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行動超音波掃描

文/劉珈均

提到超音波,腦海中率先浮現的印象大概是醫院的婦產科裡,醫生為孕婦產檢的畫面:醫生拿著「探頭(transducer)」貼在孕婦腹部,身旁一台PC般笨重的機器螢幕上即時顯示出扇形的黑白畫面。工研院生醫與醫材研究所試圖開啟不同的想像,團隊開發出體積如蛋捲禮盒大小的輕便超音波設備,團隊也設計友善介面,探頭與顯像裝置可無線傳輸,直接以平板或手機作為顯像裝置,解讀超音波影像。

超音波技術源於潛水艇的聲納,後者誕生於第二次世界大戰,潛水艇利用聲納探測地形、測定物體距離與運動速度。1950年代後,開始嘗試將技術原理移至醫療領域,以不侵入的方式探看人體組織。聲波在不同物質中傳遞時,會產生不同能量的回波訊號,經後端軟體分析處理便形成人體組織的結構影像。一個標準的醫用超音波系統大致分為發射與接收聲波訊號的「探頭」(依探測部位與發射頻率不同,一般有三種)、類比前端電路、將音訊「轉譯」為影像的後端成像運算技術。

「要跟『GPS』(指奇異、菲利浦、西門子公司)交鋒很難,不過台灣可以切進正在興起的趨勢!」生醫所超音波影像技術部經理吳國瑞博士說,超音波的應用有兩個趨勢,一是超音波機器小型化帶來普及的可能,目前配備超音波機器的單位多為中大型醫院,近年攜帶型的超音波設備問世,超音波技術可望從中大型醫院走出來,進入小型診所、救護車、居家照護、緊急醫療等。西門子和奇異公司自2007年起,已陸續推出多款手持式超音波機器,有無線傳輸款式,也有樣子精巧如貝殼手機。

另一個趨勢則是超音波技術的角色由「診斷」漸漸轉為「治療」,超音波適合觀察軟體組織,細節比X光片更清楚,國外已有將超音波與X光並行檢測乳癌,超音波沒有輻射,未來可能於某些檢測項目取代X光;醫美領域可用於消脂和塑身,超音波拉皮的效果甚至比電波拉皮好;治療癌細胞的標靶藥物大多有副作用,或破壞正常細胞,超音波藥物釋放系統則是將藥物包覆如膠囊,注射進人體後,等藥物循環至癌細胞附近,再以超音波激發、釋放,多餘的藥物則排出人體,如此可將副作用減至最小。動物檢驗也有相關需求,例如美國畜牧協會制定標準,以超音波確認牲畜肉質。

換言之,超音波系統的用途和使用場域持續延展中,吳國瑞說,超音波系統的核心技術在於晶片和軟體,這正好是台灣的強項:「台灣有很好的資通訊產業,但高階醫材產業還屬於起步階段。」吳國瑞認為,現在正是台灣藉資通訊產業的基礎發展高階醫療器材的時機,而超音波系統是最適合台灣著手的醫材產業,其他生醫影像儀器如X光、磁振造影等,對台灣而言技術門檻較高。

右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。

右上角寫有ITRI字樣的黑色晶片工研院開發之專用晶片。

超音波小型化的關鍵在於晶片,但目前可攜式超音波設備的晶片技術掌握於歐美醫療大廠如奇異、西門子等廠商,只提供自有產品使用,不對外販售;晶片商的產品只能提供部分功能,無法提供多通道、多功能整合的專用晶片。工研院團隊自行開發專用晶片,以ARM+FPGA建構可做小型化超音波的多波束成型(Beam Former)與顯像平台,可支援32與64通道(超音波的通道愈多,成像愈清晰)

團隊約莫20人,有來自資通訊背景與醫工系,先前研究題目是消費性電子產品、影音播放機的編解碼器。自三年起團隊切入研究超音波技術,今年已跟醫院合作,進入臨床實驗階段。吳國瑞笑著說:「處理的東西差不多,超音波也是聲音和影像。」最大的困難在於以前處理五到十通道的東西,現在要變成幾十個通道。

醫院裡基本款式的超音波機重量約6至10公斤,價格約150萬台幣,若要多加探頭或是功能則不只。而目前簡便的超音波設備雖已問世,價格仍相當昂貴,例如2013年西門子開發的無線超音波,三個探頭加總約150萬台幣。工研院團隊的超音波機器重量約950g,吳國瑞說:「超音波要普及大概只差cost down,以台灣的技術,有希望壓到美金一千以下。」超音波可探測心跳、血壓與血流資訊,或是打針時定位血管,集許多儀器功能於一身,若成本壓得夠低,超音波或許能成為健康照護的穿戴式設備主流。

(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。

(右)一般醫院的超音波設備機型;(左上)工研院機型(左下)以平板顯示的超音波圖,圖中黃框區域為血流資訊。

小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。

小型的超音波設備適合居家照護,量測與講解十分簡便。

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