КАБЕЛЬ БЕСПРОВОДНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОНДА
WIRELESS ULTRASOUND PROBE CABLE

Настоящее изобретение относится к медицинским диагностическим ультразвуковым системам и, в частности, к кабелям для беспроводных ультразвуковых зондов.
Одним из длительных недостатков медицинского диагностического ультразвука, особенно для специалистов по ультразвуковой эхографии, является кабель, который соединяет сканирующий зонд с ультразвуковой системой. Эти кабели являются длинными и часто толстыми из-за необходимости содержать много коаксиальных жил от десятков, сотен или даже тысяч элементов преобразователей в зонде. Как следствие, эти кабели зондов могут быть громоздкими для обращения с ними и могут быть тяжелыми. Некоторые специалисты по ультразвуковой эхографии пытаются бороться с проблемой кабеля, вешая кабель на руку или плечо для поддержки во время сканирования. Это может привести к травмам от многократно повторяющихся мышечных напряжений во многих случаях. Другой проблемой является то, что кабель зонда может загрязнять стерильную область хирургического вмешательства с использованием аппаратуры формирования изображения. Кроме того, эти кабели зондов являются довольно дорогостоящими, часто самым дорогостоящим компонентом зонда. Таким образом, существует давно ощущаемое желание освободить ультразвуковую диагностику от кабелей зондов.
Патент США 6142946 (Hwang и др.) описывает ультразвуковой зонд и систему, которая осуществляет вышесказанное. Этот патент описывает питаемый от аккумулятора зонд с матричным преобразователем с интегрированным устройством формирования пучка. Приемопередатчик отправляет полученные ультразвуковые данные ультразвуковой системе, служащей в качестве его базовой станции. Обработка изображения и отображение выполняется в ультразвуковой системе.
Тогда как беспроводной ультразвуковой зонд освобождает пользователя от неудобства, вызванного кабелем, существуют ситуации, в которых кабель может быть необходим или желателен для беспроводного зонда. Например, кабель может использоваться, чтобы перезаряжать аккумулятор в зонде. Если аккумулятор истощается во время процедуры сканирования, кабель может предоставить средство питания беспроводного зонда, пока выполняется процедура. В других примерах пользователь может предпочесть иметь зонд, привязанный к ультразвуковой системе по различным причинам. Кабель может позволить выполнять процедуру, когда есть ощущение, что беспроводная линия связи работает неправильно. Соответственно, желательно иметь кабель для выполнения этих функций, когда эти ситуации или обстоятельства возникают.
В соответствии с принципами настоящего изобретения предоставлен беспроводной ультразвуковой зонд, который выборочно соединяется с главной системой кабелем. Главная система может использоваться только, чтобы питать беспроводной зонд или перезаряжать аккумулятор зонда. Главная система может также быть системой, которая обрабатывает или отображает данные изображений, созданные беспроводным зондом, и кабель может использоваться, чтобы предоставлять данные изображений главной системе по проводу в случае затруднений с беспроводной линией передачи данных. В иллюстрированном примере кабель имеет стандартизированный разъем на одном конце, такой как USB-разъем, позволяющий аккумулятору зонда перезаряжаться от любого USB-совместимого компьютера. Иллюстрированный пример использует магнитный разъем с зондом, позволяющий реализовать разъединяемое соединение и герметизированный разъем на беспроводном зонде.
На чертежах:
фиг. 1a иллюстрирует портативный беспроводной ультразвуковой зонд настоящего изобретения.
Фиг. 1b иллюстрирует беспроводной ультразвуковой зонд и присоединенный пользовательский интерфейс настоящего изобретения.
Фиг. 1c иллюстрирует беспроводной пользовательский интерфейс для беспроводного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 2a, 2b и 2c иллюстрируют различные ультразвуковые системы отображения, которые могут служить в качестве базовых станций для беспроводного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 3 иллюстрирует функциональные компоненты беспроводного 1D-матричного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 4 иллюстрирует функциональные компоненты беспроводного 2D-матричного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 5 иллюстрирует в форме блок-схемы основные электронные подсистемы между устройством формирования пучка и антенной беспроводного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 6 иллюстрирует в форме блок-схемы основные компоненты базовой станции главной системы для беспроводного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 7 иллюстрирует в форме блок-схемы подсистему сбора данных, подходящую для использования в беспроводном зонде настоящего изобретения.
Фиг. 8a и 8b иллюстрируют в поперечных разрезах облегченный беспроводной зонд настоящего изобретения.
Фиг. 9a и 9b иллюстрируют примеры пользовательского интерфейса беспроводного зонда.
Фиг. 10a и 10b иллюстрируют USB-кабель для беспроводного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 11 иллюстрирует использование зоны действия для обнаружения и нахождения беспроводного зонда настоящего изобретения.
Фиг. 12 иллюстрирует аксессуар гарнитуры отображения, подходящий для использования с беспроводным зондом настоящего изобретения.
Фиг. 13 иллюстрирует Bluetooth-аксессуар беспроводного голосового приемопередатчика, подходящий для использования с беспроводным зондом настоящего изобретения.
Фиг. 14 иллюстрирует беспроводной зонд настоящего изобретения в использовании с рядом других беспроводных устройств.
Обращаясь сначала к фиг. 1, показан беспроводной ультразвуковой зонд 10 настоящего изобретения. Зонд 10 заключен в твердую полимерную оболочку или корпус 8, который имеет дистальный конец 12 и проксимальный конец 14. Линза преобразователя или акустическое окно 12 для матричного преобразователя находится на дистальном конце 12. Через это акустическое окно ультразвуковые волны передаются посредством матрицы преобразователя и принимаются возвращающиеся эхосигналы. Антенна расположена внутри корпуса на проксимальном конце 14 зонда и передает и принимает радиоволны 16 в и от базовой станции главной системы. Зарядные клеммы аккумулятора также расположены на проксимальном конце зонда, как показано на фиг. 10a и 10b. На боковой стороне зонда 10 находится традиционная метка 18 лево/право, которая обозначает сторону зонда, соответствующую левой или правой стороне изображения. См. патент США 5255682 (Pawluskiewicz и др.). Проксимальная часть корпуса зонда выглядит более узкой, чем более широкий дистальный конец зонда. Это традиционно сделано так, чтобы пользователь мог захватывать более узкий проксимальный конец и прикладывать усилие в направлении расширенного дистального конца, когда необходим особенно прочный контакт с кожей пациента. Корпус 8 зонда герметизирован так, что его можно промыть и протереть, чтобы удалить гель, и стерилизовать после использования.
Фиг. 1b показывает другой пример беспроводного зонда 10' настоящего изобретения, который включает в себя присоединенный пользовательский интерфейс 22 с приемопередатчиком. Корпус 8' зонда этого примера содержит матричный преобразователь и может также включать в себя другие компоненты, такие как устройство формирования пучка и подсистема сбора данных. Однако эти другие компоненты могут альтернативно быть расположены в пользовательском интерфейсе 22 с приемопередатчиком, который имеет размер, который вмещает в себя пользовательские средства управления, которые показаны на его верхней поверхности и обсуждаются в связи с фиг. 1c. Средства управления предпочтительно реализованы образом, который разрешает легкую очистку в ультразвуковом окружении, где присутствует гель, например посредством герметизированной мембраны или дисплея с сенсорным экраном. Выбор местоположения вышеупомянутых других компонентов повлияет на кабель 20, который соединяет зонд 10' с пользовательским интерфейсом 22. Если только матричный преобразователь расположен в корпусе 8' зонда, кабель 20 будет включать в себя провода для всех элементов матрицы между матрицей преобразователя и устройством формирования пучка в пользовательском интерфейсе 22. Если устройство формирования пучка расположено в корпусе 8' зонда, что является предпочтительным, то кабель 20 может быть тоньше, так как кабелю нужно передавать только сформированные в виде пучка или обнаруженные (а не для каждого элемента) сигналы, электропитание для преобразователя и управляющие сигналы. См. патент США 6102863 (Pflugrath и др.). Кабель 20 может быть постоянно подключен к пользовательскому интерфейсу 22, но предпочтительно прикрепляется к отделяемому разъему, так что зонд 10' может быть отделен, очищен, помыт и стерилизован или заменен другим зондом.
В этом варианте осуществления пользовательский интерфейс 22 с приемопередатчиком включает в себя радиоприемопередатчик и антенну, которая связывается с базовой станцией главной системы. На нижней части пользовательского интерфейса 22 находится лента для запястья или ремешок 24. Этот лента или ремешок может быть эластичной или застежкой-липучкой и проходит вокруг предплечья пользователя. Праворукий пользователь, таким образом, будет носить пользовательский интерфейс 22 на правом предплечье, в то же время удерживая зонд 10' в правой руке и управляя пользовательскими средствами управления на правом предплечье с помощью пальцев левой руки.
Фиг. 1c показывает беспроводной пользовательский интерфейс 32 для беспроводного зонда настоящего изобретения. В то время как на беспроводном зонде 10, если требуется, может находится несколько простых элементов управления, как обсуждается ниже, многие пользователи предпочтут иметь пользовательские средства управления полностью отделенными от беспроводного зонда. В таком случае беспроводной зонд 10 может иметь только выключатель или не иметь средств управления вовсе, и пользовательские средства управления для управления зондом могут быть средствами управления ультразвуковой системы (42, см. фиг. 2a) или пользовательскими средствами управления беспроводного пользовательского интерфейса 32. Пример беспроводного пользовательского интерфейса 32 на фиг. 1c содержит передатчик, который передает радиочастотные, или инфракрасные, или другие беспроводные управляющие сигналы 16' либо непосредственно на беспроводной зонд 10, либо на базовую станцию главной системы для последующей ретрансляции беспроводному зонду. В иллюстрированном примере пользовательский интерфейс 32 питается от аккумулятора и включает в себя выключатель 33 для пользовательского интерфейса и/или беспроводного зонда. Основные средства управления для зонда также присутствуют, например кнопка 35 стоп-кадра и кулисный переключатель 34, чтобы перемещать курсор. Другие средства управления, которые могут быть представлены, являются средствами управления режимом и кнопкой выбора. Этот пример также включает в себя индикатор 36 заряда аккумулятора и индикатор 37 силы сигнала, которые указывают эти параметры для беспроводного зонда 10, для беспроводного пользовательского интерфейса 32 или для обоих устройств. Управление беспроводным пользовательским интерфейсом возможно при удержании его в руках или установке на место у кровати во время медицинского осмотра пациента.
Фиг. 2a-2c иллюстрируют примеры подходящих базовых станций главных систем для беспроводного ультразвукового зонда настоящего изобретения. Фиг. 2a иллюстрирует перевозимую на тележке ультразвуковую систему 40 с меньшей герметизацией электронных устройств системы и подачей электропитания. Система 40 имеет панель 42 управления, которая используется, чтобы управлять работой системы, и может использоваться, чтобы управлять беспроводным зондом. Средства управления на панели управления, которые могут использоваться для управления зондом, включают в себя шаровый манипулятор, клавишу выбора, ручку регулировки усиления, кнопку стоп-кадра, средства управления режимами и т.п. Ультразвуковые изображения, созданные из сигналов, принятых от беспроводного зонда, отображаются на дисплее 46. В соответствии с принципами настоящего изобретения перевозимая на тележке система 40 имеет одну или более антенн 44 для передачи и приема сигналов 16 между беспроводным зондом и главной системой. Могут альтернативно применяться другие технологии связи помимо радиочастотных сигналов, например инфракрасная линия передачи данных между зондом и системой.
Фиг. 2b иллюстрирует главную систему, сконфигурированную в форм-факторе портативного компьютера. Корпус 50 вмещает в себя электронные устройства главной системы, включающие в себя приемопередатчик для связи с беспроводным зондом. Приемопередатчик может быть расположен внутри корпуса 50, в отсеке для периферийных устройств корпуса, таком как отсек для мультимедийного накопителя или аккумулятора. Приемопередатчик может также быть сконфигурирован как PCMCIA-карта или подключаемый к USB аксессуар системы, как описано в международной патентной публикации WO 2006/111872 (Польша). К приемопередатчику подключена одна или более антенн 54. Беспроводной зонд может управляться с панели 52 управления системы, и ультразвуковые изображения, полученные из сигналов зонда, отображаются на дисплее 56.
Фиг. 2c иллюстрирует питающийся от аккумулятора переносной блок 60 отображения, подходящий для использования в качестве главной системы для беспроводного зонда настоящего изобретения. Блок 60 имеет ударопрочный корпус, сконструированный для использования в средах, где физическая переноска оборудования является важным фактором, например в машинах скорой помощи, реанимационном отделении или при медицинской помощи на месте происшествия. Блок 60 имеет средства 62 управления для управления зондом и блоком 60 и включает в себя приемопередатчик, который передает данные посредством антенны 64.
Фиг. 3 иллюстрирует беспроводной зонд 10 настоящего изобретения, спроектированный для создания двухмерного изображения. Для того чтобы сканировать двухмерную плоскость изображения зонд 10 использует одномерную (1D) матрицу 70 преобразователя, расположенную в дистальном конце 12 зонда в акустическом окне зонда. Матрица преобразователя может быть сформирована керамическими пьезоэлектрическими элементами преобразователя, пьезоэлектрическим полимером (PVDF) или может быть полупроводниковым микромашинным ультразвуковым преобразователем (MUT), таким как матрица элементов на основе PMUT- (пьезоэлектрического MUT) или CMUT- (емкостного MUT). 1D-матричный преобразователь 70 возбуждается, а эхосигналы обрабатываются одной или более специализированными ИС (ASIC) 72 предварительной обработки микроустройства формирования пучка. Микроустройство 72 формирования пучка принимает эхосигналы от элементов 1D-матрицы преобразователя и задерживает и объединяет эхосигналы каждого элемента в небольшое число сигналов, частично сформированных в виде пучка. Например, микроустройство 72 формирования пучка может принимать эхосигналы от 128 элементов преобразователей и объединять эти сигналы, чтобы сформировать восемь сигналов, частично сформированных в виде пучка, таким образом, уменьшая число путей прохождения сигнала со 128 до восьми. Микроустройство 72 формирования пучка может также быть реализовано, чтобы создавать сигналы, полностью сформированные в виде пучка, от всех элементов активной апертуры, как описано в вышеупомянутом патенте США 6142946. В предпочтительном варианте осуществления полностью сформированные в виде пучка и обнаруженные сигналы создаются зондом для беспроводной передачи к базовой станции главной системы с тем, чтобы уменьшить скорость передачи данных до такой, которая обеспечивает приемлемое создание изображения в реальном времени. Технология микроустройства формирования пучка, подходящая для использования в устройстве 72 формирования пучка, описана в патентах США 5299933 (Larson III); 6375617 (Fraser); 5997479 (Savord и др.). Сформированные в пучок эхосигналы передаются контроллеру зонда и подсистеме 74 приемопередатчика, которая передает сформированные в виде пучка сигналы главной системе, где они могут подвергаться дополнительному формированию пучка и затем обработке изображения и отображению. Контроллер зонда и подсистема 74 приемопередатчика также принимают управляющие сигналы от главной системы, когда зонд управляется с главной системы, и передают соответствующие управляющие сигналы микроустройству 72 формирования пучка, чтобы, например, фокусировать пучки на требуемой глубине или передавать и принимать сигналы требуемого режима (Допплера, B-режима) в и из требуемой области изображения. Не показаны на этой иллюстрации подсистема электропитания и аккумулятор для электропитания зонда, которые описаны ниже.
Приемопередатчик контроллера зонда и подсистема 74 приемопередатчика передают и принимают радиочастотные сигналы посредством штыревой антенны 76, похожей на антенну сотового телефона. Штыревая антенна предоставляет одно из таких же преимуществ, которые она предоставляет в сотовом телефоне, которое заключается в том, что ее небольшой профиль делает ее удобной для удерживания и носки и уменьшает возможность повреждения. Однако в этом варианте осуществления беспроводного зонда штыревая антенна 76 служит в дополнительных целях. Когда специалист по ультразвуковой эхографии держит традиционный кабельный зонд, зонд схватывается сбоку так, как если бы удерживался толстый карандаш. Беспроводной зонд, такой как на фиг. 1a, может удерживаться таким же образом, однако, так как зонд не имеет кабеля, он также может удерживаться посредством обхватывания за проксимальный конец зонда. Осуществить это с традиционным кабельным зондом невозможно из-за присутствия кабеля. Пользователь беспроводного зонда может захотеть удерживать беспроводной зонд за проксимальный конец для приложения большего усилия к телу для хорошего акустического контакта. Однако охват рукой вокруг проксимального конца зонда, когда антенна находится внутри проксимального конца зонда, будет экранировать антенну от передачи и приема сигнала и может быть причиной ненадежной связи. Было установлено, что использование антенны, которая выступает из проксимального конца зонда, не только расширяет поле антенны далеко за пределы корпуса зонда, но также мешает удерживанию зонда за проксимальный конец из-за дискомфорта от нажатия на штыревую антенну. Вместо этого пользователь наиболее вероятно обхватит зонд сбоку традиционным образом, оставляя поле антенны раскрытым для хорошей передачи и приема сигнала. Для хорошего приема конфигурация антенны базовой станции главной системы может вводить некоторую диверсификацию против эффектов поляризации и ориентации, создавая две комплементарные формы пучка с разными поляризациями. Альтернативно, антенна может быть одной высокопроизводительной дипольной антенной с хорошей одной диаграммой направленности поляризации. С антенной на проксимальном конце зонда диаграмма направленности зонда может простираться радиально относительно продольной оси зонда и легко пересекаться с диаграммой направленности базовой станции главной системы. Такая диаграмма направленности зонда может быть эффективной с антеннами базовой станции главной системы, расположенными в потолке, как может быть реализовано в операционной комнате. Прием, как обнаружилось, также эффективен с такой диаграммой направленности зонда за счет отражений от стен комнаты и других поверхностей, которые зачастую ближе к месту ультразвукового осмотра. Типично диапазона в десять метров достаточно для большинства медицинских осмотров, так как зонд и базовая станция главной системы находятся в непосредственной близости друг к другу. Применяемые частоты связи могут быть в диапазоне 4 ГГц, и подходящие полимеры для корпуса зонда, такие как ABS, являются относительно прозрачными для радиочастотных сигналов на этих частотах. Радиочастотная связь может быть улучшена в базовой станции главной системы, где множество антенн может применяться для улучшенной диверсификации в вариантах осуществления, где множество антенн не обременительны, какими они будут для беспроводного зонда. См., например, международную патентную публикацию WO 2004/051882, озаглавленную "Delay Diversity In A Wireless Communications System". Множество антенн могут использовать различные поляризации и местоположения, чтобы обеспечивать надежную связь даже с изменяющимися линейными и угловыми ориентациями, которые занимает зонд во время типичного ультразвукового осмотра. При типичной манипуляции зондом можно вращать зонд во всем диапазоне вращения в 360° и во всем диапазоне углов наклона через почти полусферический диапазон углов, центрированных по вертикали. Следовательно, диаграмма направленности диполя, центрированная по центру продольной оси зонда, будет оптимальной для одной антенны, и местоположение на проксимальном конце было установлено наиболее желательным. Диаграмма направленности антенны может быть выровнена точно с этой центральной осью или смещена, но все еще находясь в почти параллельном выравнивании с этой центральной осью.
Фиг. 4 является другим примером беспроводного зонда 10 настоящего изобретения. В этом примере беспроводной зонд содержит матричный преобразователь 80 с двухмерной матрицей в качестве датчика зонда, предоставляющий возможность создания двухмерного и трехмерного изображения. 2D-матричный преобразователь 80 соединен с микроустройством 82 формирования пучка, которое предпочтительно реализовано как "перевернутый кристалл". ASIC присоединена непосредственно к множеству матричных преобразователей. Как и в случае беспроводного зонда на фиг. 3, полностью сформированные в виде пучка и обнаруженные эхосигналы и сигналы управления зондом передаются между микроустройством формирования пучка и контроллером зонда и подсистемой 74 приемопередатчика.
Типичный контроллер зонда и подсистема приемопередатчика для беспроводного зонда настоящего изобретения показаны на фиг. 5. Аккумулятор 92 питает энергией беспроводной зонд и связан со схемой 90 подачи электропитания и стабилизации. Схема подачи электропитания и стабилизации преобразует напряжение аккумулятора в ряд напряжений, требуемых компонентами беспроводного зонда, включающими в себя матрицу преобразователя. Типично спроектированный зонд может требовать девять различных напряжений, например. Схема подачи электропитания и стабилизации также обеспечивает управление зарядом во время перезарядки аккумулятора 92. В спроектированном варианте осуществления аккумулятор является литиевым полимерным аккумулятором, который является призматическим и может быть сформирован в подходящей форме для доступного аккумуляторного отсека внутри корпуса зонда.
Модуль 94 сбора данных обеспечивает связь между микроустройством формирования пучка и приемопередатчиком. Модуль сбора данных предоставляет сигналы синхронизации и управления микроустройству формирования пучка, управляет передачей ультразвуковых волн и принимает, по меньшей мере, частично сформированные в виде пучка эхосигналы от микроустройства формирования пучка, которые демодулируются и обнаруживаются (и необязательно преобразуются при сканировании) и сообщаются приемопередатчику 96 для передачи к базовой станции главной системы. Детализированная блок-схема подходящего модуля сбора данных показана на фиг. 7. В этом примере модуль сбора данных сообщается с приемопередатчиком через параллельную или USB-шину, так что USB-кабель может использоваться, когда желательно, как описано ниже. Если применяется USB или другая шина, она может обеспечивать альтернативное проводное соединение с базовой станцией главной системы через кабель, таким образом, обходя часть 96 приемопередатчика, как описано ниже.
Также связанным с модулем 94 сбора данных и питаемым схемой 90 подачи электроэнергии и стабилизации является громкоговоритель 102, возбуждаемый усилителем 104, который создает слышимые тоны или звуки. В предпочтительном варианте осуществления громкоговоритель 102 является пьезоэлектрическим громкоговорителем, расположенным внутри корпуса 8, и может находиться за мембраной или стенкой корпуса для хорошей акустики и герметизации. Громкоговоритель может использоваться, чтобы создавать множество звуков, или тонов, или даже речевых сообщений. Громкоговоритель имеет множество применений. Если беспроводной зонд перемещается слишком далеко от главной системы, так, что существует ненадежный прием или даже полная потеря сигнала главной системой или зондом, громкоговоритель может пищать, чтобы предупреждать пользователя. Громкоговоритель может пищать, когда заряд аккумулятора низкий. Громкоговоритель может издавать тональный сигнал, когда пользователь нажимает кнопку или средство управления на зонде, обеспечивая слышимую обратную связь активации средства управления. Громкоговоритель может обеспечивать осязательную обратную связь при ультразвуковом исследовании. Громкоговоритель может издавать звук, когда активируется поисковое средство управления, чтобы определять местоположение зонда. Громкоговоритель может создавать акустические звуки Допплера во время исследования по Допплеру или тоны сердца, когда зонд используется в качестве звукового стетоскопа.
Приемопередатчик в этом примере является набором 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии. Выявлено, что ультраширокополосный приемопередатчик имеет такую скорость передачи данных, которая обеспечивает приемлемые частоты кадров изображений в реальном времени, также как и приемлемый диапазон для приемлемого уровня потребления энергии аккумулятора. Наборы микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, доступны от множества производителей, таких как General Atomics Сан-Диего, Калифорния; WiQuest Аллен, Техас; Sigma Designs Милпитас, Калифорния; Focus Semiconductor Хилсбро, Орегон; Aleron Остин, Техас; и Wisair Кэмпбел, Калифорния.
Фиг. 6a иллюстрирует путь сигнала беспроводного зонда в базовой станции главной системы, здесь показанной в портативной конфигурации 50. Антенна 54 связана с идентичным или совместимым набором 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, который выполняет передачу-прием в главной системе. В предпочтительном варианте осуществления для портативной конфигурации антенна 54 и набор микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, сконфигурированы как подключаемый по USB "электронный защитный ключ-заглушка" 110, как показано на фиг. 6b, который вставляется и питается через USB-порт главной системы 50.
Пример модуля сбора данных, подходящего для использования в беспроводном зонде настоящего изобретения, показан на фиг. 7. На левой стороне этого чертежа показаны сигналы, передаваемые на и от микроустройства формирования пучка и множества матриц преобразователей. Конструкция включает в себя каскад TGC-сигналов, сигналов канала, сформированных в форме пучка эхосигналов от микроустройства формирования пучка, другие данные и сигналы синхронизации для микроустройства формирования пучка, терморезистора и сигналы переключения, чтобы следить за перегревом на дистальном конце зонда, низкое напряжение, которое подается для микроустройства формирования пучка, и высокое напряжение, в этом примере +/- 30 вольт, чтобы питать элементы матрицы преобразователя. Справа на чертеже показаны соединения с приемопередатчиком и, как описано ниже, USB-проводники и напряжения от USB-провода или аккумулятора. Эти напряжения подают мощность для блоков питания, промежуточных вольтодобавочных преобразователей для преобразования постоянного тока и LDO-регуляторов 202, которые регулируют различные уровни напряжения, необходимые для беспроводного блока, включающего в себя подсистему сбора данных, и напряжение(я) питания матрицы преобразователя. Эта подсистема также отслеживает напряжение аккумулятора, которое дискретизируется последовательным ADC 214, и измеренное значение используется для отображения оставшейся мощности аккумулятора и для того, чтобы применять меры сохранения мощности, как описано ниже. Подсистема 202 выключает зонд, если напряжение аккумулятора приближается к уровню, который приведет в результате к повреждению аккумулятора. Она также отслеживает напряжения, потребляемыми зондом и электронными устройствами сбора информации, и похожим образом выключает их при каком-либо приближении к небезопасным уровням.
В ядре модуля сбора данных находится FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица) 200 контроллера сбора данных. Эта FPGA работает как конечный автомат, чтобы управлять синхронизацией, режимом и характеристиками ультразвуковой передачи и приема. FPGA 200 также управляет формированием пучка передачи и приема. FPGA 200 содержит цифровой сигнальный процессор (DSP), который может быть запрограммирован, чтобы обрабатывать принятые эхосигналы различными требуемыми путями. По существу, все аспекты ультразвуковой передачи и приема управляются посредством FPGA 200. Принятые эхосигналы передаются в FPGA 200 восьмеричной ASIC 206 предварительной обработки данных. ASIC 206 включает в себя A/D (аналогово-цифровые) преобразователи, чтобы преобразовывать принятые эхосигналы от микроустройства формирования пучка в цифровые сигналы. Усилители с переменным коэффициентом усиления ASIC используются, чтобы применять фазу TGC к принятым эхосигналам. Принятые эхосигналы фильтруются фильтрами 210 восстановления и проходят через коммутатор 208 передачи/приема к ASIC 206 предварительной обработки данных. Для передачи ультразвуковой волны передаваемые сигналы, подаваемые FPGA 200, преобразуются в аналоговые сигналы посредством DAC 211, проходят через T/R-коммутатор 208, фильтруются фильтрами 210 и подаются микроустройству формирования пучка для матричного преобразователя.
В этой реализации используется маломощный USB-микроконтроллер 204, чтобы принимать управляющую информацию по USB-шине, которая передается в FPGA 200. Эхосигналы, принятые и обработанные FPGA 200, предпочтительно включающие в себя демодуляцию и обнаружение, передаются микроконтроллеру 204 для обработки в USB-формате для USB-шины и ультраширокополосного приемопередатчика 96. Эти элементы, включающие в себя фильтры 210 восстановления, T/R-коммутатор 208, DAC 211 (при передаче), ASIC 206 предварительной обработки (при приеме), FPGA 200 контроллера сбора данных и USB-микроконтроллер 204, содержат тракт ультразвукового сигнала между приемопередатчиком 96 и микроустройством 72, 82 формирования пучка. Различные другие элементы и регистры, показанные на фиг. 7, будут без труда понятны специалисту в области техники.
Фиг. 8a и 8b иллюстрируют внешний вид созданного беспроводного зонда 10 настоящего изобретения в продольном и поперечном разрезах. Компоненты зонда в этом варианте осуществления расположены внутри корпуса 8a. Пространственный каркас внутри корпуса служит для того, чтобы устанавливать и размещать компоненты, и также служит в качестве теплоотвода, чтобы рассеивать тепло, сформированное в зонде, быстрым и равномерным образом. Электронные компоненты зонда установлены на печатных платах 121, которые соединены вместе гибкими схемными соединениями 114. В этом примере печатные платы и гибкие схемы формируют непрерывную, цельную сборку для эффективного и компактного межсоединения плат и цепи прохождения сигнала. Как может быть видно на фиг. 8b, верхняя и нижняя части электронной сборки, каждая, содержат две печатных платы 112, сложенных по направлению друг к другу параллельно и соединенных гибкой схемой 114. ASIC 206 предварительной обработки данных и FPGA 200 контроллера можно увидеть установленными на нижней стороне нижней печатной платы на чертежах. Верхние печатные платы в зонде монтируют компоненты блока питания и набора 96 микросхем приемопередатчика со своей антенной 76. В отдельной реализации может быть желательно использовать отдельную печатную плату для набора 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, который специально спроектирован для высокочастотных компонентов и сигналов приемопередатчика. В иллюстрированном примере пьезоэлектрический громкоговоритель 102 расположен на верхней печатной плате. Гибкая схема 114 на дистальных концах продольно вытянутых печатных плат соединяется с меньшей печатной платой 112, на которой расположена(ы) микросхема(ы) 72, 82 микроустройства формирования пучка. К микроустройству формирования пучка на дистальном конце 12 зонда прикреплена матрица 70, 80 преобразователя.
В иллюстрированной сборке аккумулятор 92 заполняет центральное пространство зонда между печатными платами. Использование иллюстрированного, вытянутого в длину аккумулятора распределяет вес аккумулятора почти по всей длине зонда и обеспечивает зонд лучшим балансом при обращении с ним. Корпус может быть изготовлен с отверстием так, что аккумулятор 92 может быть доступен для замены, или корпус может быть герметизирован так, что возможна только фабричная замена аккумулятора. Посредством гибкой схемы 114 на проксимальном конце корпуса 8 зонда соединяется небольшая печатная плата 112, на которой установлен USB-разъем 120. Этот разъем может быть стандартным USB-разъемом типа A или типа B. В предпочтительном варианте осуществления USB-разъем сконфигурирован, как показано на фиг. 10a и 10b.
Легковесный, компактный дизайн на фиг. 8a и 8b распределяет вес компонентов зонда следующим образом. Корпус 8 и его пространственный каркас, гибкие схемы 114, матрица 70, 80 преобразователя и микроустройство 72, 82 формирования пучка весят приблизительно 50 граммов в сконструированном варианте осуществления. Компоненты 94 модуля сбора данных, набор 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, компоненты 90 блока питания и стабилизации, печатные платы для этих компонентов и набор микросхем весят приблизительно 40 граммов. Литиевый полимерный аккумулятор емкостью 1800 мА/ч и разъем весят приблизительно 40 граммов. Громкоговоритель весит около пяти граммов, и антенна весит около десяти граммов. USB-разъем весит около трех граммов. Таким образом, общий вес этого беспроводного зонда около 150 граммов. С уменьшением веса, возможным для пространственной рамы и сборок печатных плат, может быть получен вес в 130 граммов или менее. С другой стороны, более крупный аккумулятор для более длительного использования между перезарядками, матрица преобразователя с более крупной апертурой и/или больший корпус для большего рассеивания тепла могут удваивать вес до приблизительно 300 граммов. В то время как меньший аккумулятор может обеспечивать сканирование в течение часа (один осмотр) перед перезарядом, более крупный аккумулятор может позволить использовать беспроводной зонд весь день (8 часов) и вставлять его в гнездо для ночной перезарядки. Некоторым специалистам по ультразвуковой эхографии может требоваться самый легкий зонд, в то время как другие предпочитают более тяжелый зонд с более длительной продолжительностью сканирования между перезарядками. В зависимости от относительной важности этих соображений для проектировщика и пользователя могут быть реализованы различные зонды с различным весом.
В некоторых реализациях может требоваться создать беспроводной зонд, который не имеет физических средств управления на нем, каким является корпус большинства традиционных ультразвуковых зондов сегодня. Многим специалистам в ультразвуковой эхографии не требуются средства управления на зонде, так как может быть трудно удерживать зонд в позиции получения изображения одной рукой, в то же время манипулируя средствами управления на зонде другой рукой, при так называемой перекрестной ручной операции. В других реализациях на самом зонде находится только выключатель, таким образом, пользователь может быть уверен, что неиспользуемый зонд выключен и не истощает аккумулятор. В еще одних реализациях на зонде находится основная отображаемая информация, такая как сила сигнала и оставшееся время эксплуатации аккумулятора. Основная информация этого вида на зонде поможет пользователю диагностировать зонд, который не работает правильно. В еще одних реализациях могут требоваться некоторые минимальные средства управления. При том что пользователь больше не привязан к главной системе кабелем, системные средства управления, традиционно используемые для управления зондом, могут больше не находиться в пределах досягаемости, и минимальные средства управления на самом беспроводном зонде могут способствовать его независимой работе. Фиг. 9a и 9b показывают два примера отображений информации и средств управления, которые могут быть расположены на корпусе беспроводного зонда. Фиг. 9a иллюстрирует набор отображений и средств управления, размещенных в вертикальной ориентации и графически помеченных. Фиг. 9b иллюстрирует тот же набор отображений и средств управления, размещенных в горизонтальной ориентации и помеченных текстом. Индикатор 132 силы сигнала отображается в верхней левой части, а индикатор 134 заряда аккумулятора отображается в верхней правой части каждого набора отображений и средств управления. В центре присутствует набор средств управления, который, в этом примере, включает в себя стрелки вверх и вниз для установки усиления, выбора пункта меню или перемещения курсора, средство управления стоп-кадром, чтобы фиксировать кадр живого отображения на экране, средство управления получением данных, чтобы получать и сохранять стоп-кадр или цикл живого изображения, и средство управления меню, чтобы получать доступ к списку пунктов меню для зонда. Средства управления стрелками вверх и вниз используются, чтобы осуществлять навигацию по списку пунктов меню, и средство 138 управления выбором используется, чтобы выбирать требуемый пункт меню. Эти средства управления могут использоваться, чтобы изменять режим работы зонда с режима B на цветовой поток или помещать векторную линию или M-линию поверх изображения, например. Средства управления могут реагировать на различные примеры воздействия для управления множественными функциями. Например, удерживание средств управления меню и получения данных одновременно в течение трех секунд может использоваться, чтобы включать или выключать зонд, устраняя необходимость в отдельном выключателе. Постукивание по средству управления выбором три раза в быстрой последовательности может вызывать запуск средств управления и/или включать подсветку дисплея. Специальная последовательность, чтобы активировать средства управления, желательна в данном случае, поскольку пользователь будет часто нажимать на средства управления, пока удерживает и манипулирует беспроводным зондом при обычном сканировании, и желательно не допускать срабатывания средства управления от обычных манипуляций с зондом, когда срабатывание средства управления не подразумевается.
Звуковая возможность громкоговорителя или зуммера 102 предпочтительно используется, чтобы дополнять отображение визуальной информации беспроводного зонда и/или срабатывании средств управления. Например, если заряд аккумулятора становится низким, зуммер может издавать звук, чтобы предупреждать пользователя, что необходимо перезарядить аккумулятор или использовать другой зонд. Другой звук зуммера может использоваться, чтобы предупреждать пользователя об условиях сигнала слабой силы, и пользователь может перемещать базовую станцию главной системы ближе к месту осмотра или позаботиться о том, чтобы не заслонять антенну рукой, как обсуждалось ранее. Громкоговоритель или зуммер может создавать звук или вибрацию, когда средство управления сработало, таким образом, обеспечивая обратную связь с пользователем в том, что срабатывание имело место и было зарегистрировано зондом и/или системой.
Различные технологии управления и отображения могут использоваться для размещения отображений и средств управления беспроводного зонда на фиг. 9a и 9b. Средства управления могут быть простыми механическими контактными переключателями, покрытыми герметизирующей непроницаемой для жидкости мембраной с управляющей графикой, напечатанной на ней. Более предпочтительно, чтобы дисплеи и средства управления являлись LED-, LCD- или OLED-дисплеями, которые установлены на печатной плате 112, выровнены с внешней поверхностью корпуса 8 и герметизированы для водонепроницаемости с окружающим корпусом или видимы через окно в корпусе. Прикосновение к дисплею управления пальцем или специальной палочкой активирует выбранную функцию управления сенсорной панели. См. международную патентную публикацию WO 2006/038182 (Chenal и др.) и патент США 6579237 (Knoblich).
В то время как главным преимуществом беспроводного зонда в настоящем изобретении является устранение громоздкого кабеля и привязки к ультразвуковой системе, существуют ситуации, в которых кабель зонда может быть желателен. Например, удобным способом, чтобы перезаряжать аккумулятор беспроводного зонда, является помещение беспроводного зонда в зарядную подставку, когда зонд не используется, как показано в патенте США 6117085 (Picatti и др.). Однако может быть более удобным в некоторых ситуациях использовать кабель, чтобы перезаряжать аккумулятор. Кабель может быть более портативным, чем заряжающая подставка, например. Более того, кабель со стандартизированным разъемом может предоставить возможность перезарядки аккумулятора зонда от множества обычных устройств. В других ситуациях, если специалист по ультразвуковой эхографии проводит ультразвуковое обследование, и зуммер издает звук, указывающий состояние низкого заряда аккумулятора, специалист по ультразвуковой эхографии может захотеть продолжать использование зонда, чтобы провести исследование и может захотеть переключиться с электропитания от аккумулятора на электропитание через кабель. В этой ситуации желателен кабель электропитания, и подсистема 202 электропитания автоматически переключается на работу с кабелем электропитания, в то время как аккумулятор заряжается. В качестве еще одного примера, радиочастотная или другая беспроводная линия связи с базовой станцией главной системы может быть ненадежной, как, например, когда поблизости работает электрохирургическое оборудование, или специалисту по ультразвуковой эхографии нужно удерживать зонд с антенной или другим передатчиком на зонде, заслоняя его от главной системы. В других ситуациях специалисту по ультразвуковой эхографии может потребоваться зонд, соединенный кабелем так, что зонд не сможет отделиться от системы или повиснет на кабеле над полом, если упадет. Может быть ситуация, где кабель обеспечивает улучшенную производительность, такую как большую полосу пропускания для передачи диагностических данных или обновлений микропрограммного или программного обеспечения зонда. В других обстоятельствах зонд не может успешно соединиться с главной системой, и будет работать только проводное соединение. В таких ситуациях может потребоваться кабель для электропитания, передачи данных или и того, и другого.
Фиг. 10a иллюстрирует кабель, подходящий для использования с беспроводным зондом настоящего изобретения. В то время как различные типы многожильных кабелей и разъемов могут использоваться для беспроводного зонда, этот пример является многожильным USB-кабелем 300 с USB-разъемом 310 типа A на одном конце. От разъема 310 протягивается USB-адаптер 312 типа A. Могут альтернативно применяться другие USB-форматы, такие как тип B и мини-B, которые встречаются в цифровых камерах, или может быть использован полностью специализированный разъем с другими требуемыми свойствами. USB-кабель может вставляться в практически любой настольный или портативный компьютер, позволяя беспроводному зонду заряжаться от практически любого компьютера. Когда главная система является портативной ультразвуковой системой 50, как показано на фиг. 2b и 6a, кабель USB-типа может использоваться как для передачи сигнала на и от главной системы, так и для электропитания.
Такой же тип USB-разъема может быть предусмотрен на другом конце кабеля 300 для соединения с беспроводным зондом, в таком случае беспроводной зонд имеет сопряженный USB-разъем. Разъем зонда может быть углублен внутрь корпуса и покрыт водонепроницаемой заглушкой или другим герметичным съемным уплотнителем, когда не используется. В иллюстрированном примере разъем 302 для зонда содержит четыре USB-провода 308. Провода 308 подпружинены, таким образом, они будут прижиматься с хорошим контактом к сопряженным проводам в беспроводном зонде. Провода 308 расположены на конце 304 углубленного или выступающего разъема, который снабжен ключом на одном конце 306, чтобы обеспечивать стыковку с зондом только в одной ориентации.
Сопряженный кабельный разъем беспроводного зонда 10 на фиг. 10a показан на фиг. 10b. Разъем 310 зонда в этом примере находится на проксимальном конце 14 и полностью герметизирован. Контакты 314 зонда разъема 310 расположены в углубленной или выступающей области 316, которая стыкуется с выступающим или углубленным концом 304 кабеля и аналогичным образом снабжена ключом в 312 для правильного соединения. Когда разъем 302 кабеля вставляется в сопряженную область 316 зонда, подпружиненные проводники 308 кабеля нажимают на проводники 314 зонда, выполняя USB-соединение с зондом.
В соответствии с принципами дополнительного аспекта зонда и кабеля на фиг. 10a и 10b сопряженная область 316 зонда не выступает или не углублена, а выровнена с окружающей поверхностью зонда. Сопряженная область 316 выполнена из магнитного или ферромагнитного материала, который окружает контакты 314 и является магнитно притягивающей. Сопряженный конец 304 разъема 302 кабеля подобным образом не должен выступать или быть углубленным, а может также быть выровнен с концом разъема 302 и выполнен из намагниченного материала, который притягивается к сопряженной области 316 зонда. Намагниченный материал конца 304 может быть постоянно намагниченным или электрически намагничиваемым, так что он может быть включен и выключен. Таким образом, кабель подключается к зонду не физическим подключением штепселя, а магнитным притяжением, которое может обеспечивать как предоставление ключа (посредством полярности), так и самостоятельную посадку. Это предоставляет несколько преимуществ для беспроводного зонда. Одним из них является то, что разъем 310 зонда не должен иметь выступы или углубления, которые могут собирать гель и другие загрязнения, которые трудно очищать и устранять. Разъем 310 может быть гладкой непрерывной поверхностью корпуса 8 зонда, сопряженной областью 316 и контактами 314, которые легко очищать, и они не задерживают загрязнения. Такое же преимущество применяется к разъему 302 кабеля. Магнитное, а не физическое соединение, означает, что соединение может быть физически разорвано без повреждения зонда. Специалист по ультразвуковой эхографии, который привлекается, чтобы использовать беспроводной зонд, может привыкнуть к отсутствию кабеля и может забыть, что кабель 300 присутствует при сканировании. Если специалист по ультразвуковой эхографии прилагает усилие на кабель, как, например, наступая на него или спотыкаясь об него, сила преодолеет магнитное притяжение, соединяющее кабель с зондом, и кабель 300 без ущерба отделится от зонда 10 без его повреждения. Предпочтительно, магнитное притяжение является достаточно сильным, чтобы удерживать вес и инерцию зонда при повисании на кабеле, что допускает использование беспроводного зонда весом до 300 грамм. Таким образом, если соединенный кабелем зонд падает с диагностического стола, он повиснет на магнитном кабеле и свободно не упадет и не ударится об пол, что убережет беспроводной зонд от повреждения.
Следует понимать, что кабель может быть устройством из двух частей, с адаптером, съемным образом подключаемым к зонду и имеющим стандартизированный кабельный разъем. Адаптер соединяется с кабелем с помощью стандартизированного разъема, такого как USB-разъем на обоих концах. В такой конфигурации адаптер может использоваться с любым стандартизированным кабелем желаемой длины.
Как и с другими питаемыми от аккумуляторов устройствами, потребляемая мощность является проблемой в беспроводном зонде настоящего изобретения. Существует два объяснения этого в беспроводном зонде. Первое состоит в том, что беспроводной зонд желательно должен иметь возможность создавать изображение в течение продолжительного периода времени прежде, чем будет необходима перезарядка. Второе объяснение в том, что нагревание является проблемой для безопасности пациента и срока эксплуатации компонентов, и желателен низкий подъем в результате термического расширения как в матрице преобразователя, так и в корпусе 8 зонда. Может быть предпринято несколько мер, чтобы улучшать потребление энергии и тепловые характеристики беспроводного зонда. Одна из них заключается в том, что всякий раз, когда зарядный кабель соединяется с зондом, как обсуждалось в связи с фиг. 10a и 10b выше, зонд должен переключаться на использование сетевого напряжения кабеля, чтобы управлять зондом. Во время зарядки аккумулятора желательно, чтобы энергия аккумулятора не использовалась для питания зонда при подсоединенном зарядном кабеле. Другой мерой, которая может быть предпринята, состоит в том, что беспроводной зонд должен переключаться в режим ожидания, когда зонд не используется для получения изображения. См. патент США 6527719 (Olsson и др.) и международную патентную публикацию WO 2005/054259 (Польша). Может использоваться несколько технологий, чтобы автоматически определять, когда зонд не используется для получения изображения. Одной из них является обнаружение отражения от границы раздела линза-воздух спереди матрицы преобразователя, когда акустическое окно зонда не находится в соприкосновении с пациентом. См. патент США 5517994 (Burke и др.) и патент США 65654509 (Miele и др.). Если этот сильный отраженный сигнал сохраняется в течение предварительно определенного числа секунд или минут, зонд может предположить, что он не используется для получения изображения и переключается в режим ожидания. Другой технологией является периодическое выполнение допплеровского сканирования, даже если зонд в текущий момент не находится в режиме Допплера, чтобы увидеть, обнаружено ли движение кровотока, что является индикатором того, что зонд используется. Отслеживание зернистости и другие технологии обработки изображения могут использоваться для того, чтобы обнаруживать движение. Еще одним подходом является установка одного или более акселерометров внутри корпуса 8 зонда. См. патент США 5529070 (Augustine и др.). Сигналы акселерометра периодически дискретизируются, и, если предварительно определенный период времени проходит без изменения сигнала ускорения, зонд может предположить, что пользователь не управляет зондом, и может переключиться в режим ожидания. Предусмотрены средства управления, посредством которых пользователь может переключать зонд в режим ожидания вручную, в дополнение к автоматическим тайм-аутам для перехода в режим ожидания. Комбинация обоих способов позволяет пользователю устанавливать тайм-ауты для перехода в режим ожидания с меньшей длительностью. Это может также косвенно выполняться системой. Например, пользователь может устанавливать оставшийся период времени, когда пользователь захочет выполнять получение изображения с помощью беспроводного зонда. Зонд отвечает на очень длинный требуемый период сканирования автоматическим выставлением изменений в параметрах, таких как тайм-ауты, и передает лучи, что направлено на достижение более длительного получения изображений.
Как показано на фиг. 7, модуль 94 сбора данных воспринимает сигнал от терморезистора рядом с множеством преобразователей зонда и также использует термометр 212 внутри корпуса, чтобы измерять тепло, создаваемое другими компонентами зонда. Когда любой из этих датчиков температуры указывает чрезмерный тепловой режим, зонд переключается в режим пониженного энергопотребления. Могут быть изменены несколько параметров, чтобы получать режим работы с более низким потреблением энергии. Мощность передачи матрицы преобразователей может быть понижена посредством снижения напряжения питания на ±30 вольт для матрицы преобразователей. Не смотря на то что эта мера будет снижать образование тепла, она может также повлиять на глубину проникновения и чистоту создаваемого изображения. Компенсация этого изменения может быть предоставлена посредством автоматического увеличения усиления, применяемого к принятым сигналам в главной системе. Другим способом для уменьшения выделения тепла является синхронизирующая частота цифровых компонентов в зонде. См. патент США 5142684 (Perry и др.). Еще одним способом для уменьшения выделения тепла и сохранения энергии является изменение параметров получения изображения. Частота кадров захватываемого изображения может быть уменьшена, что уменьшает величину мощности передачи, используемой в каждую единицу времени. Расстояние между соседними пучками передачи может быть увеличено, создавая изображение с меньшим разрешением, которое может, если желательно, быть улучшено другими мерами, такими как интерполяция линий промежуточного изображения. Другим подходом является изменение периода включения кадра. Дополнительной мерой является уменьшение активной передающей апертуры, приемной апертуры или и того, и другого, таким образом, уменьшая число элементов преобразователя, которые должны обслуживаться с помощью активной схемы. Например, если во время биопсии или другой инвазивной процедуры изображается игла, апертура может быть уменьшена, так как высокое разрешение не требуется, чтобы визуализировать большинство игл с помощью ультразвука. Другим подходом является снижение мощности радиочастотной передачи, предпочтительно с помощью сообщения, рекомендующего пользователю уменьшить расстояние между беспроводным зондом и главной системой, если возможно, так что могут продолжать создаваться высококачественные изображения с пониженной мощностью радиочастотной передачи. Снижение мощности радиочастотной передачи (либо акустической, либо при обмене данными) предпочтительно сопровождается повышением усиления, применяемого главной системой к принятым радиочастотным сигналам.
Проблема, которую может создавать беспроводной зонд, заключается в том, что он может отделяться от своей главной ультразвуковой системы и может быть потерян или украден более просто, чем традиционный кабельный зонд. Фиг. 11 иллюстрирует решение этой проблемы, которым является использование поля радиочастотного излучения беспроводного зонда 10 и/или его главной системы 40, чтобы определять местоположение или отслеживать беспроводной зонд. Фиг. 11 иллюстрирует комнату 300, в которой расположен диагностический стол 312 для обследования пациентов с помощью беспроводного зонда 10. Диагностические изображения просматриваются на экране дисплея главной ультразвуковой системы 40, видимой в виде сверху. Два контура 320 и 322 радиочастотной зоны действия показаны очерченными беспроводным зондом 10, расположенным в их центре. Внутренняя зона 320 действия является предпочтительной зоной работы беспроводного зонда 10 и его главной системы. Когда беспроводной зонд и его главная система находятся в пределах этой зоны, прием будет на уровне, обеспечивающем надежное управление зондом и предоставляющим диагностические изображения с низким шумом. Когда беспроводной зонд и его главная система находятся в этой зоне, индикатор 132 силы сигнала будет указывать на максимальную мощность или рядом с ней. Однако, если беспроводной зонд и его главная система разделены расстоянием за пределами этой зоны, например вне предпочтительной зоны 320, но в пределах максимальной зоны 322, работа беспроводного зонда может стать ненадежной, и последовательные высококачественные живые изображения могут не приниматься главной системой. При таких условиях индикатор силы сигнала начнет показывать низкую или недостаточную силу сигнала, и зуммером 102 зонда или посредством звукового и/или визуального индикатора в главной системе может быть выдано звуковое предупреждение.
Эта возможность обнаружения того, когда беспроводной зонд находится в зоне главной системы, может использоваться для множества целей. Например, это может быть замыслом медицинского учреждения, чтобы беспроводной зонд 10 оставался в процедурной 300 и не уносился в любую другую комнату. В таком случае, если кто-то пытается выйти в дверь 302 с беспроводным зондом 10, индикатор силы сигнала или синхронизации (зоны) обнаружит это движение, и зонд и/или главная система могут издавать звук или сообщать сигнал тревоги, указывающий, что беспроводной зонд вынесен за пределы его авторизованной зоны. Такой перенос может быть неумышленным. Например, беспроводной зонд 10 может быть оставлен в постельных принадлежностях диагностического стола 312. Персонал, убирающий и заменяющий постельные принадлежности, может не увидеть беспроводной зонд, и он может быть завернут в постельных принадлежностях для переноса в прачечную или печь для сжигания отходов. Если это происходит, зонд может издавать предупредительный сигнал, когда он выносится за дверь 302 и за пределы зоны действия своей главной системы 40, таким образом, предупреждая обслуживающий персонал о присутствии беспроводного зонда в постельных принадлежностях.
Эта же самая способность может защищать беспроводной зонд от выноса из здания. Например, если кто-то пытается вынести зонд за дверь 302, вниз в холл 304 и через выход 306 или 308 здания, передатчик или приемник 310 с сигнализацией может обнаруживать, когда беспроводной зонд находится в пределах области 324 сигнала этого детектора 310. Когда зонд 10 проходит через сигнальную область 324, может быть активирован зуммер 102 зонда, и звучит аварийный сигнал детектора 310, чтобы предупреждать обслуживающий персонал о попытке выноса беспроводного зонда. Система 310 может также регистрировать время и место сигнала тревоги, так что ведется запись неавторизованного перемещения зонда.
Встроенный зуммер зонда или громкоговоритель 102 может также использоваться, чтобы определять местоположение отсутствующего зонда. Беспроводным образом передается командный сигнал, который инструктирует беспроводному зонду издавать свой встроенный слышимый тон. Предпочтительно передатчик имеет расширенный диапазон, который покрывает всю область, в которой беспроводной зонд может находиться. При приеме команды беспроводной зонд воспроизводит звук, который предупреждает персонал поблизости о присутствии зонда. Зонды, которые были положены не на место или накрыты постельными принадлежностями, могут быть легко найдены таким способом. Такой же способ может использоваться, чтобы позволить больнице найти конкретный зонд, когда практикующий врач, разыскивающий его, не может его найти.
Фиг. 12 и 13 иллюстрируют несколько аксессуаров, которые могут полезно использоваться с беспроводным зондом настоящего изобретения. Фиг. 12 показывает пару очков с видеодисплеем, которые могут использоваться для проекционного отображения с помощью беспроводного зонда настоящего изобретения. Отображение в очках особенно полезно, когда беспроводной зонд используется в операционной. Беспроводной зонд полезен для получения изображений при хирургической операции ввиду отсутствия кабеля, который иначе будет мешать операционному полю, требуя чрезмерной стерилизации и возможно затрудняя операцию. Беспроводной зонд идеален для того, чтобы освобождать пациента и хирурга от рисков, привносимых кабелем. Кроме того, в операционной, головной дисплей зачастую используется, чтобы отображать как основные показатели состояния организма пациента, так и ультразвуковое изображение. Таким образом, главная система может быть расположена в стороне от процедуры, при этом ультразвуковое изображение показывается на головном дисплее. Перед принятием решения хирург может использовать ультразвук, чтобы разглядеть человеческое тело ниже участка разреза. Это требует того, чтобы хирург посмотрел вниз на место операции, затем вверх на ультразвуковой дисплей в некомфортной и деструктивной последовательности маневров. Отображение 410 в очках на фиг. 12 устраняет этот дискомфорт и раздражение. Отображение 410 включает в себя небольшой проектор 412, который проецирует ультразвуковое изображение на поверхность, такую как экран LCD-дисплея или, в этом примере, линза очков 414 с видеодисплеем, позволяя хирургу смотреть на место хирургического вмешательства, в то же время, слегка сдвигая глаза, смотреть на ультразвуковое изображение тела пациента. Проектор 412 может быть снабжен своими очками с видеодисплеем или может быть закреплен на собственные очки хирурга. Проектор 412 может быть соединен проводом с главной системой, но предпочтительно связывается беспроводным образом с главной системой, так что провод от проектора не нужен и не мешает хирургическому полю. Такое изображение не должно иметь высокой частоты кадров в реальном времени, так как хирург захочет смотреть на относительно неподвижное ультразвуковое изображение относительно места операции. Следовательно, требования к полосе пропускания для связи с проектором 412 могут быть относительно низкими. Альтернативно, FPGA 200 модуля сбора данных может быть запрограммирована, чтобы выполнять сканирующее преобразование, и изображение со сканирующим преобразованием передается непосредственно от беспроводного зонда на беспроводной дисплей в очках. Похожее ультразвуковое отображение может быть обеспечено с помощью полностью закрытых очков, но так как это помешает хирургу наблюдать за местом хирургического вмешательства при просмотре ультразвукового изображения, способ получения изображения, который разрешает как одновременный просмотр, так и быструю смену, является предпочтительным.
Для процедур, таких как упомянутое выше хирургическое вмешательство, где хирург манипулирует хирургическими инструментами в месте хирургического вмешательства и не может также манипулировать ультразвуковыми средствами управления для получения изображения, речевое управление беспроводным зондом является предпочтительным. Фиг. 13 показывает речевой приемопередатчик 420 Bluetooth, который устанавливается над ухом пользователя и включает в себя микрофон 422, посредством которого пользователь может выдавать вербальные команды беспроводному зонду. Такой речевой приемопередатчик может использоваться с базовой станцией главной системы, такой как ультразвуковая система iU222, созданная компанией Philips Medical Systems Эндовер, штат Массачусетс, которая имеет встроенный процессор распознавания речи. Пользователь может использовать беспроводной речевой приемопередатчик 420, чтобы выдавать вербальные команды для управления работой ультразвуковой системы iU22. В соответствии с принципами настоящего изобретения ультразвуковая система с возможностью распознавания речи также включает в себя приемопередатчик для связи с беспроводным зондом. Такая главная ультразвуковая система может принимать вербальные команды от пользователя либо через проводной микрофон, либо беспроводным образом с помощью беспроводной гарнитуры, такой как показанная на фиг. 13, и посредством распознавания речи преобразовывать вербальные команды в командные сигналы для беспроводного зонда.
Командные сигналы затем передаются беспроводным образом беспроводному зонду, чтобы выполнить управляющее действие. Например, пользователь может изменить глубину отображаемого изображения, командуя "глубже" или "ближе к поверхности", и главная система и беспроводной зонд будут реагировать изменением глубины ультразвукового изображения. В отдельном варианте осуществления также может быть желательно передавать вербальную информацию пользователю, чтобы указывать, что приказанное действие было выполнено. Продолжая с предшествующим примером, главная система может отвечать звуковой информацией из синтезатора речи и громкоговорителя о том, что "глубина изменена до десяти сантиметров". См., например, патент США 5970457 (Brant и др.). Беспроводной приемопередатчик на фиг. 13 включает в себя наушник 424, который пользователь может носить в ухе, так что слышимые ответы на вербальные команды транслируются непосредственно в ухо пользователя, улучшая понимание в шумном окружении. Процессор распознавания речи может быть расположен в беспроводном зонде, так что пользователь может сообщать команды непосредственно беспроводному зонду без прохождения через главную систему. Однако процессор распознавания речи требует подходящего программного обеспечения и аппаратных средств и накладывает значительные дополнительные требования по мощности на питаемый от аккумулятора зонд. По этим причинам предпочтительно размещать процессор распознавания речи в главной системе, в которой он легко снабжается энергией посредством напряжения сети. Интерпретированные команды затем легко передаются беспроводному зонду для реализации. В применениях, которые описаны выше, где пользователю требуется зонд без каких-либо устройств пользовательского интерфейса на беспроводном зонде, речевое управление предоставляет подходящее средство для управления беспроводным зондом.
Фиг. 14 показывает полностью интегрированную беспроводную ультразвуковую систему, сконструированную в соответствии с принципами настоящего изобретения. В центре системы находится главная система 40, 50, 60, которая запрограммирована для спаривания с рядом беспроводных устройств создания ультразвуковых изображений и аксессуаров. (Символ, обозначенный цифрой 2, указывает беспроводную линию связи.) Основным является беспроводной зонд 10, который отвечает на командные сигналы и передает данные изображения главной системе 40, 50, 60. Главная система отображает ультразвуковое изображение на своем системном дисплее 46, 56, 66. Альтернативно или дополнительно, изображение отправляется на дисплей 410 в очках, где ультразвуковое изображение отображается для более удобного использования пользователем. Беспроводной зонд 10 управляется через пользовательский интерфейс, расположенный на самом зонде, как показано на фиг. 9a и 9b. Альтернативно или дополнительно средства управления для беспроводного зонда могут быть расположены в главной системе 40, 50, 60. Еще одним вариантом является использование беспроводного пользовательского интерфейса 32, который сообщает управляющие команды непосредственно беспроводному зонду 10 или главной системе для ретрансляции беспроводному зонду. Другим вариантом является педальное средство управления. Еще дополнительным вариантом является управление зондом вербально через слова, произносимые в микрофон 420. Эти командные слова передаются главной системе 40, 50, 60, где они распознаются и преобразуются в командные сигналы для зонда. Командные сигналы затем отправляются беспроводным образом зонду 10, чтобы управлять работой беспроводного зонда.