技术进步引发超声医疗设备热潮

超声显像，从最初的A型诊断仪发展成为断面显像，功能越来越完善。至今，被简称为“B超”的超声显像诊断设备，受到了医务工作者与病人的普遍欢迎，它已与X线、同位素扫描、红外技术以及磁共振成像等一起成为医学显像的一个重要内容（图1）。

自1950年以来，超声回波技术开始用于医学中，然而由于技术上的问题，多数结果不很满意。1955年，灵敏度高的压电陶瓷换能器代替了早期应用的石英换能器，使得医学超声学的面目为之一新。随后由于电子学与计算机技术的迅速进展，给医学超声带来了巨大的变化。

更快更强大的信号处理能力、更好的非线性波形传播处理能力、更高性能的传感器、特殊对比药剂的发展，以及图像和实时信号处理技术的进步，所有这些因素正在促成超声医学成像市场的复兴。目前的医疗工作者或医院已经有很多种令人印象深刻的工具可供随意使用，但超声设备制造商并没感受到多少挤压，因为他们是开发心脏成像和四维新型成像等独创性医疗电子机器的先驱。

图1：超声波系统广泛用于监视胎儿的健康状况。

它们是如何工作的？

超声成像仪器是一些类似于声纳的复杂系统，因此这种技术也被称作超声波扫描术。一个传感器或一个传感器阵列发射超声波，然后监听反射回来的信号（图2）。信号处理结合了反射回来的信号，并通过在一个宽的扫描区域内执行这一处理过程，勾画出被扫区域的轮廓图像。

超声波频率范围从1到10MHz，信号可以穿透人体几个厘米。被穿透生理组织的类型（软或硬）和穿透深度决定了声谱仪的响应时间和分辨率。

图2：超声波通过从一个传感器或传感器阵列发送声波，然后监听扫描区域的反射信号。

超声波可以脉冲模式或连续波（CW）模式施加。脉冲模式主要用于诊断，而连续波模式除了诊断外，还可用于治疗。CW超声波可以通过消融有效地治疗各种类型的肿瘤。

超声波信号可以表现为灰度图像、多普勒图像或动静脉图像。灰度图像是黑白色的。彩色的多普勒图像可以用来检查血液及其它体液的流速。动静脉图像可使用灰度和多普勒两种方法产生。

新兴超声波应用

超过35年以来，产科医生一直依赖于二维超声波仪器，其工作原理是观察单个X-Y平面上的声波，并通过声波的来回传播形成图像，就像在切一条面包。

表面呈现（surface rendering）是三维超声波技术的主要组成部分，除了X和Y轴外，它还使用Z轴。三维扫描使用的超声波与二维扫描一样，不过声波使用的角度有所不同。复杂的软件翻译这些波形和创造出一个三维图像，其清晰度比二维图像要好很多。

四维超声波仪器能够实时生成图像，它在三维成像技术中增加了时间参数，以实现实时观察。它已用于CW模式下血流方向和速度的多普勒成像。飞利浦的HDI 4000超声波系统可完成4D成像，且具有宽带数字波束成形、HDI宽带换能器和高级图像功能，如组织谐波成像（THI）以及在所有换能器上完全集成的 3D及MPR格式化，并内置强大的工作站级的图像管理功能。

模拟和数字波束形成

超声波系统有两种类型：模拟波束形成（ABF）和数字波束形成（DBF）（图3）。数字波束形成是超声波成像系统的标准。数字波束形成系统使用现场可编程门阵列（FPGA）、具有固定功能的最新数字器件和DSP进行数据处理，由于数字处理可提供实时能力，因此它要求对信号进行优化。数字化后的极坐标数据经处理后映射进直角坐标系，保存到存储器中，并发送给视频和音频编码器。数字波束形成器的优点是，可提高波束扫描速率，实现近、中、远场接收状态的连续动态聚焦和动态孔径，并实现软件提取回波信息。

模拟波束形成系统采用一个可变增益放大器来补偿波束穿透介质时引起的衰减。一个时延元件可以最大化来自焦点区域的反射信号的信噪比（SNR）。每个通道上时延后信号的相应点经过累加、压缩和幅度检测后，再由模数转换器（ADC）处理图像、音频和多普勒信息。

图3：超声波系统分两种：模拟波束形成系统和数字波束形成系统。前者用于高端应用，后者广泛用于大多数的超声波系统。

目前医生们仍在继续使用模拟波束形成系统，尤其是在CW多普勒等高端超声波系统中。由于在CW多普勒超声波现场，超声波发射源和接收器都是固定不动的。当发射和接收多普勒超声波信号时，诸如组织密度、流体的粘滞性以及流体的运动速度等变量都会产生具有很大动态范围的信号，因此需要大动态范围的信号处理元器件。而大动态范围信号不可能数字化处理，因此CW多普勒仪需要ABF。

一般，一个ABF前端包含多个低噪声放大器、模拟延迟线以及大量的交叉点开关矩阵。ADI的双通道解调器和移相器AD8333可以取代ABF前端，它采用了每个输入通道都带有I/Q解调器的可编程移相技术，从而无需多条模拟延迟线和交叉点开关。与延迟线方法相比较，由于AD8333减小了PCB面积并且降低了功耗，从而允许增加CW功能。

CW多普勒技术是一种先进的多普勒技术，目前的心脏超声波诊断设备中大约30%采用了这种技术，它允许医生通过快速检查血液的流动和方向来准确评定动脉、静脉和血管的物理状态。对于便携式和台式CW多普勒超声波系统的需求正在增长，过去5年全球销量的年增长率估计为15%，这些多通道超声波设备每台都要使用数百个移相器。

大型超声波系统功能更强大，图像更清晰

西门子Medical Solutions、GE Healthcare Systems和飞利浦Medical Systems是三家最大的超声波系统制造商。西门子最近推出了妇产科使用的白金版Acuson Anteres系统。GE的Volusion 730系统主要用于胎儿超声心动图仪。相对紧凑些的飞利浦HD11 XE超声波系统则适合心脏科室使用。

西门子的Acuson系统基于该公司自己开发的节奏对比脉冲序列技术（CPS）。CPS也可以通过超声波诊断跟踪癌及癌细胞转移。通过整合非线性基本原理和较高阶谐波对比信号，CPS可以改善对比药剂的灵敏度和特征，这使得可以同时检测出只有对比药剂和被扫描生理组织才有的信号。另外，通过施加到多普勒信号上的啁啾编码激励，Acuson系统的高分辨率彩色流（HRCF）可以极大地改善超声波空间分辨率和灵敏度。

GE Volusion 730系统是一个四维超声波系统，其先进的信号处理功能可实现高等级的图像质量。GE独特的四维技术可以实现扫描图像的实时更新，它与三维成像的区别“好比一个是活动视频，一个是静止照片。”GE公司表示。

虽然西门子、GE和飞利浦的超声波系统代表了世界最先进的超声波设备，但它们体积庞大，价格昂贵，许多这样的系统价格都超过了20万美元。而且由于它们体积大，使用中的可移动性和灵活性受到很大限制。许多这样的系统都被放置于医院的放射室，不能移动到患者床前，而必须将病人带到机器前才能接受超声波检查和治疗。

便携产品将大行其道

由于认识到低成本、可移动性和灵活性的需要，一些公司开始推类似于笔记本电脑的高性能便携式机器，售价低至4万美元。便携式B超已不再是简易概念下的产品，而是大型、多功能B超的小型化（便携式、床边化、家庭化）概念，将给整个产业与技术的发展带来巨大的影响。

GE 的Logiq Book XP是一款类似笔记本电脑、重量仅10.3磅（包括电池）的超声波仪器，可用于心血管、腹腔和妇产科领域。Logiq Book XP性能的关键是采用了包括外科手术用小型血管传感器在内的先进传感器。该系统有一个GE的LOGIQ系列产品中常见的键盘、一个轻松导航的轨迹球和一个彩色显示器。配置有60GB的存储器，其中30GB专门用来保存30,000多个超声波。图像可以通过CD-R/W驱动器、USB设备或通过无线医学数字成像和通信（DICOM）协议输出。

连通性设计正在成为临床医疗设备的一个主要的设计因素。不管是采用ZigBee技术、以太网、CAN、蓝牙或是某种专门的RF解决方案，终端产品都必须能够与医院或诊所里的任何网络连接，而且还必须是非常安全的连接，以可靠地传输重要的数据，不损害病人的隐私权。

例如，GE的LOGIQ系列就具有有线及无线上网功能，能随时随地提供病人或伤员的详细生理数据，特别适用于运动会中为运动员及时诊断伤情。一旦出现不能确诊的情况，就可将伤情数据通过互联网迅速传递给其他地方的专家会诊。

Sonosite 公司通常被认为是便携式超声波成像市场的领头羊，这要归功于该公司的系统级芯片（SoC）成像技术。这种SoC在同一芯片上包含有数字信号处理和多种超声波功能。Sonosite的技术源自华盛顿大学应用物理实验室对声纳的研究成果，其最新产品是8磅重的MicroMaxx超声波成像系统，可用来诊断在美国占死亡原因第一位的心血管疾病（图4）。

图4：8磅重的MicroMaxx超声波成像系统来自Sonosite, 一家最早开拓手持式超声波成像设备市场的公司。该设备用于诊断心血管疾病。

Zonare 公司开发的便携式z.one系统可用于一般成像、妇产科、心脏科、血管科和其它新兴领域。它采用该公司专有的Zone超声波检查法和Zone Speed技术（ZST），可专门针对成像组织的区域快速收集大量数据（图5）。使用Zone超声波检查法可以在5.2ms内完成图像捕获，而传统的超声波技术需要花52ms。

z.one系统性能的关键部分是三个TI公司的C6?55 DSP芯片，这些芯片增强了视频处理和成像性能。该仪器可以在装有5.5磅扫描引擎的手推车上使用，在需要携带至别处使用时可以从手推车上取下引擎。 Zonare公司将该系统称为可装卸式超声波仪，因为它能快速方便地在许多不同的地方用于不同的医疗用途。

对超声波领域，TI许多高性能和高集成度的器件，如一系列8通道压控放大器VCA8617，可提供8个VCA通道和集成的低通滤波器，可节省板空间。其集成度水平和低功耗性能有助于增加系统通道密度，并有利于提高系统性能和便携性。

内窥镜超声波（EUS）是医疗领域中最新和增长最快的应用之一。在EUS帮助下，几英尺长的一根纤细导管可以通过食道向下或通过直肠向上插入到病人的消化道中。

EUS可帮助医生通过显微镜检查消化道内部及其周围的组织。内窥镜检查管就像潜望镜那样工作，它能帮助医生检查内部器官，并将窥视结果拍摄成照片或录像。EUS与常规内窥镜检查法的舒适度一样，虽然它所花的时间要长一些，因为它更精确，而且医生需要看清和分析更多的细节。

奥林巴斯有多款医疗内窥镜新产品。例如，经鼻插入的超细型上部消化道视频内窥镜“GIF TYPE N260”可大幅减轻患者痛苦，目前很受日本医生的欢迎，而名为“EVIS EXERA II”的内窥镜系统正被越来越多的欧美医院所采用。针对中国及其它亚洲地区的是名为“EVIS LUCERA”的高清内窥镜系统及普及型视频内窥镜“V70系统”。

EVIS EXERA II是专用于医疗及外科内窥镜检查的高清晰视频系统，该系统采用了1080i高清晰图像处理、窄带成像等先进技术，高性能的EVIS EXERA II处理器为HDTV等先进功能提供了强大的支持。为进行高效的图像管理，EVIS EXERA II还提供各种数字输出能力，使图像以数字形式进行传输或存储，从而很方便地在电脑中进行数据管理，而对图像质量没有任何损失。

细针抽吸活检术是一种更先进的EUS技术，已被加州大学的干涉内窥镜检查中心的总监和医学博士Kenneth Chang，以及Phuong Nguyen博士成功运用于许多病人。它在内窥镜的端点插入一个活检针，通过电视屏幕的控制和监视，这种针能让医生检查并判断癌细胞是增加了还是减少了 （作为治疗的效果）。在没有这种技术的情况下，病人需要经过许多探测性外科手术才能检查癌组织。

细针抽吸术也可以用来探查其它器官，包括心脏、肝、肠和胰腺。用这种方法可以看到直径小至6mm的胰腺肿瘤，CT扫描技术以前曾是观察肿瘤的最好方法，它只能发现大于2cm的肿瘤。

研究发现，33%的食道癌和75%的胰腺癌病例发现时已进入晚期，也即此时已经没有必要再实施探查用的外科手术。

图5：Zonare公司的z.one系统是一款重仅5.5磅的便携式超声波设备，适用于通用超声波成像，它采用该公司专有的Zone超声波检查法和Zone Speed技术（ZST），可专门针对成像组织的区域快速收集大量数据。

据Chang估计，在美国大约有150家医院在使用EUS。“大约有一半的医院可以做细针抽吸术，其中又有不到一半的医院正在成功地为病人实施细针抽吸术。”他说，“他们有生物工程学知识，但没有经验，当前最缺乏的是培训。”

理解EUS的超声波图像是一项非常艰巨的任务，需要进行培训和实践，且要头脑灵活，这也是Chang和Nguyen在UCI医疗中心每年教授三次超声波内窥镜课程的原因。事实上，Chang已经是Mayo诊所和其它诊疗中心的演讲佳宾。

EUS 是如此热门以致于许多医疗设备制造商（如Pentax）正准备研制EUS探针。以照相机着名的Pentax发明的具有360度全视角的第三代全电子放射阵列内窥镜已经在做临床试验，更小的线性阵列内窥镜也在开发中。据Pentax透露，新的压电材料、更高的制造效率和更有效的线缆与屏蔽材料对Pentax 的EUS先进设备都有很大的贡献。

另外一个重要的先进性能来自于Duke大学。那里的研究人员已经开发出整合了三维成像和加热治疗的超声波设备，这种设备能够很好地治疗心律不齐。

“还没有其他人开发出在导管中整合了治疗与成像功能的超声波设备，而让三维成像单独实现。”领导这一项目小组的生物医学工程教授Stephen Smith表示。他认为这种设备可以改进医生过去广泛使用的摧毁或烧灼掉引起心律不齐的异常心脏组织的方法。

更多医疗电子信息请关注：21ic医疗电子