技術(shù)進(jìn)步引發(fā)超聲醫(yī)療設(shè)備熱潮

超聲顯像，從最初的A型診斷儀發(fā)展成為斷面顯像，功能越來(lái)越完善。至今，被簡(jiǎn)稱為“B超”的超聲顯像診斷設(shè)備，受到了醫(yī)務(wù)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(shù)以及磁共振成像等一起成為醫(yī)學(xué)顯像的一個(gè)重要內(nèi)容（圖1）。

自1950年以來(lái)，超聲回波技術(shù)開始用于醫(yī)學(xué)中，然而由于技術(shù)上的問(wèn)題，多數(shù)結(jié)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(yīng)用的石英換能器，使得醫(yī)學(xué)超聲學(xué)的面目為之一新。隨后由于電子學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)展，給醫(yī)學(xué)超聲帶來(lái)了巨大的變化。

更快更強(qiáng)大的信號(hào)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(duì)比藥劑的發(fā)展，以及圖像和實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，所有這些因素正在促成超聲醫(yī)學(xué)成像市場(chǎng)的復(fù)興。目前的醫(yī)療工作者或醫(yī)院已經(jīng)有很多種令人印象深刻的工具可供隨意使用，但超聲設(shè)備制造商并沒(méi)感受到多少擠壓，因?yàn)樗麄兪情_發(fā)心臟成像和四維新型成像等獨(dú)創(chuàng)性醫(yī)療電子機(jī)器的先驅(qū)。

圖1：超聲波系統(tǒng)廣泛用于監(jiān)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(fù)雜系統(tǒng)，因此這種技術(shù)也被稱作超聲波掃描術(shù)。一個(gè)傳感器或一個(gè)傳感器陣列發(fā)射超聲波，然后監(jiān)聽反射回來(lái)的信號(hào)（圖2）。信號(hào)處理結(jié)合了反射回來(lái)的信號(hào)，并通過(guò)在一個(gè)寬的掃描區(qū)域內(nèi)執(zhí)行這一處理過(guò)程，勾畫出被掃區(qū)域的輪廓圖像。

超聲波頻率范圍從1到10MHz，信號(hào)可以穿透人體幾個(gè)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(yīng)時(shí)間和分辨率。

圖2：超聲波通過(guò)從一個(gè)傳感器或傳感器陣列發(fā)送聲波，然后監(jiān)聽掃描區(qū)域的反射信號(hào)。

超聲波可以脈沖模式或連續(xù)波（CW）模式施加。脈沖模式主要用于診斷，而連續(xù)波模式除了診斷外，還可用于治療。CW超聲波可以通過(guò)消融有效地治療各種類型的腫瘤。

超聲波信號(hào)可以表現(xiàn)為灰度圖像、多普勒?qǐng)D像或動(dòng)靜脈圖像?；叶葓D像是黑白色的。彩色的多普勒?qǐng)D像可以用來(lái)檢查血液及其它體液的流速。動(dòng)靜脈圖像可使用灰度和多普勒兩種方法產(chǎn)生。

新興超聲波應(yīng)用

超過(guò)35年以來(lái)，產(chǎn)科醫(yī)生一直依賴于二維超聲波儀器，其工作原理是觀察單個(gè)X-Y平面上的聲波，并通過(guò)聲波的來(lái)回傳播形成圖像，就像在切一條面包。

表面呈現(xiàn)（surface rendering）是三維超聲波技術(shù)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(guò)聲波使用的角度有所不同。復(fù)雜的軟件翻譯這些波形和創(chuàng)造出一個(gè)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?qū)崟r(shí)生成圖像，它在三維成像技術(shù)中增加了時(shí)間參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(tǒng)可完成4D成像，且具有寬帶數(shù)字波束成形、HDI寬帶換能器和高級(jí)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(nèi)置強(qiáng)大的工作站級(jí)的圖像管理功能。

模擬和數(shù)字波束形成

超聲波系統(tǒng)有兩種類型：模擬波束形成（ABF）和數(shù)字波束形成（DBF）（圖3）。數(shù)字波束形成是超聲波成像系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字波束形成系統(tǒng)使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、具有固定功能的最新數(shù)字器件和DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于數(shù)字處理可提供實(shí)時(shí)能力，因此它要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)字化后的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后映射進(jìn)直角坐標(biāo)系，保存到存儲(chǔ)器中，并發(fā)送給視頻和音頻編碼器。數(shù)字波束形成器的優(yōu)點(diǎn)是，可提高波束掃描速率，實(shí)現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)接收狀態(tài)的連續(xù)動(dòng)態(tài)聚焦和動(dòng)態(tài)孔徑，并實(shí)現(xiàn)軟件提取回波信息。

模擬波束形成系統(tǒng)采用一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)補(bǔ)償波束穿透介質(zhì)時(shí)引起的衰減。一個(gè)時(shí)延元件可以最大化來(lái)自焦點(diǎn)區(qū)域的反射信號(hào)的信噪比（SNR）。每個(gè)通道上時(shí)延后信號(hào)的相應(yīng)點(diǎn)經(jīng)過(guò)累加、壓縮和幅度檢測(cè)后，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）處理圖像、音頻和多普勒信息。

圖3：超聲波系統(tǒng)分兩種：模擬波束形成系統(tǒng)和數(shù)字波束形成系統(tǒng)。前者用于高端應(yīng)用，后者廣泛用于大多數(shù)的超聲波系統(tǒng)。

目前醫(yī)生們?nèi)栽诶^續(xù)使用模擬波束形成系統(tǒng)，尤其是在CW多普勒等高端超聲波系統(tǒng)中。由于在CW多普勒超聲波現(xiàn)場(chǎng)，超聲波發(fā)射源和接收器都是固定不動(dòng)的。當(dāng)發(fā)射和接收多普勒超聲波信號(hào)時(shí)，諸如組織密度、流體的粘滯性以及流體的運(yùn)動(dòng)速度等變量都會(huì)產(chǎn)生具有很大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，因此需要大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)處理元器件。而大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)不可能數(shù)字化處理，因此CW多普勒儀需要ABF。

一般，一個(gè)ABF前端包含多個(gè)低噪聲放大器、模擬延遲線以及大量的交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣。ADI的雙通道解調(diào)器和移相器AD8333可以取代ABF前端，它采用了每個(gè)輸入通道都帶有I/Q解調(diào)器的可編程移相技術(shù)，從而無(wú)需多條模擬延遲線和交叉點(diǎn)開關(guān)。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(shù)是一種先進(jìn)的多普勒技術(shù)，目前的心臟超聲波診斷設(shè)備中大約30%采用了這種技術(shù)，它允許醫(yī)生通過(guò)快速檢查血液的流動(dòng)和方向來(lái)準(zhǔn)確評(píng)定動(dòng)脈、靜脈和血管的物理狀態(tài)。對(duì)于便攜式和臺(tái)式CW多普勒超聲波系統(tǒng)的需求正在增長(zhǎng)，過(guò)去5年全球銷量的年增長(zhǎng)率估計(jì)為15%，這些多通道超聲波設(shè)備每臺(tái)都要使用數(shù)百個(gè)移相器。

大型超聲波系統(tǒng)功能更強(qiáng)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(tǒng)制造商。西門子最近推出了婦產(chǎn)科使用的白金版Acuson Anteres系統(tǒng)。GE的Volusion 730系統(tǒng)主要用于胎兒超聲心動(dòng)圖儀。相對(duì)緊湊些的飛利浦HD11 XE超聲波系統(tǒng)則適合心臟科室使用。

西門子的Acuson系統(tǒng)基于該公司自己開發(fā)的節(jié)奏對(duì)比脈沖序列技術(shù)（CPS）。CPS也可以通過(guò)超聲波診斷跟蹤癌及癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移。通過(guò)整合非線性基本原理和較高階諧波對(duì)比信號(hào)，CPS可以改善對(duì)比藥劑的靈敏度和特征，這使得可以同時(shí)檢測(cè)出只有對(duì)比藥劑和被掃描生理組織才有的信號(hào)。另外，通過(guò)施加到多普勒信號(hào)上的啁啾編碼激勵(lì)，Acuson系統(tǒng)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(tǒng)是一個(gè)四維超聲波系統(tǒng)，其先進(jìn)的信號(hào)處理功能可實(shí)現(xiàn)高等級(jí)的圖像質(zhì)量。GE獨(dú)特的四維技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)掃描圖像的實(shí)時(shí)更新，它與三維成像的區(qū)別“好比一個(gè)是活動(dòng)視頻，一個(gè)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(tǒng)代表了世界最先進(jìn)的超聲波設(shè)備，但它們體積龐大，價(jià)格昂貴，許多這樣的系統(tǒng)價(jià)格都超過(guò)了20萬(wàn)美元。而且由于它們體積大，使用中的可移動(dòng)性和靈活性受到很大限制。許多這樣的系統(tǒng)都被放置于醫(yī)院的放射室，不能移動(dòng)到患者床前，而必須將病人帶到機(jī)器前才能接受超聲波檢查和治療。

便攜產(chǎn)品將大行其道

由于認(rèn)識(shí)到低成本、可移動(dòng)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(jī)器，售價(jià)低至4萬(wàn)美元。便攜式B超已不再是簡(jiǎn)易概念下的產(chǎn)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(gè)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)巨大的影響。

GE 的Logiq Book XP是一款類似筆記本電腦、重量?jī)H10.3磅（包括電池）的超聲波儀器，可用于心血管、腹腔和婦產(chǎn)科領(lǐng)域。Logiq Book XP性能的關(guān)鍵是采用了包括外科手術(shù)用小型血管傳感器在內(nèi)的先進(jìn)傳感器。該系統(tǒng)有一個(gè)GE的LOGIQ系列產(chǎn)品中常見的鍵盤、一個(gè)輕松導(dǎo)航的軌跡球和一個(gè)彩色顯示器。配置有60GB的存儲(chǔ)器，其中30GB專門用來(lái)保存30,000多個(gè)超聲波。圖像可以通過(guò)CD-R/W驅(qū)動(dòng)器、USB設(shè)備或通過(guò)無(wú)線醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（DICOM）協(xié)議輸出。

連通性設(shè)計(jì)正在成為臨床醫(yī)療設(shè)備的一個(gè)主要的設(shè)計(jì)因素。不管是采用ZigBee技術(shù)、以太網(wǎng)、CAN、藍(lán)牙或是某種專門的RF解決方案，終端產(chǎn)品都必須能夠與醫(yī)院或診所里的任何網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)，不損害病人的隱私權(quán)。

例如，GE的LOGIQ系列就具有有線及無(wú)線上網(wǎng)功能，能隨時(shí)隨地提供病人或傷員的詳細(xì)生理數(shù)據(jù)，特別適用于運(yùn)動(dòng)會(huì)中為運(yùn)動(dòng)員及時(shí)診斷傷情。一旦出現(xiàn)不能確診的情況，就可將傷情數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)迅速傳遞給其他地方的專家會(huì)診。

Sonosite 公司通常被認(rèn)為是便攜式超聲波成像市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊，這要?dú)w功于該公司的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）成像技術(shù)。這種SoC在同一芯片上包含有數(shù)字信號(hào)處理和多種超聲波功能。Sonosite的技術(shù)源自華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)聲納的研究成果，其最新產(chǎn)品是8磅重的MicroMaxx超聲波成像系統(tǒng)，可用來(lái)診斷在美國(guó)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(tǒng)來(lái)自Sonosite, 一家最早開拓手持式超聲波成像設(shè)備市場(chǎng)的公司。該設(shè)備用于診斷心血管疾病。

Zonare 公司開發(fā)的便攜式z.one系統(tǒng)可用于一般成像、婦產(chǎn)科、心臟科、血管科和其它新興領(lǐng)域。它采用該公司專有的Zone超聲波檢查法和Zone Speed技術(shù)（ZST），可專門針對(duì)成像組織的區(qū)域快速收集大量數(shù)據(jù)（圖5）。使用Zone超聲波檢查法可以在5.2ms內(nèi)完成圖像捕獲，而傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)需要花52ms。

z.one系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分是三個(gè)TI公司的C6?55 DSP芯片，這些芯片增強(qiáng)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(shí)可以從手推車上取下引擎。 Zonare公司將該系統(tǒng)稱為可裝卸式超聲波儀，因?yàn)樗芸焖俜奖愕卦谠S多不同的地方用于不同的醫(yī)療用途。

對(duì)超聲波領(lǐng)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(gè)VCA通道和集成的低通濾波器，可節(jié)省板空間。其集成度水平和低功耗性能有助于增加系統(tǒng)通道密度，并有利于提高系統(tǒng)性能和便攜性。

內(nèi)窺鏡超聲波（EUS）是醫(yī)療領(lǐng)域中最新和增長(zhǎng)最快的應(yīng)用之一。在EUS幫助下，幾英尺長(zhǎng)的一根纖細(xì)導(dǎo)管可以通過(guò)食道向下或通過(guò)直腸向上插入到病人的消化道中。

EUS可幫助醫(yī)生通過(guò)顯微鏡檢查消化道內(nèi)部及其周圍的組織。內(nèi)窺鏡檢查管就像潛望鏡那樣工作，它能幫助醫(yī)生檢查內(nèi)部器官，并將窺視結(jié)果拍攝成照片或錄像。EUS與常規(guī)內(nèi)窺鏡檢查法的舒適度一樣，雖然它所花的時(shí)間要長(zhǎng)一些，因?yàn)樗_，而且醫(yī)生需要看清和分析更多的細(xì)節(jié)。

奧林巴斯有多款醫(yī)療內(nèi)窺鏡新產(chǎn)品。例如，經(jīng)鼻插入的超細(xì)型上部消化道視頻內(nèi)窺鏡“GIF TYPE N260”可大幅減輕患者痛苦，目前很受日本醫(yī)生的歡迎，而名為“EVIS EXERA II”的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)正被越來(lái)越多的歐美醫(yī)院所采用。針對(duì)中國(guó)及其它亞洲地區(qū)的是名為“EVIS LUCERA”的高清內(nèi)窺鏡系統(tǒng)及普及型視頻內(nèi)窺鏡“V70系統(tǒng)”。

EVIS EXERA II是專用于醫(yī)療及外科內(nèi)窺鏡檢查的高清晰視頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了1080i高清晰圖像處理、窄帶成像等先進(jìn)技術(shù)，高性能的EVIS EXERA II處理器為HDTV等先進(jìn)功能提供了強(qiáng)大的支持。為進(jìn)行高效的圖像管理，EVIS EXERA II還提供各種數(shù)字輸出能力，使圖像以數(shù)字形式進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)，從而很方便地在電腦中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，而對(duì)圖像質(zhì)量沒(méi)有任何損失。

細(xì)針抽吸活檢術(shù)是一種更先進(jìn)的EUS技術(shù)，已被加州大學(xué)的干涉內(nèi)窺鏡檢查中心的總監(jiān)和醫(yī)學(xué)博士Kenneth Chang，以及Phuong Nguyen博士成功運(yùn)用于許多病人。它在內(nèi)窺鏡的端點(diǎn)插入一個(gè)活檢針，通過(guò)電視屏幕的控制和監(jiān)視，這種針能讓醫(yī)生檢查并判斷癌細(xì)胞是增加了還是減少了 （作為治療的效果）。在沒(méi)有這種技術(shù)的情況下，病人需要經(jīng)過(guò)許多探測(cè)性外科手術(shù)才能檢查癌組織。

細(xì)針抽吸術(shù)也可以用來(lái)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(shù)以前曾是觀察腫瘤的最好方法，它只能發(fā)現(xiàn)大于2cm的腫瘤。

研究發(fā)現(xiàn)，33%的食道癌和75%的胰腺癌病例發(fā)現(xiàn)時(shí)已進(jìn)入晚期，也即此時(shí)已經(jīng)沒(méi)有必要再實(shí)施探查用的外科手術(shù)。

圖5：Zonare公司的z.one系統(tǒng)是一款重僅5.5磅的便攜式超聲波設(shè)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(shù)（ZST），可專門針對(duì)成像組織的區(qū)域快速收集大量數(shù)據(jù)。

據(jù)Chang估計(jì)，在美國(guó)大約有150家醫(yī)院在使用EUS。“大約有一半的醫(yī)院可以做細(xì)針抽吸術(shù)，其中又有不到一半的醫(yī)院正在成功地為病人實(shí)施細(xì)針抽吸術(shù)。”他說(shuō)，“他們有生物工程學(xué)知識(shí)，但沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前最缺乏的是培訓(xùn)。”

理解EUS的超聲波圖像是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，需要進(jìn)行培訓(xùn)和實(shí)踐，且要頭腦靈活，這也是Chang和Nguyen在UCI醫(yī)療中心每年教授三次超聲波內(nèi)窺鏡課程的原因。事實(shí)上，Chang已經(jīng)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(yī)療設(shè)備制造商（如Pentax）正準(zhǔn)備研制EUS探針。以照相機(jī)著名的Pentax發(fā)明的具有360度全視角的第三代全電子放射陣列內(nèi)窺鏡已經(jīng)在做臨床試驗(yàn)，更小的線性陣列內(nèi)窺鏡也在開發(fā)中。據(jù)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(duì)Pentax 的EUS先進(jìn)設(shè)備都有很大的貢獻(xiàn)。

另外一個(gè)重要的先進(jìn)性能來(lái)自于Duke大學(xué)。那里的研究人員已經(jīng)開發(fā)出整合了三維成像和加熱治療的超聲波設(shè)備，這種設(shè)備能夠很好地治療心律不齊。

“還沒(méi)有其他人開發(fā)出在導(dǎo)管中整合了治療與成像功能的超聲波設(shè)備，而讓三維成像單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。”領(lǐng)導(dǎo)這一項(xiàng)目小組的生物醫(yī)學(xué)工程教授Stephen Smith表示。他認(rèn)為這種設(shè)備可以改進(jìn)醫(yī)生過(guò)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。

更多醫(yī)療電子信息請(qǐng)關(guān)注：21ic醫(yī)療電子