醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

吳偉文 深圳英美達(dá)醫(yī)療技術(shù)有限公司 （廣東 深圳 518055）

內(nèi)容提要： 以醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化為研究對(duì)象，針對(duì)目前超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)。首先，介紹超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的基本原理和現(xiàn)有技術(shù)，分析其在診斷和治療中的重要意義。其次，針對(duì)現(xiàn)有超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在圖像分辨率、探測(cè)深度等方面存在的問(wèn)題，提出一種新的雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用雙頻超聲探頭，能夠同時(shí)發(fā)射高頻和低頻超聲波，并通過(guò)信號(hào)處理算法將兩個(gè)頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而提高圖像的分辨率和探測(cè)深度。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)在臨床應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，該雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)能夠更清晰地顯示微小病灶，并具有更大的探測(cè)深度。該研究成果對(duì)超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的發(fā)展和臨床應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)是一種先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備，結(jié)合了超聲技術(shù)和內(nèi)窺鏡技術(shù)，可用于檢查、診斷和治療消化道疾病。該系統(tǒng)能夠提供高清晰度的圖像和精確的定位信息，對(duì)早期癌癥的檢測(cè)和治療起到了重要作用[1]。隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的快速發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)療對(duì)高效、安全和精準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備需求日益增加[2]。傳統(tǒng)的單頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在一些特定場(chǎng)景下存在局限性，如無(wú)法完全顯示組織的微結(jié)構(gòu)、無(wú)法同時(shí)提供高頻和低頻超聲信號(hào)等[3]。為了滿足這些需求，醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文將以醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化為研究主題，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和探討。介紹醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的基本原理和工作原理，并對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件進(jìn)行詳細(xì)討論，著重探討系統(tǒng)中的優(yōu)化方法和技術(shù)，以提高系統(tǒng)性能和圖像質(zhì)量，并降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的深入研究與優(yōu)化，相信能夠進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。這不僅有助于提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性和效率，還能為患者提供更加舒適和安全的診療體驗(yàn)。同時(shí)，該系統(tǒng)的開發(fā)也將帶動(dòng)超聲成像技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，為人類健康事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)[5]。

1.超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)

醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)是一種醫(yī)療設(shè)備，主要用于檢查和診斷消化道和胰腺疾病。它結(jié)合了超聲技術(shù)和內(nèi)鏡技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并能夠提供高質(zhì)量的圖像和實(shí)時(shí)的超聲影像[6]。該系統(tǒng)由內(nèi)鏡探頭、超聲發(fā)射器和接收器、控制臺(tái)以及圖像處理軟件組成，具體見圖1。

圖1.超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)

內(nèi)鏡探頭通過(guò)患者的口腔或直腸插入體內(nèi)，配備了超聲傳感器和攝像頭，可以同時(shí)獲取超聲圖像和內(nèi)窺鏡圖像。超聲發(fā)射器會(huì)向體內(nèi)發(fā)射超聲波，接收器則用于接收反射回來(lái)的超聲信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為圖像顯示在屏幕上[7]。通過(guò)控制臺(tái)，醫(yī)生可以調(diào)整超聲波的頻率和方向，幫助獲得更好的圖像品質(zhì)。圖像處理軟件用于對(duì)捕捉到的超聲圖像進(jìn)行處理和分析，輔助醫(yī)生準(zhǔn)確診斷疾病。醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)具有高分辨率圖像、實(shí)時(shí)成像、非侵入性、多功能性和安全性的優(yōu)點(diǎn)。它被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療領(lǐng)域，特別是在消化內(nèi)鏡檢查和胰腺疾病診斷中，為醫(yī)生提供了一種準(zhǔn)確、可靠和無(wú)創(chuàng)的手段來(lái)診斷和治療患者病情。

在此基礎(chǔ)上發(fā)展的醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合高頻和低頻技術(shù)，提供了更廣泛的臨床應(yīng)用能力和更高的成像質(zhì)量[8]。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)有望成為醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域的重要工具，為醫(yī)生提供更全面準(zhǔn)確的診斷和治療支持。

2.當(dāng)前醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)存在的問(wèn)題

2.1 成像質(zhì)量不穩(wěn)定

由于超聲探頭的設(shè)計(jì)和使用條件的限制，醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的成像質(zhì)量可能受到影響。成像質(zhì)量不穩(wěn)定可能導(dǎo)致醫(yī)生無(wú)法準(zhǔn)確地診斷患者的病情。同時(shí)當(dāng)前的醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)多是單幅成像，不能進(jìn)行多幅對(duì)比分析。在實(shí)際使用過(guò)程中，臨床醫(yī)護(hù)人員最多只能進(jìn)行掃描回顧，難以同時(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，為患者病情的診斷造成了障礙。

2.2 操作復(fù)雜

醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的操作相對(duì)復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)專門的培訓(xùn)才能正確使用。操作復(fù)雜性可能導(dǎo)致操作人員出錯(cuò)或者花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成檢查。當(dāng)前的醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)能夠滿足不同的超聲頻率檢測(cè)需求，但往往需要更換探頭，這一過(guò)程需要依靠醫(yī)務(wù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)更換，切換過(guò)程繁瑣復(fù)雜，大大降低了檢測(cè)效率。

2.3 局限性

醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在某些部位或器官的檢查方面可能有局限性。例如，超聲波難以穿透骨骼或氣體，因此在骨骼或肺部等部位的應(yīng)用上存在一定的限制。

2.4 昂貴的設(shè)備和維護(hù)成本

醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)通常是昂貴的，這使得它們對(duì)于一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)不可承受。此外，維護(hù)和修理費(fèi)用也較高，增加了醫(yī)療機(jī)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)成本。

2.5 專業(yè)人員需求

使用醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員進(jìn)行操作和解讀結(jié)果。然而，這些專業(yè)人員往往有限，并且在某些地區(qū)可能難以獲得，從而限制了醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的使用范圍。

2.6 侵入性

醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)通常需要在患者體內(nèi)插入探頭進(jìn)行檢查，這對(duì)一些患者來(lái)說(shuō)可能是不舒適或具有一定風(fēng)險(xiǎn)的。

3.新型醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)是一種先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備，它結(jié)合了高頻和低頻兩種超聲波技術(shù)，具有更廣泛的臨床應(yīng)用范圍和更高的成像質(zhì)量[9]。

醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)主要由超聲探頭、信號(hào)處理系統(tǒng)和顯示器等組件構(gòu)成。其中，超聲探頭是該系統(tǒng)的核心部分，可以發(fā)射和接收不同頻率的超聲波[10]。高頻探頭通常用于淺層組織成像，具有較高的分辨率和對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的敏感度；而低頻探頭則適用于深層組織成像，具有較大的穿透深度和對(duì)大血管等結(jié)構(gòu)的顯示能力。

3.1 雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)探頭設(shè)計(jì)

對(duì)于雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)探頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)見圖2所示。

圖2.雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)探頭

該設(shè)計(jì)的優(yōu)化之處主要集中在以下幾個(gè)方面：①采用雙頻探頭設(shè)計(jì)，即安裝了換能器A和換能器B，可以同時(shí)發(fā)送和接收兩個(gè)不同頻率的超聲波信號(hào)。這種設(shè)計(jì)可以增加超聲內(nèi)鏡的成像能力，提供更多的圖像細(xì)節(jié)。②設(shè)計(jì)了固定座和旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)安裝在外殼內(nèi)的公接頭和撥桿，可以實(shí)現(xiàn)探頭的旋轉(zhuǎn)和調(diào)整角度。這樣的設(shè)計(jì)可以使探頭的使用更加靈活，能夠適應(yīng)不同患者的需求。③在彈性管內(nèi)安裝同軸屏蔽線、同軸芯線A和同軸芯線B，同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和公接頭與探頭相連。這樣的設(shè)計(jì)可以保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，減少信號(hào)失真。④同軸芯線A和同軸芯線B共用同軸屏蔽線，形成并聯(lián)的兩條信號(hào)回路。這種設(shè)計(jì)可以提高信號(hào)的傳輸效率和抗干擾能力，確保良好的圖像質(zhì)量。

該設(shè)計(jì)改進(jìn)了超聲內(nèi)鏡探頭的結(jié)構(gòu)和性能，使其具備更好的成像能力和使用便捷性。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高超聲內(nèi)鏡的診斷效果，為醫(yī)生提供更準(zhǔn)確、清晰的圖像信息，有助于提高疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療效果[11]。同時(shí)，還涉及信號(hào)傳輸和抗干擾技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于超聲內(nèi)鏡探頭的工程設(shè)計(jì)和制造具有一定的參考價(jià)值。

3.2 雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)控制方法見圖3所示。

圖3.雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的超聲內(nèi)鏡操作需要手動(dòng)更換超聲探頭以及對(duì)超聲探頭進(jìn)行配置，操作繁瑣且容易出錯(cuò)。而本設(shè)計(jì)通過(guò)采用雙頻超聲內(nèi)鏡和自動(dòng)確定采集通道的方法，省去了手動(dòng)更換超聲探頭和配置的步驟，簡(jiǎn)化了操作流程，提高了操作的便利性。由于加入了自動(dòng)確定采集通道，即自動(dòng)確定所采用的超聲探頭的采集頻率，無(wú)需手動(dòng)配置，有效節(jié)省了操作人員的時(shí)間和精力，并且能夠快速進(jìn)行超聲掃描，提高了掃描效率。本設(shè)計(jì)通過(guò)采用雙頻超聲內(nèi)鏡進(jìn)行超聲掃描，可以獲得更豐富的超聲數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用于生成更清晰、更準(zhǔn)確的超聲圖像，有助于醫(yī)生作出準(zhǔn)確的診斷?？傮w來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了操作流程、提高了掃描效率和提升了診斷準(zhǔn)確性。這對(duì)于超聲內(nèi)鏡的應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有重要意義，可使操作更便捷、提高工作效率和提升診斷水平，有助于改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。具體采集方法流程圖見圖4。

以雙頻采集模式為例，采集過(guò)程、切換過(guò)程、回放過(guò)程流程圖見下圖5、圖6、圖7。

圖5.雙頻采集模式采集過(guò)程流程圖

圖6.雙頻采集模式切換過(guò)程流程圖

圖7.雙頻采集模式回放過(guò)程流程圖

3.3 雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)圖像采集方法設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前的醫(yī)用超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)多是單幅成像，不能進(jìn)行多幅對(duì)比分析的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)圖像采集方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在超聲圖像采集過(guò)程中，為雙頻超聲內(nèi)鏡的各采集頻率分配獨(dú)立的儲(chǔ)存區(qū)域和顯示區(qū)域。這樣做的意義在于可以在超聲圖像回放過(guò)程中同步顯示各采集頻率的超聲圖像，也可以在不同的顯示區(qū)域顯示不同采集時(shí)刻或頻率的超聲圖像[12]。這樣的設(shè)計(jì)方便了使用者對(duì)同一采集時(shí)刻的超聲圖像進(jìn)行對(duì)比，也方便了對(duì)不同采集時(shí)刻或頻率的超聲圖像進(jìn)行對(duì)比，提高了圖像分析和評(píng)估的效率。同時(shí)，該方法和裝置利用了雙頻超聲內(nèi)鏡的特點(diǎn)，提供了更多的圖像信息和選項(xiàng)，增加了超聲圖像采集的靈活性和應(yīng)用范圍。

3.4 實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于它可以根據(jù)不同的臨床需求和解剖位置選擇合適的頻率進(jìn)行成像。在診斷和治療過(guò)程中，醫(yī)生可以根據(jù)病變的深度和性質(zhì)，靈活地切換使用高頻或低頻模式[13]。這樣一來(lái)，就能夠更好地觀察和評(píng)估病變的特征，提高診斷準(zhǔn)確性。

此外，雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)還具有其他一些優(yōu)勢(shì)。例如，雙頻成像可以提供更豐富的信息和對(duì)比度，增加了圖像的辨識(shí)度和可視化效果。盡管醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在成本和使用復(fù)雜性上可能稍高于傳統(tǒng)單頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)，但它的臨床應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。例如，在胃腸道領(lǐng)域，雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)可以用于早期胃癌和食管癌的檢測(cè)與評(píng)估；在泌尿系統(tǒng)領(lǐng)域，它可以用于評(píng)估前列腺癌和腎臟疾病等。

4.小結(jié)

綜上所述，醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)本文的研究，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行了深入的分析和探討。首先，介紹了系統(tǒng)的基本原理和工作原理，并重點(diǎn)討論了超聲發(fā)射和接收器件、成像算法和信號(hào)處理等關(guān)鍵組件。其次，提出了一些優(yōu)化方法和技術(shù)，以提高系統(tǒng)性能和圖像質(zhì)量，并降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。這些優(yōu)化措施包括改進(jìn)超聲探頭的設(shè)計(jì)、優(yōu)化成像算法以及引入新的信號(hào)處理技術(shù)等。通過(guò)這些優(yōu)化，可以更好地滿足醫(yī)療診斷的需求，提高檢測(cè)和治療的準(zhǔn)確性和效率。最后，展望了醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)在未來(lái)的發(fā)展方向。

盡管醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但仍然存在一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題需要解決。例如，如何進(jìn)一步提高圖像分辨率、增強(qiáng)組織對(duì)比度以及實(shí)現(xiàn)更精確的定位等。此外，系統(tǒng)的可靠性和安全性也是需要關(guān)注的重要問(wèn)題。因此，未來(lái)的研究可以集中于改進(jìn)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，探索新的成像技術(shù)和算法，并在臨床實(shí)踐中進(jìn)行大規(guī)模的驗(yàn)證和應(yīng)用。總之，醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)是一項(xiàng)具有重要意義的醫(yī)療設(shè)備，對(duì)提高醫(yī)學(xué)診斷和治療水平有著積極的影響。通過(guò)持續(xù)的研究和創(chuàng)新，有理由相信醫(yī)用雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)將在未來(lái)發(fā)展成為更加成熟和先進(jìn)的技術(shù)，為醫(yī)療行業(yè)帶來(lái)更大的價(jià)值。