数字B超诊断系统结构的分析描述

　　随着数字技术的发展，FPGA和CPLD技术的日益成熟，开始广泛的应用于生产生活的各个方面。与模拟电路相比数字电路拥有更好的稳定性和可调性，且可以更好的降低成本。所以目前B超机正越来越数字化。

　　本文先介绍了当前B超诊断系统的现状、新技术的发展状况，然后，对比分析了模拟B超系统与现有数字B超系统的异同。最后，对B超诊断系统的未来作出展望。

　　1 概述

　　B超机作为一种诊断手段被广泛应用在临床上，它主要用于心内科、消化内科、泌尿科和妇产科疾病的诊断。B超机以其无创，检查方便，价格相对低廉，报告快捷等优点，是其他影像诊断技术所不能比拟的。B超机在实时显示人体脏器解剖结构和功能的基础上，显示全身各部位的血流动态，可进行定性与定量分析，从而对各种疾病的病理与病理生理演变规律有深入、全面的了解，已得到医患人员的公认与欢迎，成为临床工作中不可缺少的诊断方法。B超诊断是医院作为对病人的一项常规性检查，至今还没有出现过对病人有损伤的报道，B超也是医学界的六大影像诊断设备之一。

　　通过超声诊断仪来检查身体，向比于其他检测手段例如核磁共振来说，更有助于人类的健康。近十几年来，随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科技技术的迅速发展，超声诊断已要求从单一器官扩大到全身，从静态到动态，从定性到定量，从模拟到全数字化，从单参数到多参数，从二维到三维显示，从纵深到横向多个角度发展。另外，使仪器实现诊断自动化、网络化和智能化己经成为客观需求和主观目标。从工程技术角度看，B超在彩色血流测量技术、数字化波束形成技术、谐波成像技术、三维超声等方面近几年来的发展特别引人注目。其中较为突出的代表成就有：1)仪器功能方面，出现了B/D型双功能系统和超声彩色血流成像系统;2)在成像技术方面，出现了全数字化技术、非线性参量B/A实时断层显像仪、组织定征B超断层显像仪、对比谐波和组织谐波显像、多声束技术、多维超声成像技术;3)在探头方面，与全数字化技术相结合，出现了宽频探头和多频探头。

　　2 国内外研究现状和发展态势

　　我国从1958年研制成A型超声诊断仪以来，每一代产品基本都比国外的产品晚一代。目前我国专门从事超声诊断仪开发和生产的企业有几十家，由于自主开发力量薄弱，主要生产中低档产品，其主要性能指标已达到国外同类型产品水平，有能力替代进口产品。但我国在A、B两档中，差距就大了，不仅产品产量少，而且种类还有空白，如全数字化彩超仪国内就没有厂家能生产。目前，在国际上B超诊断仪的发展趋势是高档、中高档彩超都趋向全数字化技术，我国在这方面跟国外的技术差距还在拉大。从市场趋势来看，黑白B超诊断仪的中高档机和彩超机的需求量将逐步上升，而这正是我国B超产业的薄弱环节。在超声探头方面，我国基本能满足国内中低档B超诊断仪生产的需要，而高档探头与国外差距仍较大，主要表现是换能器复合材料研制能力不足，没有复合材料换能器这种国际主流产品，高密度探头和高频探头制造技术水平也有待提高。B超诊断仪是一种高科技产品，它在某种程度上反映一个国家的科技水平。全世界B超诊断仪主要生产国有美国、日本、德国、澳大利亚、意大利、丹麦、韩国和中国。美国、日本生产的B超诊断仪占世界超声诊断设备的70%。B超诊断仪的需求量很大，特别是中、高档B超诊断仪，更具市场潜力。相比之下，我国的生产水平和技术都相对落后，投入的科研资金和力量都很少，拥有自己知识产权的先进B超技术和高档产品数目还不多，市场所占的份额也很小。 最近几年来，随着FPGA技术的成熟，国外著名的B超生产商都相继推出了全数字化B超诊断仪，他们普遍采用了一种全新的数字声束合成技术，即在B超仪接收的前端就将回波信号转化成数字量，用数字方式实现信号的延迟与各种后续处理。数字技术的采用，使得动态聚焦的延时精度大大提高，而且可以非常方便的提供动态聚焦所需的不同延时时间，从而可以在接收聚焦中实现更多段的分段聚焦甚至是逐点聚焦。由于回波信号已数字化，可以避免在以后的处理中引入噪声，并且可以采用好的数字信号处理技术对回波信号进行处理，动态孔径和动态变迹的实现因而变得更加方便而灵活，因而获得的系统分辨率和模拟系统相比会有很大的提高。同时分辨率达到微米级的高频超声探头B超系统业得到广泛的应用。与此同时，超声诊断仪也开始出现两种形式：一是利用PC机强大的处理能力将B超的底层硬件视为PC的附属信号采集卡;另一种是采用DSP或ARM与FPGA相结合的方式，构造便携式的B超诊断仪。它们都越来越侧重硬件的软件化，以便于节省调试和开发时间和节约成本。

　　3 最新技术动态

　　70年代以来，医学超声工程技术的不断革新，推动了医学超声图像诊断的广泛而深入的发展。多阵元超声换能器技术，灰阶成像技术，数字扫描变换技术(DSC)，数字波束形成技术等新技术的开发应用推动了超声成像诊断技术的迅猛发展。目前，国外超声诊断装置的技术进展很多，某些技术进展是和装置的设计相关的，也就是按照使用单位的要求，尽可能将装置制造得小巧些，同时使操作更加方便，大多数的技术进展在于提高装置的性能，以拓展在临床中的应用范围。

　　a) 小型化

　　超声诊断装置的设计观念正在变化和改进之中。目前的重点则放在装置的小型化和便携式上面。另一个趋势则是实用模块式结构，使装置上的内部结构能方便地引入新开发出来的技术，从而易于升级换代。目前应市的新装置，己通常采用组入计算功能的软件包。

　　b) 功率多普勒

　　近年来，功率多普勒技术是诊断超声的最重要的进展之一。该技术解决了传统CFM (Color Flow Mapping)技术中彩色血流成像具有角度依赖性而无法显示垂直于波束的血流的问题，并可提高装置对体内血流控制的敏感度从理论上说，这类装置的灵敏度要比现行标准的功率多普勒装置增加6-10dB。目前技术研究的重点在于提高超声信号的功率或整体能量。其应用范围包括肌肉和骨骼的炎症、颈动脉、卵巢病理等成像以及器官移植。

　　c) 三维超声成像

　　三维超声成像可能对诊断技术做出重大的贡献。目前己有静态三维超声成像和动态三维超声成像两种，前者以空间分辨力为主，重组各种图形;后者以时间分辨力为主，可做出三个立体相交平面上的投影图、F型图、俯视图、表面观、透视观以及环视观等。三维超声成像起初是用在妇产科中作胎儿成像的，目前己有用于心脏、腹部肿瘤及动脉硬化等方面的报导。目前，三维超声成像技术是超声界研究的一个热点。

　　d)超声造影技术

　　超声造影技术，是指将与人体组织声学特性有差异的物质(造影剂)注入人体的特定部位，人为地扩大特定部分与周围组织间的差异，从而使超声图像更为清晰。近年来着重研究的是一种称为微泡的特殊造影剂，它可以提供类似照相负片效果的清晰图像。超声造影剂可望提高心血管血供和灰阶成像性能，其应用范围可期拓展至研究血管内壁功能和新的细胞增长，以及评价早期动脉硬化。