Ультразвуковые устройство и система, содержащие преобразователи и дисплеи с возможностью замены - RU2529889C2

Чертежи

Описание

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Акустические волны (которые включают в себя, в частности, ультразвуковые волны) используются во многих областях науки или техники, например при медицинской диагностике и медицинских процедурах, неразрушающем контроле механических частей и получении изображений под водой и т.д. Акустические волны предоставляют возможность диагностирования и визуализации, которая является дополнительной к оптическим наблюдениям, потому что акустические волны могут перемещаться в среде, которая непрозрачна для электромагнитных волн.

В одном из применений акустические волны используются врачом во время выполнения медицинских процедур или обеспечивают изображения определенной анатомической области тела. Часто акустическое устройство формирования изображения используют для обеспечения изображений области, представляющей интерес для врача, для обеспечения успешного выполнения медицинской процедуры.

Как должны понимать специалисты в данной области техники, акустическое устройство формирования изображения содержит ультразвуковой преобразователь и электронику обработки сигналов, которая фиксирует электрический сигнал от акустического преобразователя и обрабатывает этот сигнал для отображения на мониторе одного или другого типа. Врач может затем просматривать изображение в реальном времени, или сохранить/воспроизвести его для последующего просмотра, или выполнить и то, и другое.

Как известно, существуют преобразователи различного типа, которые можно использовать для захвата ультразвуковых изображений. Например, существуют линейные, криволинейные преобразователи и преобразователи на фазированной решетке, которые можно использовать для ультразвука. Эти преобразователи могут иметь элементы, упорядоченные в одном измерении или в двух измерениях, что может обеспечивать сбор либо узкого среза данных эхо-сигнала, множества узких срезов данных эхо-сигналов в различных ориентациях по отношению друг к другу, либо полного объема набора данных эхо-сигнала. У каждого типа решетки есть преимущества и, в зависимости от отображаемой медицинской анатомии (из-за различных заданных глубин исследования или доступного размера изображения), врач может выбирать преобразователь одного или другого типа. Следует признать, что в известных системах это приводит к дублированию электроники преобразователей, корпусов преобразователей и кабелей и таким образом увеличивает полные капитальные затраты медицинского учреждения.

Кроме того, структура медицинского оборудования в кабинете ультразвуковых исследований может создавать сложную проблему размещения ультразвуковой системы и ее дисплея, на который должен смотреть пользователь во время сеанса ультразвукового исследования. Хранение и использование множества зондов преобразователей в кабинете ультразвуковых исследований усиливают проблему заполнения территории, где находится пациент, кабелями и оборудованием.

Кроме того, в таких известных системах основная ультразвуковая система и ее дисплей также создают проблему при размещении, так как они обычно большие и относительно неподвижные. Традиционные ультразвуковые сканеры являются большими, весят до нескольких сотен фунтов и интегрированы с колесными тележками. Даже более новые «компактные» системы получения ультразвуковых изображений, которые обычно устанавливают полустационарно на меньших, более легких тележках, необходимо транспортировать к фактическому расположению таким образом, чтобы специалист по ультразвуковой эхографии видел дисплей, но тележка находилась достаточно в стороне от места выполнения медицинской процедуры. Это является труднодостижимым компромиссом и часто приводит к неудобным для использования углам обзора или движениям, таким как наклон врача над пациентом для наблюдения за дисплеем.

Поэтому необходимы ультразвуковое устройство и система, которые преодолевают по меньшей мере недостатки описанных выше известных устройств и систем.

В соответствии с представленным вариантом осуществления ультразвуковое устройство содержит модуль, имеющий входную часть и выходную часть; ультразвуковой преобразователь, содержащий формирователь микролуча, выполненный с возможностью присоединения и отсоединения от входной части модуля; и дисплей, присоединенный к выходной части модуля.

В соответствии с другим представленным вариантом осуществления система получения ультразвуковых изображений содержит ультразвуковое устройство. Ультразвуковое устройство содержит: модуль, имеющий входную часть и выходную часть; ультразвуковой преобразователь, содержащий формирователь микролуча, выполненный с возможностью присоединения и отсоединения от входной части модуля; и дисплей, присоединенный к выходной части модуля.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Идея данного изобретения лучше всего будет понятна из его последующего подробного описания при рассмотрении вместе с прилагаемыми чертежами. Особенности не обязательно изображены в масштабе. Везде, где применяются, одинаковые позиционные обозначения относятся к одинаковым особенностям.

Фиг. 1 - вид в перспективе ультразвукового устройства в соответствии с представленным вариантом осуществления.

Фиг. 2 - упрощенная схема ультразвукового устройства в соответствии с представленным вариантом осуществления.

Фиг. 3 - упрощенная структурная схема системы получения ультразвуковых изображений в соответствии с представленным вариантом осуществления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИНОЛОГИИ

В данном описании единственное число используется для определения одного или большего количества элементов.

В дополнение к их обычным значениям термины «существенный» или «существенно» означают «в приемлемых пределах или степени для специалистов».

В дополнение к их обычным значениям термин «приблизительно» означает «в приемлемых пределах или количествах для специалистов». Например, «приблизительно одинаковые» подразумевает, что специалисты посчитали бы данные элементы при сравнении одинаковыми.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В следующем подробном описании в целях объяснения, а не ограничения, представленные варианты осуществления, раскрывающие конкретные подробности, сформулированы для обеспечения полного понимания настоящего раскрытия.

Описания известных устройств, материалов и способов изготовления могут быть опущены, чтобы не затруднять понимание описания примерных вариантов осуществления. Тем не менее, такие устройства, материалы и способы, которые находятся в пределах компетенции специалистов, можно использовать в соответствии с представленными вариантами осуществления.

Фиг. 1 - вид в перспективе ультразвукового устройства 100 в соответствии с представленным вариантом осуществления. Устройство содержит преобразователь 102 на фазированной решетке, имеющий элементы 101 преобразователя в его передней части. Элементы 101 преобразователя показаны в виде двумерной решетки в представленном варианте осуществления. Как станет более понятно из последующего разъяснения, элементы преобразователя можно упорядочивать в виде линейной решетки, или в виде криволинейной решетки, или в другом виде компоновки преобразователя, которая находится в пределах компетенции специалистов. Следует отметить, что устройство обычно включает в себя линзу, охватывающую элементы 101, но она не показана на различных фигурах.

Преобразователь 102 подсоединяют к ультразвуковому (УЗ) модулю 103 съемным образом. Модуль 103 иллюстративно содержит дисплей 104, выполненный с возможностью обеспечения ультразвукового изображения (не показано), полученного от преобразователя 102. Дисплей 104 иллюстративно является жидкокристаллическим дисплеем (LCD) небольшого форм-фактора, но он может быть дисплеем, основанным на других технологиях. Например, дисплей 104 может быть устройством на органических светоизлучающих диодах (OLED) небольшого форм-фактора, если назвать только одну альтернативу LCD. Являются подходящими дисплеи и другого типа, основанные на известных технологиях.

В частности, из-за того, что устройство 100 разработано и предназначено для переносного использования врачом, дисплей 104 имеет преимущественно сравнительно небольшой форм-фактор, как указано выше. Подразумевается, что дисплей 104 может быть единственным дисплеем ультразвуковой системы или вспомогательным дисплеем, используемым врачом во время медицинской процедуры или тестирования. Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, расположение дисплея 104 способствует простоте и точности во время определенных процедур и тестирований. Преимущественно из-за того, что дисплей 104 находится на модуле, врач может смотреть на место, где он или она физически выполняет исследование, и просматривать результирующее изображение на дисплее 104, не отводя взгляд на удаленный дисплей. Например, дисплей 104 можно присоединять к задней части преобразователя таким образом, что его можно легко вращать и наклонять, или он может быть расположен на боку модуля 103 в так называемой конфигурации стиля «откидной экран» (аналогично потребительской видеокамере).

Кроме того, дисплей 104 может быть съемным, чтобы его можно было размещать в необходимом расположении отдельно от корпуса преобразователя и модуля. Среди других преимуществ это удобно в случаях, когда одновременно производят другое действие, например установку иглы для биопсии или вставку катетера в тело. Врач будет иметь возможность держать устройство 100 в одной руке и вводить иглу/катетер другой рукой, используя изображение на дисплее 104 для облегчения процесса и без необходимости смотреть в сторону на удаленный монитор (не показан).

Модуль 103 можно подключать к системе (не показана) через соединение 105. В представленных вариантах осуществления соединение 105 может быть беспроводным соединением, выполненным с возможностью работы согласно одному из множества беспроводных протоколов, обеспеченных согласно стандартам. Такие протоколы известны специалистам и поэтому подробно не описаны, чтобы не затруднять понимание описания представленных вариантов осуществления. В частности, однако, из-за проблем конфиденциальности медицинской информации, выбранный протокол, вероятно, должен иметь достаточный уровень безопасности для обеспечения соблюдения конфиденциальности медицинской информации.

Альтернативно, показанное соединение 105 может быть проводным соединением и может быть совместимо с одним из множества стандартов. Иллюстративно соединение может быть одной дифференциальной последовательной парой, такой как универсальная последовательная шина (USB) или дифференциальная сигнализация низкого напряжения (LVDS). Однако подразумевается возможность использования и других типов соединений.

Как указано выше, преобразователь 102 съемным образом устанавливают на модуль 103. Как описано более полно в данном описании, с помощью обеспечения выборочного присоединения и отсоединения преобразователя 102 врач получает возможность выбирать преобразователи различного типа, основываясь на определенном выполняемом тестировании/измерении, и без необходимости выбирать и обеспечивать полностью отличающееся устройство. Следует признать, что эта возможность преимущественно предоставляет возможность медицинскому учреждению уменьшать свои капитальные затраты, обеспечивая один модуль для множества типов преобразователей, вместо того, чтобы иметь необходимость обеспечивать укомплектованное ультразвуковое устройство для каждого типа преобразователя.

Точно так же дисплей 104 иллюстративно съемным образом устанавливают на модуль 103. Как указано выше, дисплей 104 можно отсоединять для оптимального размещения в поле зрения специалиста по ультразвуковой эхографии во время сеанса ультразвукового исследования. Соединение для передачи данных между дисплеем 104 и модулем 103 может быть проводным, например, с помощью USB или аналогичного быстродействующего последовательного интерфейса, или беспроводным, например, с помощью ультраширокополосного протокола (UWB), поддерживаемого объединением WiMedia. При беспроводном подключении дисплей 104 должен включать в себя средство обеспечения электропитания, например батарею или соединитель ввода DC (постоянного тока) для адаптера AC (переменного тока).

Используя преимущества съемной особенности дисплея 104, медицинское учреждение имеет возможность уменьшать свои полные капиталовложения или увеличивать совокупную надежность ультразвукового сканера, или «продолжительность работоспособности», с помощью отдельного создания запаса съемных дисплейных блоков. Дисплейные блоки можно затем объединять по желанию с одним или большим количеством ультразвуковых преобразователей и модулей, когда изменяется рабочая нагрузка из пациентов или когда дисплейные блоки иногда ломаются.

В представленных вариантах осуществления преобразователь 102 магнитным способом соединяют с модулем 103. Альтернативно, преобразователь 102 можно механически соединять с модулем 103, например, с помощью фиксирующего механизма (не показано) или механизма фрикционного сопряжения (т.е. «защелкивающегося механизма»). Как описано более подробно ниже, преобразователь 102 подключают электрически к модулю с помощью интерфейса (не показан на фиг. 1), который предназначен для обеспечения электроэнергии на преобразователь 102 и передачи электрических сигналов от преобразователя 102. Иллюстративно, электрическое и механическое соединение может содержать контакты (не показаны), содержащие медно-золотое покрытие на нижней части (не показано) преобразователя 102, которые сопрягаются с электрическими контактами (не показаны) на стороне модуля 103. Юбка изолятора может быть расположена либо вокруг преобразователя 102, либо вокруг модуля 103, выравнивает модуль с противоположной частью. Соединенная структура является герметичной, так что она является устойчивой к попаданию жидкости. Например, электрическое и механическое соединение преобразователя 102 с модулем 103 можно выполнять так, как описано в патенте США 6635019, раскрытие которого специально представлено для справки.

Однако, в частности и как описано ниже, из-за того, что формирователь микролуча помещают в преобразователь 102, количество электрических соединений, необходимых для соединения, очень сильно уменьшают, так как требуется меньше аналоговых сигналов, таким образом обеспечивая более простые механические соединения, такие как «защелкивающийся механизм», где требуемая механическая точность намного меньше. Это намного легче практически обеспечивать, учитывая простое соединение/отсоединение модулей, причем физический износ со временем все равно предоставляет возможность надежного электрического соединения.

Фиг. 2 - упрощенная схема ультразвукового устройства 200 в соответствии с представленным вариантом осуществления. Устройство 200 включает в себя много общих признаков с устройством 100, описанным в связи с фиг. 1. Такие общие признаки часто повторно не описаны, но их можно дополнительно развить.

Преобразователь 102 содержит элементы преобразователя 102, как отмечено выше. Элементы 101 преобразователя могут быть линейной решеткой, или фазированной решеткой, или их комбинацией, например, как описано в патенте США 6436048. Лучом от элементов 101 преобразователя можно также управлять, как описано в патенте США 7037264. Как отмечено, элементы 101 преобразователя могут быть криволинейной (1D) решеткой (CLA), например, как описано в патенте США 6540682. Эти патенты принадлежат настоящему заявителю и включены в настоящее описание посредством ссылки.

Преобразователь 102 также содержит формирователь 201 микролуча. Формирователь 201 микролуча может быть таким, как описано в патенте США 6436048. Эхо-сигнал элементов 101 преобразователя 102 частично обрабатывают с помощью формирователя 201 микролуча. В представленном варианте осуществления формирователь 201 микролуча содержит схему, которая управляет сигналами, относящимися к группам элементов 101 («фрагментам») преобразователя, и производит некоторую обработку эхо-сигналов, принимаемых элементами каждой группы. Формирователь микролуча в преобразователе 102 преимущественно сокращает количество проводников в соединении 105 между устройством 100 и ультразвуковой системой (не показана). Дополнительные подробности преимуществ, полученных из обработки с помощью формирователя микролуча, можно найти в принадлежащем настоящему заявителю патенте США 5997479, содержание которого полностью включено в настоящее описание, и в патенте '048.

В дополнение к преимуществам, полученным из разделения формирователя луча с формирователем микролуча, представленные варианты осуществления способствуют дополнительным преимуществам, потому что формирователь 201 микролуча расположен совместно с элементами 101 преобразователя в пределах преобразователя 102. Например, превосходную электрическую эффективность реализуют, потому что электроника формирователя 201 микролуча расположена проксимально к элементам 101, устраняя необходимость сложных взаимных соединений, проводов и сопутствующих искажений сигналов и потерь мощности в длинных электрических соединениях.

Кроме того, обработка с помощью формирователя микролуча может конкретно соответствовать типу решетки элементов 101 преобразователя, так как формирователь микролуча физически объединяют с элементами 101. Кроме того, из-за соответствия формирователя 201 микролуча определенному типу решетки чувствительных элементов, различные версии формирователя 201 микролуча можно оптимизировать для различных классов чувствительных элементов (например, секторного, линейного, CLA) и для различных частот/импедансов. Таким образом, вместо использования универсального формирователя микролуча, который выполнен с возможностью работы приемлемым образом с каждым из множества типов преобразователя, настоящая идея изобретения обеспечивает улучшенное, если не оптимальное, соответствие формирователя микролуча типу решетки преобразователей каждого отдельного преобразователя 102.

Иллюстративно размеры формирователя 201 микролуча могут соответствовать схеме размещения акустических элементов решетки 101 чувствительных элементов, и таким образом его можно устанавливать непосредственно на чувствительный элемент, оставляя свободное место, упрощая схему соединения между формирователем 201 микролуча и чувствительным элементом и уменьшая электрические искажения и потери сигналов с помощью минимизации пути прохождения сигналов.

Кроме того, формирователь 201 микролуча можно оптимизировать таким образом, чтобы он соответствовал диапазону резонансных частот акустических чувствительных элементов, и применять задержку обработки с помощью формирователя микролуча, которая соответствует указанному частотному диапазону с достаточной разрешающей способностью для создания высококачественных изображений, но не с такой большой разрешающей способностью, чтобы бесполезно использовать компоненты схемы. Точно так же схему формирователя микролуча можно оптимизировать таким образом, чтобы она соответствовала характерному импедансу чувствительных элементов 101.

Как описано выше, преобразователь 102 подключают к модулю 103 через интерфейс 202; и данный интерфейс 202 содержит и механическое соединение, и электрическое соединение. Механическое соединение обеспечивает присоединение и отсоединение преобразователя 102 от модуля 103, как описано выше. Электрическое соединение обеспечивает электропитание на преобразователь 102, в частности на его интегрированный формирователь микролуча, и обеспечивает сигналы от формирователя 201 микролуча к модулю 103 для дополнительной обработки. Электрическое и механическое соединения можно выполнять, используя защелкивающийся соединитель стандартного типа USB или механический замок заказного типа, защелкивающее соединение или соединение магнитного типа, например, как описано в совместно рассматриваемой патентной заявке США № 60/941427, озаглавленной «Wireless Ultrasound Probe Cable» и зарегистрированной 1 июня 2007. Содержание данной заявки включено в настоящее описание посредством ссылки.

Модуль 103 содержит контроллер 203 сканирования и главный формирователь 204 луча, такой, например, как описан в патенте США 6436048 или в патенте США 7037264. Модуль 103 может также содержать схему 205 DSP для стратегии обнаружения сигнала в множествах режимов (например, в градациях серого, в потоковом режиме, PW, CW). Кроме того, модуль 103 содержит источник 206 электропитания, предназначенный для электропитания модуля 103, преобразователя 102 и компонента 104 дисплея. Он также содержит память 207 для хранения полученных изображений, пользовательских предварительных установок управления сканированием и коэффициентов обработки с помощью формирования луча для пользовательских программ.

Источником 206 электропитания может быть блок преобразования AC/DC, предназначенный для обеспечения необходимого напряжения DC. Альтернативно, источник 206 электропитания может быть батареей известного типа. Реализация последнего обеспечивает определенные преимущества над известными устройствами. Во-первых, из-за того, что никакой кабель не требуется для электропитания, устройство 100 можно легко осуществлять согласно беспроводному протоколу, обеспечивающему легкость перемещения и использования. Кроме того, батарею, которая может быть перезаряжаемой, можно перезаряжать одновременно с передачей данных по тому же самому (проводному) соединению 105. Например, соединение USB можно использовать для реализации передачи данных и электропитания для перезарядки.

Использование батареи также предоставляет преимущество электропитания дисплея 104 локальным способом. Таким образом, дисплей 104 не требует удаленного источника электропитания и может иметь свою собственную батарею. Также дисплей 104 может быть компактным и легким. В отличие от этого, отдельный монитор или внешний дисплей, такой как на карманном персональном компьютере (PDA), потребует источник электропитания и центральный процессор (ЦП), которые увеличивают сложность системы и уменьшают эргономичные преимущества, полученные для отдельного устройства 100.

Кроме того, визуализацию и форматирование изображений можно выполнять в модуле 103, таким образом минимизируя потребность в обработке в дисплее 104. Это уменьшает не только размер и вес системы, но также и стоимость дисплея 104. Дисплей 104 легко присоединяют или отсоединяют от модуля 103, таким образом обеспечивая пользователю подвижность при размещении. Из-за того, что требуется небольшое количество электрических сигналов, механическое и электрическое соединения можно сделать простыми, поскольку выравнивание и допустимое отклонение электрических контактов легко обеспечивать. Электрические контакты модуля (описаны выше) можно совмещать с электрическими контактами дисплея 104, например, с помощью магнитного соединения, фрикционного соединения или фиксирующего соединения некоторого другого типа. Это механическое соединение может обеспечивать вращение и наклон дисплея.

Фиг. 3 - упрощенная структурная схема системы 300 получения ультразвуковых изображений в соответствии с представленным вариантом осуществления. Система 300 содержит устройство 100 и системный монитор 301, подключенный с помощью показанного соединения 105. Система 300 включает в себя много общих признаков и подробностей с описанными представленными на фиг. 1 и 2 вариантами осуществления.

Системный монитор 301 может быть автономным монитором, используемым врачом, пользующимся устройством 100, и может использоваться вместо или в дополнение к дисплею 104. Альтернативно, системный монитор 300 может быть центральным устройством (например, сервером) медицинского учреждения, которое обеспечивает доступ к изображениям от устройства в реальном масштабе времени или через память. Кроме того, линия связи между устройством 100 и монитором 301 может быть проводной или беспроводной, точно так же, как линия связи от монитора на другие подключенные к нему устройства сети.

Ввиду данного раскрытия предмета изобретения следует отметить, что различные ультразвуковые устройства и системы получения ультразвуковых изображений могут содержать множество устройств, компонентов, программное обеспечение, аппаратные средства и встроенное программное обеспечение. Кроме того, в других применениях, кроме получения медицинских изображений, можно получать пользу из настоящей идеи изобретения. Дополнительно, данное описание включает в себя различные устройства, компоненты, программное обеспечение, аппаратные средства, встроенное программное обеспечение и параметры только для примера, а не в каком-либо ограничивающем смысле. Ввиду данного раскрытия предмета изобретения специалисты могут воплощать данную идею изобретения при определении своих собственных применений и необходимых устройств, компонентов, программного обеспечения, аппаратных средств и встроенного программного обеспечения, чтобы воплощать эти применения, оставаясь в рамках прилагаемой формулы изобретения.

Реферат

Изобретение относится к технике акустики и может использоваться в медицинской аппаратуре для ультразвуковой эхографии. Технический результат состоит в расширении угла обзора движений посредством ультразвуковых изображений. Для этого ультразвуковое устройство содержит: модуль, имеющий входную часть и выходную часть; ультразвуковой преобразователь, содержащий формирователь микролуча, выполненный с возможностью присоединения и отсоединения от входной части модуля; и дисплей, присоединенный к выходной части модуля. Также описана ультразвуковая система. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула