超聲智能探頭的七大設(shè)計挑戰(zhàn)

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)，同時保持信號質(zhì)量，并使用高速 USB 或無線連接在移動設(shè)備上顯示圖像。

大多數(shù)醫(yī)生會在口袋里攜帶一個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——可能會在全球范圍內(nèi)形成數(shù)百萬個單位的市場未來十年，補充標準超聲系統(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棘手的挑戰(zhàn)。智能探頭電源的設(shè)計人員必須在非常小的面積和高度內(nèi)工作，同時實現(xiàn)效率超過 90%，并且在空閑時消耗低功耗，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)衡是一個巨大的挑戰(zhàn)。

尺寸

20 年前，一個 64 通道的超聲系統(tǒng)由多個 A4 大小的板組成，每個板用于發(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準計算機。如今，一個完整的 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步，實現(xiàn)這種小型化水平仍然是不小的壯舉。

頻道數(shù)

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

目前，制造商正試圖將多達 64 或 128 個通道集成到探頭中。為了實現(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)計人員能夠僅使用兩個器件來容納 64 個通道。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 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太熱，并且它可能會使用電池進行操作。這種低功率意味著沒有空間安裝風(fēng)扇等冷卻機制，這可能會導(dǎo)致振動并導(dǎo)致圖像模糊。設(shè)計人員必須采用各種機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)備空閑時將其置于睡眠狀態(tài)到在設(shè)備不使用時將其完全斷電。快速開啟/關(guān)閉對于幫助實現(xiàn)這一目標非常重要。

圖 1：半導(dǎo)體技術(shù)的進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">電腦或移動設(shè)備。即使這些數(shù)據(jù)是通過某種方式傳輸?shù)?，設(shè)備也無法實時處理它。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)計人員使用超低功耗 FPGA 和處理器進行數(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，使用 USB Type-C 的 USB 3.1 和更高版本的接口可能是一個優(yōu)勢。但對于真正的移動智能探頭，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 標準）；但是，當多個設(shè)備使用同一頻段時，這些可能會受到其帶寬干擾的限制。存在其他標準，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間限制。通過高速連接，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程位置的服務(wù)器以進行快速分析。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時在線進行，從而實現(xiàn)即時診斷。

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)計人員解決了挑戰(zhàn)，并以更低和更實惠的價格將更好的設(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)達國家的醫(yī)院到發(fā)展中國家的遠程醫(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理。

審核編輯：湯梓紅