来实现超声波成像。得益于半导体技术的进步，超声智能探针的尺寸越来越小且变得便携，人们在办公室和医院之外就能够获得医疗保健。

 

超声智能探针实质上是一种便携式超声波，整个前端和几乎所有后端硬件都集成其中。智能探针的功耗较低，尺寸也小，能够在保持信号质量的同时处理数据，并且可以使用高速 USB 或无线连接在移动设备上显示图像。

 

在不远的将来，绝大多数医生就能将智能探针装进口袋里。未来十年内全球市场上出现几百万个这样的探针，其作用将与标准超声系统相辅相成。然而，将超声系统缩至手持设备的大小绝非易事，我们面临着诸多挑战。下面我们列举了智能探针设计人员所面临的七大挑战。

 

供电

智能探针电源本身功耗较低，要为智能探针供电的同时，使噪音保持在极低的水平，是设计人员面临的两大棘手挑战。智能探针电源的设计人员必须在很小的体积内进行工作，他们不仅要使电源效率达到 90%以上，且要让设备在待机时保持低功耗，最重要的是让其保持低噪音。大多数制造商需要将其电源切换至 500 kHz 以下，并且和外部时钟保持同步，以最大限度地减少 2-20 MHz 超声工作频率范围内的谐波干扰。尺寸和效率之间的权衡是一个巨大的挑战。

 

尺寸

20 年前，64 通道的超声系统由多个 A4 大小的板组成，用于传输、接收、模数转换、波束形成和处理，其与底板相接并可连接到标准计算机上。如今，一块完整的 64 通道智能探针的前端板必须要比信用卡还小（85 mm x 54 mm），但即使在技术进步和高度集成的今日，要实现这一目标仍然任重道远。

 

通道数量

同时处理更多的通道可以提高画面质量。绝大多数推车式扫描仪具有 128 个或更多通道。最初的探针在内部集成了 8 到 16 个通道。这些通道必须连接到一个更大的系统进行处理。

 

目前，制造商们正试图将多达 64 或 128 个通道集成到探针中。为了实现这样的通道密度，他们现在可以利用新型的商业化设备，如德州仪器（TI）的高度集成的前端设备。采用 TX7332 32 通道传输模拟前端和 AFE5832LP 32 通道接收模拟前端，设计人员就能只使用两个设备而放置 64 个通道。像这样的设备可以给传感器通电以产生超声波脉冲，处理接收到的回声，并转换为数字信号以生成图像。这些前端仍然需要额外的设备，如处理器或现场可编程门阵列（FPGA），来控制它们并处理生成的数据。这里的挑战在于尽可能多地将这些设备装入，以通过在相同的功耗预算内增加通道数来提高画面质量。

 

每个通道的功耗

一台推车式 128 通道超声扫描仪的功耗约为 500W 到 1kW。手持智能探针的功耗预算仅为 3-5W，这样医生或患者就不会感到设备过热，此外设备可能仅需电池供电即可运行。这种低功率意味着不需要像风扇这样的冷却机制，因为风扇会使设备振动，进而导致画面模糊。设计人员必须结合各种机制，以确保探针保持在其功率预算范围内，包括让某些设备在闲置时进入休眠状态，以便在不使用时完全关闭设备。

 

图 1：半导体技术的进步极大地减小了超声波的大小和功率限制

 

数据处理

数据处理受多种因素影响，包括通道数量、预期功耗和数据传输带宽。在 40 兆赫的 64 通道系统采样中，前端每秒产生大量 5.12 GB 的数据，这些数据不能直接传输到平板电脑或移动设备。即使这些数据可以通过某种方式传输，但设备也无法实时对其进行处理。因此，在将此数据发送到显示单元之前，必须将其转换为可管理的大小。处理量基于显示单元功耗、带宽和处理能力这三者之间的权衡。大多数设计人员使用超低功耗的 FPGA 和处理器进行数据处理和控制前端。

 

数据传输

对于有线探针，当向显示单元提供必要的电源和高数据传输带宽时，使用 USB Type-C™的 USB 3.1 以及更高版本的接口更具优势。但对于真正的移动智能探针来说，数据必须通过无线传输。在市场可以买到多种无线通信协议，如 Wi-Fi®（802.11n、802.11ac、802.11ad 或 802.11ax 标准）。然而，当多个设备使用同一波段时，这些协议的带宽会受到干扰的制约。虽然也有其他标准如 802.11ah (Sub-1 GHz)，但其带宽通常会受到限制。

 

数据解读

在智能探针中面临的最大挑战是对大量数据进行快速和高效的分析。如今，准确的解读需要许多医生对数据进行分析，这对医生的能力和分析时间提出了较高的要求。而现在通过高速连接，数据可以发送到远程位置的服务器进行快速分析。随着大数据分析的兴起，人工智能、图像比较和解读可以实时在线进行，从而实现即时诊断。

 

结论

医学成像的下一个大浪潮将体现在微小的尺寸上。随着超声智能探针的设计人员不断解决难题并以更低、更实惠的价格将更优质、尺寸更小，且具有连接性能的设备推向市场，医学界将见证智能探针被迅速采用的那一天。从发达国家的医院到发展中国家的远程医疗中心，再到诊断战场上的受伤士兵，超声智能探针的快速发展正改变着整个环境，且有助于为全人类提供更好的医疗。