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。