医用双频超声内镜系统设计与优化

吴伟文 深圳英美达医疗技术有限公司 （广东 深圳 518055）

内容提要： 以医用双频超声内镜系统的设计与优化为研究对象，针对目前超声内镜系统在临床应用中存在的不足进行改进。首先，介绍超声内镜系统的基本原理和现有技术，分析其在诊断和治疗中的重要意义。其次，针对现有超声内镜系统在图像分辨率、探测深度等方面存在的问题，提出一种新的双频超声内镜系统设计方案。该方案采用双频超声探头，能够同时发射高频和低频超声波，并通过信号处理算法将两个频段的数据进行融合，从而提高图像的分辨率和探测深度。最后，通过实验证明该系统在临床应用中的优势和可行性。实验结果显示，与现有系统相比，该双频超声内镜系统能够更清晰地显示微小病灶，并具有更大的探测深度。该研究成果对超声内镜系统的发展和临床应用具有一定的指导意义。

医用双频超声内镜系统是一种先进的医疗设备，结合了超声技术和内窥镜技术，可用于检查、诊断和治疗消化道疾病。该系统能够提供高清晰度的图像和精确的定位信息，对早期癌症的检测和治疗起到了重要作用[1]。随着医学科学的快速发展，现代医疗对高效、安全和精准的医疗设备需求日益增加[2]。传统的单频超声内镜系统在一些特定场景下存在局限性，如无法完全显示组织的微结构、无法同时提供高频和低频超声信号等[3]。为了满足这些需求，医用双频超声内镜系统应运而生。本文将以医用双频超声内镜系统的设计与优化为研究主题，对其关键技术进行分析和探讨。介绍医用双频超声内镜系统的基本原理和工作原理，并对系统中的关键组件进行详细讨论，着重探讨系统中的优化方法和技术，以提高系统性能和图像质量，并降低成本和风险。通过对医用双频超声内镜系统的深入研究与优化，相信能够进一步推动该技术在医学领域的应用[4]。这不仅有助于提高医疗诊断的准确性和效率，还能为患者提供更加舒适和安全的诊疗体验。同时，该系统的开发也将带动超声成像技术在其他领域的应用和发展，为人类健康事业作出更大的贡献[5]。

1.超声内镜系统

医用超声内镜系统是一种医疗设备，主要用于检查和诊断消化道和胰腺疾病。它结合了超声技术和内镜技术的优势，并能够提供高质量的图像和实时的超声影像[6]。该系统由内镜探头、超声发射器和接收器、控制台以及图像处理软件组成，具体见图1。

图1.超声内镜系统

内镜探头通过患者的口腔或直肠插入体内，配备了超声传感器和摄像头，可以同时获取超声图像和内窥镜图像。超声发射器会向体内发射超声波，接收器则用于接收反射回来的超声信号，并将其转化为图像显示在屏幕上[7]。通过控制台，医生可以调整超声波的频率和方向，帮助获得更好的图像品质。图像处理软件用于对捕捉到的超声图像进行处理和分析，辅助医生准确诊断疾病。医用超声内镜系统具有高分辨率图像、实时成像、非侵入性、多功能性和安全性的优点。它被广泛应用于临床医疗领域，特别是在消化内镜检查和胰腺疾病诊断中，为医生提供了一种准确、可靠和无创的手段来诊断和治疗患者病情。

在此基础上发展的医用双频超声内镜系统通过结合高频和低频技术，提供了更广泛的临床应用能力和更高的成像质量[8]。随着技术的进一步发展，双频超声内镜系统有望成为医学影像学领域的重要工具，为医生提供更全面准确的诊断和治疗支持。

2.当前医用超声内镜系统存在的问题

2.1 成像质量不稳定

由于超声探头的设计和使用条件的限制，医用超声内镜系统的成像质量可能受到影响。成像质量不稳定可能导致医生无法准确地诊断患者的病情。同时当前的医用超声内镜系统多是单幅成像，不能进行多幅对比分析。在实际使用过程中，临床医护人员最多只能进行扫描回顾，难以同时进行关联分析，为患者病情的诊断造成了障碍。

2.2 操作复杂

医用超声内镜系统的操作相对复杂，需要经过专门的培训才能正确使用。操作复杂性可能导致操作人员出错或者花费更长的时间来完成检查。当前的医用超声内镜系统能够满足不同的超声频率检测需求，但往往需要更换探头，这一过程需要依靠医务人员的操作经验进行手动更换，切换过程繁琐复杂，大大降低了检测效率。

2.3 局限性

医用超声内镜系统在某些部位或器官的检查方面可能有局限性。例如，超声波难以穿透骨骼或气体，因此在骨骼或肺部等部位的应用上存在一定的限制。

2.4 昂贵的设备和维护成本

医用超声内镜系统通常是昂贵的，这使得它们对于一些医疗机构来说不可承受。此外，维护和修理费用也较高，增加了医疗机构的运营成本。

2.5 专业人员需求

使用医用超声内镜系统需要经验丰富的专业人员进行操作和解读结果。然而，这些专业人员往往有限，并且在某些地区可能难以获得，从而限制了医用超声内镜系统的使用范围。

2.6 侵入性

医用超声内镜系统通常需要在患者体内插入探头进行检查，这对一些患者来说可能是不舒适或具有一定风险的。

3.新型医用双频超声内镜系统设计

医用双频超声内镜系统是一种先进的医疗设备，它结合了高频和低频两种超声波技术，具有更广泛的临床应用范围和更高的成像质量[9]。

医用双频超声内镜系统主要由超声探头、信号处理系统和显示器等组件构成。其中，超声探头是该系统的核心部分，可以发射和接收不同频率的超声波[10]。高频探头通常用于浅层组织成像，具有较高的分辨率和对细微结构的敏感度；而低频探头则适用于深层组织成像，具有较大的穿透深度和对大血管等结构的显示能力。

3.1 双频超声内镜系统探头设计

对于双频超声内镜系统探头的优化设计见图2所示。

图2.双频超声内镜系统探头

该设计的优化之处主要集中在以下几个方面：①采用双频探头设计，即安装了换能器A和换能器B，可以同时发送和接收两个不同频率的超声波信号。这种设计可以增加超声内镜的成像能力，提供更多的图像细节。②设计了固定座和旋转轴，通过安装在外壳内的公接头和拨杆，可以实现探头的旋转和调整角度。这样的设计可以使探头的使用更加灵活，能够适应不同患者的需求。③在弹性管内安装同轴屏蔽线、同轴芯线A和同轴芯线B，同时通过旋转轴和公接头与探头相连。这样的设计可以保证信号传输的稳定性和可靠性，减少信号失真。④同轴芯线A和同轴芯线B共用同轴屏蔽线，形成并联的两条信号回路。这种设计可以提高信号的传输效率和抗干扰能力，确保良好的图像质量。

该设计改进了超声内镜探头的结构和性能，使其具备更好的成像能力和使用便捷性。通过优化设计，可以提高超声内镜的诊断效果，为医生提供更准确、清晰的图像信息，有助于提高疾病的早期发现和治疗效果[11]。同时，还涉及信号传输和抗干扰技术的应用，对于超声内镜探头的工程设计和制造具有一定的参考价值。

3.2 双频超声内镜系统控制方法设计

优化后的双频超声内镜系统控制方法见图3所示。

图3.双频超声内镜系统控制方法

传统的超声内镜操作需要手动更换超声探头以及对超声探头进行配置，操作繁琐且容易出错。而本设计通过采用双频超声内镜和自动确定采集通道的方法，省去了手动更换超声探头和配置的步骤，简化了操作流程，提高了操作的便利性。由于加入了自动确定采集通道，即自动确定所采用的超声探头的采集频率，无需手动配置，有效节省了操作人员的时间和精力，并且能够快速进行超声扫描，提高了扫描效率。本设计通过采用双频超声内镜进行超声扫描，可以获得更丰富的超声数据。这些数据可用于生成更清晰、更准确的超声图像，有助于医生作出准确的诊断。总体来说，设计简化了操作流程、提高了扫描效率和提升了诊断准确性。这对于超声内镜的应用来说具有重要意义，可使操作更便捷、提高工作效率和提升诊断水平，有助于改善医疗服务质量。具体采集方法流程图见图4。

以双频采集模式为例，采集过程、切换过程、回放过程流程图见下图5、图6、图7。

图5.双频采集模式采集过程流程图

图6.双频采集模式切换过程流程图

图7.双频采集模式回放过程流程图

3.3 双频超声内镜系统图像采集方法设计

针对当前的医用超声内镜系统多是单幅成像，不能进行多幅对比分析的问题，对系统图像采集方法进行优化设计。在超声图像采集过程中，为双频超声内镜的各采集频率分配独立的储存区域和显示区域。这样做的意义在于可以在超声图像回放过程中同步显示各采集频率的超声图像，也可以在不同的显示区域显示不同采集时刻或频率的超声图像[12]。这样的设计方便了使用者对同一采集时刻的超声图像进行对比，也方便了对不同采集时刻或频率的超声图像进行对比，提高了图像分析和评估的效率。同时，该方法和装置利用了双频超声内镜的特点，提供了更多的图像信息和选项，增加了超声图像采集的灵活性和应用范围。

3.4 实际应用优势分析

双频超声内镜系统的优势在于它可以根据不同的临床需求和解剖位置选择合适的频率进行成像。在诊断和治疗过程中，医生可以根据病变的深度和性质，灵活地切换使用高频或低频模式[13]。这样一来，就能够更好地观察和评估病变的特征，提高诊断准确性。

此外，双频超声内镜系统还具有其他一些优势。例如，双频成像可以提供更丰富的信息和对比度，增加了图像的辨识度和可视化效果。尽管医用双频超声内镜系统在成本和使用复杂性上可能稍高于传统单频超声内镜系统，但它的临床应用前景相当广阔。例如，在胃肠道领域，双频超声内镜系统可以用于早期胃癌和食管癌的检测与评估；在泌尿系统领域，它可以用于评估前列腺癌和肾脏疾病等。

4.小结

综上所述，医用双频超声内镜系统在医学领域具有广阔的应用前景。通过本文的研究，对该系统的设计与优化进行了深入的分析和探讨。首先，介绍了系统的基本原理和工作原理，并重点讨论了超声发射和接收器件、成像算法和信号处理等关键组件。其次，提出了一些优化方法和技术，以提高系统性能和图像质量，并降低成本和风险。这些优化措施包括改进超声探头的设计、优化成像算法以及引入新的信号处理技术等。通过这些优化，可以更好地满足医疗诊断的需求，提高检测和治疗的准确性和效率。最后，展望了医用双频超声内镜系统在未来的发展方向。

尽管医用双频超声内镜系统已经取得了显著的进展，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。例如，如何进一步提高图像分辨率、增强组织对比度以及实现更精确的定位等。此外，系统的可靠性和安全性也是需要关注的重要问题。因此，未来的研究可以集中于改进系统的硬件和软件设计，探索新的成像技术和算法，并在临床实践中进行大规模的验证和应用。总之，医用双频超声内镜系统是一项具有重要意义的医疗设备，对提高医学诊断和治疗水平有着积极的影响。通过持续的研究和创新，有理由相信医用双频超声内镜系统将在未来发展成为更加成熟和先进的技术，为医疗行业带来更大的价值。