從推車式到便攜式:超聲智能探針可以改變醫(yī)療服務(wù)
發(fā)布時(shí)間:2020-09-16 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】醫(yī)學(xué)成像,特別是超聲成像技術(shù),正處于變革之中。過去,醫(yī)療人員使用推車式的高性能超聲波系統(tǒng)為病人診斷,而現(xiàn)在他們可以使用手持設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波成像。得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,超聲智能探針的尺寸越來(lái)越小且變得便攜,人們?cè)谵k公室和醫(yī)院之外就能夠獲得醫(yī)療保健。
超聲智能探針實(shí)質(zhì)上是一種便攜式超聲波,整個(gè)前端和幾乎所有后端硬件都集成其中。智能探針的功耗較低,尺寸也小,能夠在保持信號(hào)質(zhì)量的同時(shí)處理數(shù)據(jù),并且可以使用高速USB或無(wú)線連接在移動(dòng)設(shè)備上顯示圖像。
在不遠(yuǎn)的將來(lái),絕大多數(shù)醫(yī)生就能將智能探針裝進(jìn)口袋里。未來(lái)十年內(nèi)全球市場(chǎng)上出現(xiàn)幾百萬(wàn)個(gè)這樣的探針,其作用將與標(biāo)準(zhǔn)超聲系統(tǒng)相輔相成。然而,將超聲系統(tǒng)縮至手持設(shè)備的大小絕非易事,我們面臨著諸多挑戰(zhàn)。下面我們列舉了智能探針設(shè)計(jì)人員所面臨的七大挑戰(zhàn)。
供電
智能探針電源本身功耗較低,要為智能探針供電的同時(shí),使噪音保持在極低的水平,是設(shè)計(jì)人員面臨的兩大棘手挑戰(zhàn)。智能探針電源的設(shè)計(jì)人員必須在很小的體積內(nèi)進(jìn)行工作,他們不僅要使電源效率達(dá)到90%以上,且要讓設(shè)備在待機(jī)時(shí)保持低功耗,最重要的是讓其保持低噪音。大多數(shù)制造商需要將其電源切換至500 kHz以下,并且和外部時(shí)鐘保持同步,以最大限度地減少2-20 MHz超聲工作頻率范圍內(nèi)的諧波干擾。尺寸和效率之間的權(quán)衡是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
尺寸
20年前,64通道的超聲系統(tǒng)由多個(gè)A4大小的板組成,用于傳輸、接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、波束形成和處理,其與底板相接并可連接到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)上。如今,一塊完整的64通道智能探針的前端板必須要比信用卡還小(85 mm x 54 mm),但即使在技術(shù)進(jìn)步和高度集成的今日,要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍然任重道遠(yuǎn)。
通道數(shù)量
同時(shí)處理更多的通道可以提高畫面質(zhì)量。絕大多數(shù)推車式掃描儀具有128個(gè)或更多通道。最初的探針在內(nèi)部集成了8到16個(gè)通道。這些通道必須連接到一個(gè)更大的系統(tǒng)進(jìn)行處理。
目前,制造商們正試圖將多達(dá)64或128個(gè)通道集成到探針中。為了實(shí)現(xiàn)這樣的通道密度,他們現(xiàn)在可以利用新型的商業(yè)化設(shè)備,如德州儀器(TI)的高度集成的前端設(shè)備。采用TX7332 32通道傳輸模擬前端和AFE5832LP 32通道接收模擬前端,設(shè)計(jì)人員就能只使用兩個(gè)設(shè)備而放置64個(gè)通道。像這樣的設(shè)備可以給傳感器通電以產(chǎn)生超聲波脈沖,處理接收到的回聲,并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以生成圖像。這些前端仍然需要額外的設(shè)備,如處理器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA),來(lái)控制它們并處理生成的數(shù)據(jù)。這里的挑戰(zhàn)在于盡可能多地將這些設(shè)備裝入,以通過在相同的功耗預(yù)算內(nèi)增加通道數(shù)來(lái)提高畫面質(zhì)量。
每個(gè)通道的功耗
一臺(tái)推車式128通道超聲掃描儀的功耗約為500W到1kW。手持智能探針的功耗預(yù)算僅為3-5W,這樣醫(yī)生或患者就不會(huì)感到設(shè)備過熱,此外設(shè)備可能僅需電池供電即可運(yùn)行。這種低功率意味著不需要像風(fēng)扇這樣的冷卻機(jī)制,因?yàn)轱L(fēng)扇會(huì)使設(shè)備振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致畫面模糊。設(shè)計(jì)人員必須結(jié)合各種機(jī)制,以確保探針保持在其功率預(yù)算范圍內(nèi),包括讓某些設(shè)備在閑置時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài),以便在不使用時(shí)完全關(guān)閉設(shè)備。
圖1:半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步極大地減小了超聲波的大小和功率限制
數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理受多種因素影響,包括通道數(shù)量、預(yù)期功耗和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。在40兆赫的64通道系統(tǒng)采樣中,前端每秒產(chǎn)生大量5.12 GB的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)不能直接傳輸?shù)狡桨咫娔X或移動(dòng)設(shè)備。即使這些數(shù)據(jù)可以通過某種方式傳輸,但設(shè)備也無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)其進(jìn)行處理。因此,在將此數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元之前,必須將其轉(zhuǎn)換為可管理的大小。處理量基于顯示單元功耗、帶寬和處理能力這三者之間的權(quán)衡。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員使用超低功耗的FPGA和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制前端。
數(shù)據(jù)傳輸
對(duì)于有線探針,當(dāng)向顯示單元提供必要的電源和高數(shù)據(jù)傳輸帶寬時(shí),使用USB Type-C™的USB 3.1以及更高版本的接口更具優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于真正的移動(dòng)智能探針來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)必須通過無(wú)線傳輸。在市場(chǎng)可以買到多種無(wú)線通信協(xié)議,如 Wi-Fi®(802.11n、802.11ac、802.11ad或802.11ax標(biāo)準(zhǔn))。然而,當(dāng)多個(gè)設(shè)備使用同一波段時(shí),這些協(xié)議的帶寬會(huì)受到干擾的制約。雖然也有其他標(biāo)準(zhǔn)如802.11ah (Sub-1 GHz),但其帶寬通常會(huì)受到限制。
數(shù)據(jù)解讀
在智能探針中面臨的最大挑戰(zhàn)是對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速和高效的分析。如今,準(zhǔn)確的解讀需要許多醫(yī)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,這對(duì)醫(yī)生的能力和分析時(shí)間提出了較高的要求。而現(xiàn)在通過高速連接,數(shù)據(jù)可以發(fā)送到遠(yuǎn)程位置的服務(wù)器進(jìn)行快速分析。隨著大數(shù)據(jù)分析的興起,人工智能、圖像比較和解讀可以實(shí)時(shí)在線進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)診斷。
結(jié)論
醫(yī)學(xué)成像的下一個(gè)大浪潮將體現(xiàn)在微小的尺寸上。隨著超聲智能探針的設(shè)計(jì)人員不斷解決難題并以更低、更實(shí)惠的價(jià)格將更優(yōu)質(zhì)、尺寸更小,且具有連接性能的設(shè)備推向市場(chǎng),醫(yī)學(xué)界將見證智能探針被迅速采用的那一天。從發(fā)達(dá)國(guó)家的醫(yī)院到發(fā)展中國(guó)家的遠(yuǎn)程醫(yī)療中心,再到診斷戰(zhàn)場(chǎng)上的受傷士兵,超聲智能探針的快速發(fā)展正改變著整個(gè)環(huán)境,且有助于為全人類提供更好的醫(yī)療。
作者簡(jiǎn)介
Ravindra Munvar是德州儀器醫(yī)療系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)經(jīng)理,主要負(fù)責(zé)客戶支持和參考設(shè)計(jì)開發(fā)。Ravindra在醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn),擁有印度卡納塔克邦大學(xué)工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。
注:本文英文原文曾發(fā)表于Medical Design Technology
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測(cè)試庫(kù)獲得德國(guó)萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無(wú)線開發(fā)平臺(tái)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來(lái)更多臺(tái)式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器, 以推動(dòng)不斷增長(zhǎng)的IO-Link市場(chǎng)
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無(wú)線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 數(shù)字驅(qū)動(dòng)工業(yè),智能賦能制造 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024同期會(huì)議全公開!
- 團(tuán)體觀展招募!104CEF開啟組團(tuán)觀眾通道,解鎖更多禮遇
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
- 用Python自動(dòng)化雙脈沖測(cè)試
- 揭秘電動(dòng)汽車中直流鏈路電容器的奧秘(上)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動(dòng)力電池
動(dòng)力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號(hào)
多層PCB
多諧振蕩器
扼流線圈
耳機(jī)
二極管
二極管符號(hào)
發(fā)光二極管
防靜電產(chǎn)品
防雷
防水連接器
仿真工具
放大器
分立器件
分頻器
風(fēng)力渦輪機(jī)
風(fēng)能
風(fēng)扇
風(fēng)速風(fēng)向儀