超聲顯像，從最初的A型診斷儀發(fā)展成為斷面顯像，功能越來越完善。至今，被簡稱為“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)學顯像的一個重要內(nèi)容（圖1）。

自1950年以來，超聲回波技術(shù)開始用于醫(yī)學中，然而由于技術(shù)上的問題，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)學超聲學的面目為之一新。隨后由于電子學與計算機技術(shù)的迅速進展，給醫(yī)學超聲帶來了巨大的變化。

更快更強大的信號處理能力、更好的非線性波形傳播處理能力、更高性能的傳感器、特殊對比藥劑的發(fā)展，以及圖像和實時信號處理技術(shù)的進步，所有這些因素正在促成超聲醫(yī)學成像市場的復(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)備制造商并沒感受到多少擠壓，因為他們是開發(fā)心臟成像和四維新型成像等獨創(chuàng)性醫(yī)療電子機器的先驅(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)。一個傳感器或一個傳感器陣列發(fā)射超聲波，然后監(jiān)聽反射回來的信號（圖2）。信號處理結(jié)合了反射回來的信號，并通過在一個寬的掃描區(qū)域內(nèi)執(zhí)行這一處理過程，勾畫出被掃區(qū)域的輪廓圖像。

超聲波頻率范圍從1到10MHz，信號可以穿透人體幾個厘米。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)時間和分辨率。

圖2：超聲波通過從一個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。

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超聲波可以通過消融有效地治療各種類型的腫瘤。

超聲波信號可以表現(xiàn)為灰度圖像、多普勒圖像或動靜脈圖像。灰度圖像是黑白色的。彩色的多普勒圖像可以用來檢查血液及其它體液的流速。動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35年以來，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X-Y平面上的聲波，并通過聲波的來回傳播形成圖像，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生成圖像，它在三維成像技術(shù)中增加了時間參數(shù)，以實現(xiàn)實時觀察。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)置強大的工作站級的圖像管理功能。

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)的標準。數(shù)字波束形成系統(tǒng)使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、具有固定功能的最新數(shù)字器件和DSP進行數(shù)據(jù)處理，由于數(shù)字處理可提供實時能力，因此它要求對信號進行優(yōu)化。數(shù)字化后的極坐標數(shù)據(jù)經(jīng)處理后映射進直角坐標系，保存到存儲器中，并發(fā)送給視頻和音頻編碼器。數(shù)字波束形成器的優(yōu)點是，可提高波束掃描速率，實現(xiàn)近、中、遠場接收狀態(tài)的連續(xù)動態(tài)聚焦和動態(tài)孔徑，并實現(xiàn)軟件提取回波信息。

模擬波束形成系統(tǒng)采用一個可變增益放大器來補償波束穿透介質(zhì)時引起的衰減。一個時延元件可以最大化來自焦點區(qū)域的反射信號的信噪比（SNR）。每個通道上時延后信號的相應(yīng)點經(jīng)過累加、壓縮和幅度檢測后，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，超聲波發(fā)射源和接收器都是固定不動的。當發(fā)射和接收多普勒超聲波信號時，諸如組織密度、流體的粘滯性以及流體的運動速度等變量都會產(chǎn)生具有很大動態(tài)范圍的信號，因此需要大動態(tài)范圍的信號處理元器件。而大動態(tài)范圍信號不可能數(shù)字化處理，因此CW多普勒儀需要ABF。

一般，一個ABF前端包含多個低噪聲放大器、模擬延遲線以及大量的交叉點開關(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)，從而無需多條模擬延遲線和交叉點開關(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)生通過快速檢查血液的流動和方向來準確評定動脈、靜脈和血管的物理狀態(tài)。對于便攜式和臺式CW多普勒超聲波系統(tǒng)的需求正在增長，過去5年全球銷量的年增長率估計為15%，這些多通道超聲波設(shè)備每臺都要使用數(shù)百個移相器。

大型超聲波系統(tǒng)功能更強大，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圖儀。相對緊湊些的飛利浦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)奏對比脈沖序列技術(shù)（CPS）。CPS也可以通過超聲波診斷跟蹤癌及癌細胞轉(zhuǎn)移。通過整合非線性基本原理和較高階諧波對比信號，CPS可以改善對比藥劑的靈敏度和特征，這使得可以同時檢測出只有對比藥劑和被掃描生理組織才有的信號。另外，通過施加到多普勒信號上的啁啾編碼激勵，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)是一個四維超聲波系統(tǒng)，其先進的信號處理功能可實現(xiàn)高等級的圖像質(zhì)量。GE獨特的四維技術(shù)可以實現(xiàn)掃描圖像的實時更新，它與三維成像的區(qū)別“好比一個是活動視頻，一個是靜止照片。”GE公司表示。

雖然西門子、GE和飛利浦的超聲波系統(tǒng)代表了世界最先進的超聲波設(shè)備，但它們體積龐大，價格昂貴，許多這樣的系統(tǒng)價格都超過了20萬美元。而且由于它們體積大，使用中的可移動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，不能移動到患者床前，而必須將病人帶到機器前才能接受超聲波檢查和治療。

便攜產(chǎn)品將大行其道

由于認識到低成本、可移動性和靈活性的需要，一些公司開始推類似于筆記本電腦的高性能便攜式機器，售價低至4萬美元。便攜式B超已不再是簡易概念下的產(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，將給整個產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)展帶來巨大的影響。

GE 的Logiq Book XP是一款類似筆記本電腦、重量僅10.3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)的先進傳感器。該系統(tǒng)有一個GE的LOGIQ系列產(chǎn)品中常見的鍵盤、一個輕松導(dǎo)航的軌跡球和一個彩色顯示器。配置有60GB的存儲器，其中30GB專門用來保存30,000多個超聲波。圖像可以通過CD-R/W驅(qū)動器、USB設(shè)備或通過無線醫(yī)學數(shù)字成像和通信（DICOM）協(xié)議輸出。

連通性設(shè)計正在成為臨床醫(yī)療設(shè)備的一個主要的設(shè)計因素。不管是采用ZigBee技術(shù)、以太網(wǎng)、CAN、藍牙或是某種專門的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線上網(wǎng)功能，能隨時隨地提供病人或傷員的詳細生理數(shù)據(jù)，特別適用于運動會中為運動員及時診斷傷情。一旦出現(xiàn)不能確診的情況，就可將傷情數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)迅速傳遞給其他地方的專家會診。

Sonosite 公司通常被認為是便攜式超聲波成像市場的領(lǐng)頭羊，這要歸功于該公司的系統(tǒng)級芯片（SoC）成像技術(shù)。這種SoC在同一芯片上包含有數(shù)字信號處理和多種超聲波功能。Sonosite的技術(shù)源自華盛頓大學應(yīng)用物理實驗室對聲納的研究成果，其最新產(chǎn)品是8磅重的MicroMaxx超聲波成像系統(tǒng)，可用來診斷在美國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)來自Sonosite, 一家最早開拓手持式超聲波成像設(shè)備市場的公司。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TI公司的C6?55 DSP芯片，這些芯片增強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，因為它能快速方便地在許多不同的地方用于不同的醫(yī)療用途。

對超聲波領(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)域中最新和增長最快的應(yīng)用之一。在EUS幫助下，幾英尺長的一根纖細導(dǎo)管可以通過食道向下或通過直腸向上插入到病人的消化道中。

EUS可幫助醫(yī)生通過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，雖然它所花的時間要長一些，因為它更精確，而且醫(yī)生需要看清和分析更多的細節(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)正被越來越多的歐美醫(yī)院所采用。針對中國及其它亞洲地區(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、窄帶成像等先進技術(shù)，高性能的EVIS EXERA II處理器為HDTV等先進功能提供了強大的支持。為進行高效的圖像管理，EVIS EXERA II還提供各種數(shù)字輸出能力，使圖像以數(shù)字形式進行傳輸或存儲，從而很方便地在電腦中進行數(shù)據(jù)管理，而對圖像質(zhì)量沒有任何損失。

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

細針抽吸術(shù)也可以用來探查其它器官，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)時已進入晚期，也即此時已經(jīng)沒有必要再實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），可專門針對成像組織的區(qū)域快速收集大量數(shù)據(jù)。

據(jù)Chang估計，在美國大約有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施細針抽吸術(shù)。”他說，“他們有生物工程學知識，但沒有經(jīng)驗，當前最缺乏的是培訓。”

理解EUS的超聲波圖像是一項非常艱巨的任務(wù)，需要進行培訓和實踐，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）正準備研制EUS探針。以照相機著名的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，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Pentax 的EUS先進設(shè)備都有很大的貢獻。

另外一個重要的先進性能來自于Duke大學。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，而讓三維成像單獨實現(xiàn)。”領(lǐng)導(dǎo)這一項目小組的生物醫(yī)學工程教授Stephen Smith表示。他認為這種設(shè)備可以改進醫(yī)生過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。

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