在常規健康檢查中，腹部超音波經常是必備項目。但你是否思考過，為什麼這個「聽不到的聲音」可以用在醫學檢查？從探頭收發的聲音，又是怎麼轉變為視覺影像？在開發手持式超音波裝置上，又有哪些必須突破的技術關卡？

Q: 什麼是超音波？為什麼可以用來做醫學檢測？

一般人類耳朵可以聽到的聲波頻率約在20Hz（赫茲）到20kHz之間，若聲波頻率超過20kHz就可稱為超音波（Ultrasound）。

雖然人類聽不到超音波，但像是蝙蝠、海豚等動物的耳朵構造與人類不同，不但聽得到超音波還能夠加以利用。例如蝙蝠之所以能在夜晚快速、精準地飛行，就是先向周遭發出超音波訊號，再根據反射回來的狀況進行定位與物體識別。潛水艇上的聲納系統，也是使用同樣的原理。

由於超音波具備非侵入、無輻射之優點，還可穿過肌肉等組織，讓醫生即時的透過超音波影像了解病患的身體狀況，醫學上，可應用在急重症、病房以及婦女懷孕時的常規產檢。市調機構MarketsandMarkets指出，隨著高齡化罹病人口增加，加上心臟科應用的超音波診斷設備導入AI輔助影像分析與軟硬整合的技術進步，預計2023年以後心臟血管診斷應用的超音波市場規模將超過在婦產科的應用。

Q: 超音波檢測結果為什麼能夠產出影像？

超音波檢測系統的主要元件包括探頭、超音波發射器晶片（TX）、超音波接收器晶片（RX）和成像處理器（FPGA），如下圖所示：

（圖片來源：生策中心）

超音波檢測之所以能形成影像，靠的就是這些元件的分工。首先，發射控制器產生符合探頭頻率之脈衝，同時產生正負高壓給予TX晶片。這些電子訊號再透過壓電傳探頭轉換為聲波傳遞進入檢測標的（如：人體組織）；這些聲波經過人體組織後產生出來的反射聲波，被探頭接收到後再轉換為電子訊號。

這些類比形式的電子訊號隨後進入RX晶片轉換為數位訊號，再由成像處理器（通常使用FPGA搭配演算法）進行波束成像運算（Beamforming）、解調、濾波以及LOG壓縮等，最終再將運算處理結果輸出到傳輸介面上進行影像顯示。

Q: 手持式超音波跟傳統機台有何不同？技術門檻在哪裡？

就像人手一支的智慧型手機，手持式超音波裝置也必須靠電池才能運作，因此超音波檢測的耗電程度將會決定裝置的真正使用時間。此外，當裝置變小，也意味著散熱和晶片尺寸都會受限，影響檢測的品質。

李建儒團隊的技術成果，是在維持128通道高成像品質的同時，又能將裝置重量控制在250克的目標內，還能延長裝置的使用時間。首先，團隊利用集成化TX、RX晶片，大幅降低訊號處理晶片所佔據的空間。其次，團隊還開發出自適性電源控制機制，節省手持超音波在非使用期間的能耗，將可使用時間從原本的1個小時（連續使用下）延長為100分鐘。

※系列報導：

• 工研院李建儒開發手持式超音波，建立台灣技術自主能力