Ультразвуковое устройство для транскраниальных исследований

Область техники
Полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована в медицинской диагностике при проведении врачом ультразвукового исследования головного мозга через кости черепа, то есть транскраниально.
Уровень техники
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство для получения изображений головного мозга и кровотока в его сосудах при транскраниальных ультразвуковых исследованиях [1]. Устройство [1] содержит фазированный ультразвуковой датчик, одноэлементный ультразвуковой датчик, переключатель между режимами приема и передачи, усилитель мощности, блоком цифровой обработки, блок расчета задержек, формирователь зондирующего сигнала, входной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь Гильберта, формирователь луча, блок расчета интенсивности и сканконвертирования сигналов, формирующих диагностическое изображение, цифровой процессор, экран и устройство ввода данных. Недостатками данного технического решения являются сложность применения, обусловленная необходимостью располагать на голове пациента соосно одновременно два датчика, один из которых используется для калибровки системы. В отличие от прототипа, предлагаемая полезная модель может полноценно работать с одним ультразвуковым датчиком. За счет этого достигается удобство применения.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание удобного в использовании устройства, обеспечивающего возможность проведения транскраниальных исследований мозга и сосудов пациента врачом ультразвуковой диагностики.
Решение данной задачи достигается тем, что предлагаемое устройство, в отличие от прототипа [1], содержит блок определения и коррекции погрешности фокусировки, состоящий из блока извлечения вектора-строки из матрицы, блока накопления, блока нормировки, блока аппроксимации, блока расчета среднеквадратичного отклонения, блока принятия решения, блока расчета полиномов и диагностической схемы сканирования, причем диагностическая схема сканирования соединена с блоком нормировки через блок извлечения вектора-строки из матрицы и блок накопления, блок нормировки соединен с блок принятия решения через блок аппроксимации и блок расчета среднеквадратичного отклонения, блок расчета полиномов непосредственно соединен с диагностической схемой сканирования и формирователем луча.
Устройство снабжено встроенным аккумулятором для обеспечения автономного электропитания.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение удобства использования устройства, ускорение процедуры обследования, за счет отсутствия необходимости применять дополнительный калибровочный датчик и повышение качества диагностики по сравнению с решением [1].
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого технического решения.
На фиг. 2 представлен возможный внешний вид устройства.
Осуществление полезной модели
Устройство состоит из фазированного ультразвукового датчика 1, переключателя между режимами приема и передачи 2, выходного усилителя мощности 3, формирователя зондирующего сигнала 4, входного усилителя мощности 5, аналого-цифрового преобразователя 6, блока цифровой обработки 7, экрана 8, устройства ввода данных 9, системы питания со встроенным аккумулятором или внешним адаптером 10, преобразователя Гильберта 11, блока расчета задержек 12, формирователя луча 13, блок расчета интенсивности и сканконвертирования сигналов, формирующих диагностическое изображение, 14, блока извлечения вектора-строки из матрицы 15, блока накопления 16, блока нормировки 17, блока аппроксимации 18, блока расчета среднеквадратичного отклонения 19, блока принятия решения 20, блока расчета полиномов 21, диагностической схемы сканирования 22. Элементы 1-9 и 11-14 характерны для прототипа. Элементы 15-22 можно условно объединить в блок определения и коррекции погрешности фокусировки 223.
Все элементы связаны между собой следующим образом. Фазированный ультразвуковой датчик 1 через переключатель между режимами приема и передачи 2 и выходной усилитель мощности 3 соединен с формирователем зондирующего сигнала 4 и через входной усилитель мощности 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 соединен с блоком цифровой обработки 7. В состав блока цифровой обработки 7 входят преобразователь Гильберта 11, блок расчета задержек 12, формирователь луча 13, блок расчета интенсивности и сканконвертирования сигналов, формирующих диагностическое изображение, 14, блок извлечения вектора-строки из матрицы 15, блок накопления 16, блок нормировки 17, блок аппроксимации 18, блок расчета среднеквадратичного отклонения 19, блок принятия решения 20, блок расчета полиномов 21, диагностическая схема сканирования 22. Комплексный сигнал с выхода преобразователя Гильберта 11 и задержки из блока расчета задержек 12 поступают на вход формирователя луча 13, который через блок извлечения вектора-строки из матрицы 15, блок накопления 16, блок нормировки 17, блок аппроксимации 18 и блок расчета среднеквадратичного отклонения 19 соединен с блоком принятия решения 20. Сигналы с блока принятия решения управляют работой блока расчета задержек 12, блока расчета полиномов 21 и блок расчета интенсивности и сканконвертирования сигналов, формирующих диагностическое изображение, 14. Результат работы блока расчета полиномов 21 поступает на вход формирователя луча 13 и диагностической схемы сканирования 22. Для обеспечения автономным электропитанием устройство снабжено встроенным аккумулятором или внешним адаптером 10.
0
Работает устройство следующим образом. Одним из элементов фазированного ультразвукового датчика 1 в режиме синтеза апертуры испускается акустический импульс. Излучаемый сигнал представляет собой единичный импульс, формируемый в формирователе зондирующего сигнала 4 и усиливаемый выходным усилителем мощности 3. При этом импульс характеризуется несущей частотой ƒпорядка 500-5000 кГц. Ультразвуковой датчик на основе обратного пьезоэффектов преобразует электрический сигнал в ультразвуковой импульс, который проходит через кость черепа в области одного из акустических окон и распространяется в тканях мозга, частично отражаясь и возвращаясь к фазированному ультразвуковому датчику 1.
Эхосигнал за счет прямого пьезоэффекта преобразуется в электрические колебания раздельно всеми элементами датчика.
0
s
Принятый одним элементом ультразвукового датчика эхо-сигнал проходит через переключатель между режимами приема и передачи 2, предотвращающий попадание сигнала большой интенсивности из тракта передачи непосредственно в тракт приема, и поступает на входной усилитель мощности 5, который выполняет усиление сигнала на несущей частоте ƒ. После усиления, выполняемого с помощью входного усилителя мощности 4, аналого-цифровой преобразователь 6 производит преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с частотой дискретизации ƒ, как минимум вдвое превышающей ширину спектра оцифровываемого сигнала. Оцифрованные сигналы записываются в память блока цифровой обработки 7.
Излучение и прием повторяются для каждого из элементов фазированной решетки согласно принципу синтезирования апертуры. После этого записанные сигналы обрабатываются в блоке цифровой обработки 7. Изображение, построенное из этих сигналов по принципу синтезированной апертуры путем сложения сигналов с определенными задержками, отображается на экране 8 в виде сонограммы.
Блок цифровой обработки 7 обеспечивает решение следующих основных задач: цифровую обработку сигналов и анализ результатов измерений; формирование результатов обработки измерений на экране, формирование информационных сообщений по результатам обработки и интерпретации измерений; реализация интерактивного графического интерфейса пользователя, взаимодействие с которым осуществляется через устройство ввода данных 9.
Сигнал, поступивший в блок цифровой обработки 7, преобразователь Гильберта 11 переводит в аналитическую форму, из которой в блоке 14 строится изображение после формирования лучей в формирователе луча 13. Для формирования лучей используются задержки, рассчитанные в блоке 12 и прибавки к задержкам, необходимые для коррекции фазовых набегов, возникающих из-за разности между скоростью звука в кости и тканях мозга.
В формирователе луча 13 рассчитывается матрица, записываемая в виде прямоугольной таблицы комплексных чисел, которая представляет собой совокупность строк и столбцов, на пересечении которых находятся элементы матрицы. Количество строк определяется числом отсчетов по глубине, количество столбцов определяется числом лучей.
В заявляемом устройстве формирователь луча 13 используется в традиционном режиме для получения классической сонограммы. Для корректировки искажений используется диагностической схемы сканирования 22, на вход которой поступают данные с преобразователя Гильберта и задержки, на выходе формируется матрица комплексных чисел с числом столбцов, равным числу лучей, и числом строк, равным числу отсчетов.
Если аберрации отсутствуют, то на выходе диагностической схемы сканирования 22 будет матрица, модули комплексных элементов которой принимают наибольшее значение в тех столбцах, которые соответствуют выбранному углу коррекции. Наличие аберраций приведет к расширению области с большими величинами модулей комплексных чисел, т.к. аберрации расширяют луч как передатчика, так и приемника. Суть операций, выполняемых блоком определения погрешности и коррекции фокусировки 23, состоящим из блоков 15-22, заключается в подборе фокусирующих задержек, при которых яркая область, определяемая модулями комплексных элементов матрицы на выходе диагностической схемы сканирования 22, по направлению угла коррекции имеет наименьшую ширину. Наименьшей ширине соответствует наименьшее среднеквадратичное отклонение, рассчитываемое в блоке 19.
0
Для выполнения коррекции матрица с выхода диагностической схемы сканирования 22 поступает в блок извлечения вектора-строки из матрицы 15, откуда построчно переходит в блок накопления 16, затем данные делятся на число извлеченных строк в блоке нормировки 17 и аппроксимируются функцией Гаусса в блоке аппроксимации 18. Блок расчета среднеквадратичного отклонения 19 считает средний квадрат отклонения аппроксимирующей функции из блока 18 от содержимого блока накопления 16. Рассчитанное среднеквадратичное отклонение поступает в блок принятия решения 20, который сравнивает только что поступившее среднеквадратическое отклонение и наименьшее среднеквадратическое отклонение, найденное на предыдущих итерациях и хранящееся в его памяти. При обнаружении наименьшего среднеквадратического отклонение подается сигнал, по которому блок расчета полиномов 21 сохраняет только что рассчитанный полином в свою память. Этот полином пересчитывается во временные задержки согласно несущей частоте ƒи прибавляется к задержкам, рассчитанным в блоке 12 для выполнения корректной фокусировки в формирователе луча 13, после чего происходит расчет интенсивностей и сканконвертирование в блоке 14, предшествующие выводу сонограммы на экран 8.
Во время коррекции специалист выбирает луч, для которого надо исправить фазовые аберрации, при этом работает диагностическая схема сканирования 22. В таком виде формирование луча дает сонограмму, на которой хорошо видны следы фазовых искажений, если они присутствуют. Наличие фазовых искажений видно по расширению области наибольшей интенсивности.
Если специалист увидит, что построенная сонограмма после цикла коррекции все еще содержит следы фазовых искажений, он продолжает процедуру коррекции.
Возможности автономной работы позволяют проводить исследования в различных ситуациях. Электропитание может производиться как от встроенного аккумулятора 10, так и от внешнего адаптера, используемого также для зарядки аккумулятора 10.
Применение предлагаемого устройства позволит проводить транскраниальные исследования мозга и сосудов пациента врачом ультразвуковой диагностики. В частности, это повысит эффективность диагностики аневризм и прочих нежелательных особенностей сосудистого русла, т.е. поможет заранее принять меры по предотвращению развития заболевания.
Источники информации
1. Осипов Л.В. Устройство получения изображений головного мозга и кровотока в его сосудах при транскраниальных ультразвуковых исследованиях // Патент на полезную модель RU 181380.