超声智能探头的七大设计挑战

医学成像，特别是超声，正在经历重大转变。除了基于推车的高性能超声系统外，现在还可以使用手持设备来完成高质量的超声成像。由于半导体技术的进步，超声智能探头变得更小、更便携，可以在医疗办公室和医院之外获得医疗保健服务。

超声智能探头本质上是一种便携式超声，它集成了整个前端和几乎所有后端硬件。随着功耗和尺寸的降低，智能探头可以处理数据，同时保持信号质量，并使用高速 USB 或无线连接在移动设备上显示图像。

大多数医生会在口袋里携带一个类似于听诊器的智能探头单元的这一天即将到来，他们不仅可以听到，还可以看到身体内部——可能会在全球范围内形成数百万个单位的市场未来十年，补充标准超声系统。但将系统缩小为手持设备并非易事，并带来许多挑战。

以下是智能探头设计人员面临的一些最重大挑战。

为设备供电

以极低的噪声为智能探头供电并确保电源本身不消耗高功率是两个棘手的挑战。智能探头电源的设计人员必须在非常小的面积和高度内工作，同时实现效率超过 90%，并且在空闲时消耗低功耗，最重要的是低噪声。大多数制造商需要将其电源切换到 1 MHz 以下并与外部时钟同步，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。规模与效率的权衡是一个巨大的挑战。

尺寸

20 年前，一个 64 通道的超声系统由多个 A4 大小的板组成，每个板用于发送、接收、模数转换、波束形成和处理，这些板连接到背板并连接到标准计算机。如今，一个完整的 64 通道智能探头前端板需要小于信用卡的尺寸 (85 × 54 mm)。然而，即使在技术和高度集成方面取得了所有进步，实现这种小型化水平仍然是不小的壮举。

频道数

同时处理更多数量的通道会带来更好的图像质量。如今，大多数基于推车的扫描仪都有 128 个或更多通道。最初的智能探头在探头内部集成了 8 个或 16 个通道。这些通道必须连接到更大的系统进行处理。

目前，制造商正试图将多达 64 或 128 个通道集成到探头中。为了实现这样的通道密度，他们现在可以利用新的商用现成设备，例如德州仪器 (TI) 的高度集成前端设备。

例如，32 通道发送模拟前端 TX7332 和 32 通道接收模拟前端 AFE5832LP 使设计人员能够仅使用两个器件来容纳 64 个通道。此类设备为换能器提供能量以产生超声脉冲、处理接收到的回波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。挑战在于尽可能多地封装这些设备，以通过在相同功率预算内增加通道数来提高图像质量。

每通道功率

一个 128 通道的基于推车的超声扫描仪消耗大约 500 W 到 1 kW 的总功率。手持式智能探头的功率预算仅为 3-5 W，因此对于医生来说握持或患者感觉都不会太热，并且它可能会使用电池进行操作。这种低功率意味着没有空间安装风扇等冷却机制，这可能会导致振动并导致图像模糊。设计人员必须采用各种机制来确保探头保持在其功率预算范围内，从在某些设备空闲时将其置于睡眠状态到在设备不使用时将其完全断电。快速开启/关闭对于帮助实现这一目标非常重要。

图 1：半导体技术的进步极大地缓解了超声波尺寸和功率限制。

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 MHz 的 64 通道系统采样中，前端每秒生成 5.12 GB 的海量数据，无法直接传输到平板电脑或移动设备。即使这些数据是通过某种方式传输的，设备也无法实时处理它。因此，这些数据在发送到显示单元之前必须经过预处理并转换为可管理的大小。处理量基于显示单元的功率、带宽和处理能力之间的权衡。大多数设计人员使用超低功耗 FPGA 和处理器进行数据处理和控制前端。

数据传输

对于有线探头，在为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 和更高版本的接口可能是一个优势。但对于真正的移动智能探头，数据必须以无线方式传输。市面上有多种无线通信协议，如 Wi-Fi（802.11n、802.11ac、802.11ad 或 802.11ax 标准）；但是，当多个设备使用同一频段时，这些可能会受到其带宽干扰的限制。存在其他标准，如 802.11ah（低于 1 GHz），但带宽有限。

数据解读

最大的智能探头挑战是能够快速有效地分析大量数据。今天，准确的解释需要许多医生来分析数据，并且有很大的能力和时间限制。通过高速连接，可以将数据发送到远程位置的服务器以进行快速分析。随着大数据分析和人工智能的兴起，图像比对和解释可以实时在线进行，从而实现即时诊断。

结论

医学成像的下一波浪潮正在以非常小的尺寸出现。随着超声智能探头的设计人员解决了挑战，并以更低和更实惠的价格将更好的设备推向市场——尺寸更小但仍具有连接性——医学界将见证智能探头的迅速采用。从发达国家的医院到发展中国家的远程医疗中心，再到在战场上诊断受伤士兵，超声智能探头的快速发展正在改变格局并帮助提供更好的护理。

审核编辑：汤梓红