一 前言
近十年来，便携彩超迅猛发展，根据Klein Biomedical Consultants(KBC)的报告，从2005年起全球便携彩超每年的销量增长均在20%以上，远远高于传统超声4%~5%的年增长率。
按目前市场上主流产品的情况，便携彩超主要分两大类：第一类可以称为“Ultrasound Tool”(超声工具)，主要用于非主流超声图像获取场合，如兽用、急诊、麻醉、神经科等的筛查和定位。其特点在于体积较小，功能简单，注重便携性，但不太注意传统超声诊断对设备的要求；第二类面向的主要是传统超声诊断市场，对图像和功能的要求较高，与传统台式彩超基本相同，同时也较注重便携性。第二类的老一代产品体积较大，便携性较差；微电子技术和集成技术的飞速发展使第二类的新一代产品体积更加小巧，功能更加强大，这一代便携彩超与台式彩超之间的关系非常类似于笔记本电脑和台式电脑的关系，所以我们也将其称为“笔记本式”便携彩超。
迈瑞最新推出的便携彩超M5即是一款笔记本式便携彩超。在本文中，将对笔记本式便携彩超的技术难点进行简单分析，然后介绍M5如何解决这些技术难点。
二 技术难点
相对于传统台式彩超，便携彩超的技术难点关键在于“便携”。其包含了两层含义：一是较小的体积和重量；一般的临床工作人员可以手提着到需要的地方去进行临床诊断；二是无外接电源情况下有较长的工作时间。
便携彩超的技术难点也就主要由“便携”而衍生，主要包括：
(1)体积问题：台式超声体积一般比较庞大，整个系统包括了发射与接收电路、信号处理、控制电路、显示、存储设备等等。便携彩超尽管体积小，超声成像设备中的任何部分同样不可或缺。如何在一个小体积把各个部分合理地安排进去，并且性能基本满足要求，是一个比较大的挑战。
(2)散热问题：由于体积的影响，便携彩超内部布局必然十分密集，这就使电路的各部分热量集中且难以散发，时间长了可能影响电路工作甚至损坏电路。
(3)功耗问题：便携彩超要求在没有外接电源的情况至少能连续工作1h以上。为了保证体积，便携彩超使用的电池体积(一般和电池容量成正比)和一般笔记本电脑使用的电池接近，但是便携彩超的功耗相当于普通笔记本电脑加上一台超声成像系统的功耗，在这样的条件下如何保证较长的工作时间是一个难题。事实上，也有一部分较早期的“便携彩超”放弃使用电池，必须在有外接电源情况下才能工作，严格来讲，也就不能称为“便携”彩超。
此外，前言中提到，笔记本式便携彩超对图像和功能的要求基本等同于台式彩超。而便携彩超的前端性能一般来讲相对于同档次台式彩超都会略为逊色一些，这样的话要使图像要求基本相当，就对信号处理方式、成像方法提出了更高的要求。
三 M5技术特色
1. 体积问题的解决
体积问题的解决思路非常直观，把超声成像系统的各部分电路都做小，也就有可能将所有电路都放于一个小空间之中。在这一点上，便携彩超可以充分利用电子工业领域中各种最新成果。一方面，电路集成化程度越来越高，这有利于板卡面积的缩小，对于便携彩超系统，要做的就是去寻找满足超声成像系统需要的最小芯片；另外一方面，板卡加工的工艺水平也越来越高，1.5mm厚的板卡内分为独立的十层或者更多层进行布线。M5系统最终实现了单接收通道面积约0.35cm2，单发射通道面积约3cm2(发射电路中由于是强电信号，可能达到100V，所以集成化较困难一些)，另外使用了十二层板布线技术，这使得体积问题基本得到了解决。
此外，作为便携系统，M5采取了“速度换空间”的思路，即提高单个数字处理芯片的处理速度，这样就可以减少数字处理芯片的使用量，从而缩小板卡面积，但性能不会降低。M5系统中FPGA工作频率达到了120MHz，这个速度无论在现有便携彩超，还是在整个超声成像系统中都是领先的。
2. 散热问题的解决
便携彩超的散热方法和一般笔记本电脑类似，主要是加散热片，并通过在不同位置加风扇使主机中产生稳定的气流从而带走各部分的热量。主要难点在于，当散热系统预先设计好，是否能满足系统要求难以提前判断。而当整个系统预先建立好，发现散热不满足要求时，将面临着更改外观、机械布局、板卡尺寸(相应要重新设计板卡、布板)等等问题，这对研发的进展要求、成本控制都是十分致命的。所以核心问题是，一旦机械结构、散热系统确定，就不容更改。
图1是M5中解决散热问题的基本思路，核心在于建立结构模型及散热模型后的散热仿真，如果仿真结果满足设计要求，就确定结构模型及散热方案，不满足则重新设计。设计结构模型及散热方案完全是在计算机工作站上用专用软件仿真完成。如果发现结构不合理，散热系统不满足要求，设计更改也是纯软件的，将成本降到了最低。当然，这样的思路能否奏效取决于建模水平和仿真能力，否则是毫无意义的。
图2为M5系统的部分散热模型(左图)及散热仿真结果(右图)，上图针对整个主机，下图针对主机中最热的部分CPU模块。右图中用不同颜色表示不同温度。仿真表明，对于最恶劣的情况，整个系统的温度离安全阈值还有30%的空间，从仿真角度来说，这结果是绝对满足要求的。接下来把系统做出来，进一步确认。
3. 功耗问题的解决
解决功耗问题的核心在于“低功耗设计”，主要是通过对系统各个部分的电源进行精确管理，使得各部分只在需要时才工作，在不需要时则处于关闭或休眠状态，这样就保证了以最高的效率来使用电池的能量，从而延长了电池的使用时间。
超声系统内部有各种各样工作模块，如发射、接收、各种成像模式的信号处理、外设支持等，但这些模块一起工作的情况非常少，这为低功耗设计提供了可能性。图3为超声成像系统中几种常用工作模式，以CW模式为例，此时只有CW处理模块需要工作，其它的B处理、Color处理、PW处理模块都不需要工作；对于B/D双工模式、图像冻结模式也类似，都有一部分电路是不需要工作的(出于说明方便，图3只是简单地列出各种模式的处理模块，对于实际的超声成像系统，内部结构要复杂得多)。
M5系统中基本上实现了对超声成像相关的所有芯片电源均可以独立控制，并且可以对芯片内部的一部分功能开启与否进行独立控制，这样可以最有效地利用电池能量，达到在无外接电源情况下更长的连续工作时间(1h以上)。
4. 图像优化技术
M5采用了很多先进图像优化技术和成像方法来弥补目前便携彩超前端性能的固有不足。
在成像方法方面，一些往往仅在中档台式彩超中才使用的成像技术也应用到了M5中。相对于目前市场上其他便携彩超，M5还应用了包括四波束接收、宽波束发射、复合成像等比较有特色的技术。
a. 四波束接收技术
据了解，M5是目前市场上所有便携彩超中唯一使用四波束接收技术的设备。四波束接收原理为一次发射同时接收四个波束(参见图4)。其原理是将一次发射不同通道接收到的回波分别给予不同的动态延时，从而形成对应不同位置的接收波束。相对于传统单波束系统(一次发射接收一个位置的波束)，四波束需要的运算电路是单波束的四倍，而便携彩超由于体积和功耗的限制，往往无法放置入这么多运算芯片，很难做到四波束接收。而在M5系统中，采取了“速度换空间”的做法，尽管运算芯片的数量并没有增加，但运算速度加快了，可以采用“分时复用”的方式，使一个芯片发挥以前四个芯片的功能。
四波束接收的优点是可以在同等帧率下获得更高的图像质量，或者同等图像质量下提高帧率。因此，M5系统相对于其他便携彩超，在同样密度显示时，帧率(尤其是Color模式的帧率)明显要高一些。
b. 宽波束发射技术
宽波束发射技术是和多波束接收技术相对应的，在传统单波束接收的系统中并不需要用到宽波束发射技术。
图5为宽波束发射(图左)和传统单波束系统中使用的强聚焦发射(图右)对比示意图。可以看到，强聚集发射能量集中一点，如果四波束接收同时使用强聚焦发射，不可避免的四波束内侧两接收线由于接近能量中心，相应能量比外侧两线强。这种能量差异反应在图像上则是纵向的明暗相间，类似栅栏的伪像。
宽波束发射通过调整参与发射各阵元的延时，使焦点处的能量不再集中于一点，而是分布于焦点位置有一定宽度的区域，通过调整参数可以改变聚焦区域的宽度。这样基本保证接收的四波束能量基本相等，消除图像上栅栏状伪像。
使用宽波束发射还可以改善图像的整场一致性。图6为强聚焦发射和宽波束发射的声场分布图。可以看到，强聚焦发射在焦点处有着很好的横向分辨力，而焦点外的区域横向分辨力则差了很多，离焦点越远差异越大。反映在图像上则是焦点处的横向分辨力、对比度分辨力与焦点外区域有明显差别。而宽波束发射在焦点处的横向分辨力明显不如强聚焦，但是焦点外绝大部分区域的横向分辨力优于强聚焦，且焦点位置和焦点外区域没有很明显的差别，尽管焦点处的质量略有牺牲，但图像有着更好的全场一致性。
c. 复合技术
M5中使用的复合技术包括了线阵B型图像的空间复合技术、线复合技术以及Color图像的帧复合技术。
(1)空间复合技术：图7为空间复合技术的示意图，按不同角度对检查区域进行扫描(图7显示的按五个不同角度扫描)，然后将不同角度扫描得到的结果进行叠加并显示。空间复合的主要优点在于提高对比度分辨力，增加组织边缘的连续性，避免由于扫描线和结构边缘平行导致的回声失落。空间复合技术在超声成像系统中已经有比较成熟的应用，因此本文不再仔细阐述。其难点主要在于扫描角度的精确控制，以及在图像叠加时的图像配准，计算量比较大，因此便携彩超系统中较少采用。M5系统中使用以速度换空间的策略，使得空间复合技术在便携系统上的实现有了可能。
(2)线复合技术：线复合技术是指使相邻两次发射的接收区域有一部分重合(图8中标为蓝色的线)，然后把两次发射重合部分的接收线相加后送回。一般来说，始终是前一次发射接收四波束的后两线和后一次发射接收四波束的前两线相加。
线复合技术主要作用在于改善由于四波束接收引起的点扩散函数(Point Spread Function，PSF)不对称缺陷。前文介绍的宽波束发射技术尽管可以基本消除接收四波束的能量不一致，但无法完全使接收的四波束PSF对称。
图9中标为Left的曲线为位于发射线左侧的接收线PSF曲线图，标为Right的曲线为位于发射线右侧的接收线PSF曲线图，接收PSF曲线一般总是向发射线中心倾斜，除非发射线和接收线完全重合，否则PSF总是有一些不对称。而在多波束接收系统中，发射线和接收线完全重合是不可能实现的。PSF不对称对应于图像上即是图像上的点形状不对称，呈横向雨滴状，影响观感，实际也反应了图像的一些失真。
利用处于发射线左侧的接收线PSF曲线和发射线右侧的接收线PSF曲线形状是基本对称的(参见图9中的Left和Right曲线)，将二者叠加，就得到基本对称PSF曲线(图9中的Combined曲线)，从而实现了PSF的纠正。
此外，线复合技术也可以使输出线的能量绝对一致。由图8可以看出，线复合时始终是四波束外侧的某一线和另一次发射接收的四波束内外某一线相加，即使宽波束发射未能完全保证内外波束能量一致，但复合后能量一致可以得到绝对保证。
(3)Color帧复合技术：Color帧复合技术思想来源于B空间复合成像。但是与B空间复合不同，Color成像不可能用不同角度分别去扫描得到图像，然后叠加。因为以不同角度扫描得到的血流速度必然不相同，相应血流混叠等情况也不相同，复合很难保证不出错。Color帧复合主要思想是前后两帧用相同角度，但是在不同位置进行发射和接收，然后把前后两次得到的图像进行叠加。这样做可以有效改善血流边缘的连续性，可以填充血流中出现的一些空洞，改善图像效果。图10为Color帧复合示意，左图为未复合的两帧，右图为复合后的结果。可以明显看到复合后的血流边缘有了很大的改善。
Color帧复合技术的核心在于针对不同组织的血流特点进行不同策略的帧复合。比如对心脏，血流变化非常迅速，帧复合要智能地判断前后两帧血流反向是生理特征还只是血流混叠造成的。而对肝脏、小器官这些血流变化相对比较慢的组织，帧复合效果可以做得强一些。
四 结语
本文对笔记本便携彩超的技术难点进行了分析，并结合笔者在M5开发过程中的体会进行了简单介绍。
M5是国内第一台具有完全自主知识产权的笔记本式便携彩超，它的诞生使中国也成为拥有笔记本便携彩超这一先进核心技术的国家。M5使用的一些技术在全球的便携彩超阵营中是比较领先的。就M5的综合性能而言，完全可以和目前市场上的进口便携彩超同场竞技。不过国内的便携彩超要想真正成为一流的产品，还有很长的路要走。幸运的是，随着国力的增强，中国已经形成了非常好的电子工业产业链，国内超声专家在超声临床应用方面也已经具备了国际先进水平，而坚持自主创新的迈瑞超声研发经过十余年的努力，也已经形成了一支具备国际开发水准的高效团队。这一切都为迈瑞超声研发出更好的、更符合临床需要的超声产品提供了条件。
