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。

作者简介

Ravindra Munvar是德州仪器医疗系统团队的系统经理,主要负责客户支持和参考设计开发。Ravindra在医学成像设备的设计和开发方面有着丰富的经验,拥有印度卡纳塔克邦大学工程学学士学位。

注:本文英文原文曾发表于Medical Design Technology