УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЛИ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ВЯЗКОУПРУГОЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF ULTRASONIC OR BIOMECHANICAL PARAMETERS OF VISCOELASTIC MEDIUM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к устройству для измерения ультразвукового или биомеханического параметра, характерного для вязкоупругой среды, такого как упругость или вязкость мягкой ткани человека или животного, или в более общем смысле к измерению любого параметра вязкоупругой среды посредством обратно рассеянного ультразвукового сигнала после ультразвукового облучения, например затухания сигнала. В частности, оно применимо, кроме прочего, к измерению упругости жировых тканей человека или животного.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ для отслеживания распространения импульсной низкочастотной волны сдвига одновременно с большим количеством точек в рассеивающей вязкоупругой среде. Это осуществляют посредством испускания ультразвуковых волн сжатия на высокой скорости для получения ряда последовательных измерений в среде, и полученные таким образом измерения затем обрабатывают в условном масштабе времени, таким образом устанавливая движения среды во время распространения волны сдвига.
В существующих устройствах для генерирования низкочастотных волн сдвига за счет механических колебаний применяют ультразвуковые преобразователи. В заявке на патент FR 2843290 описано устройство для измерения упругости органа, который испускает ультразвуковой сигнал после облучения ультразвуком, причем устройство содержит ультразвуковой преобразователь и электродинамический исполнительный механизм, выполненный с возможностью создания в преобразователе низкочастотных вибраций.
Однако такое устройство обладает недостатками. Оператору необходимо установить и удерживать устройство таким образом, чтобы ультразвуковой преобразователь был направлен к ткани и чтобы разные углы наклона ультразвукового преобразователя относительно органа давали разные результаты измерения. Другими словами, правильная установка ультразвукового преобразователя зависит от навыков оператора.
Более того, во время прижатия устройства к мягким тканям под весом устройства свойства ткани меняются, что искажает результаты.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является устранение недостатков описанного выше устройства из уровня техники за счет предоставления устройства для измерения ультразвукового или биомеханического параметра вязкоупругой среды, которое существенно не меняет параметры вязкоупругой среды и для которого измерения не зависят от навыков оператора.
Для этого раскрывается устройство для измерения ультразвукового или биомеханического параметра вязкоупругой среды, при этом указанное устройство содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, при этом указанное устройство отличается тем, что оно содержит:
- по меньшей мере один вибратор с неподвижной деталью и подвижной деталью, при этом указанный ультразвуковой преобразователь прикреплен к указанной подвижной детали указанного по меньшей мере одного вибратора;
- по меньшей мере один адгезивный элемент, прикрепленный к вибратору, причем указанный адгезивный элемент выполнен с возможностью прикрепления к поверхности, направленной к вязкоупругой среде, посредством адгезии и удержания испускающей и принимающей стороны ультразвукового преобразователя направленной к поверхности.
Без ограничения, под поверхностью, направленной к вязкоупругой среде, подразумевается поверхность, отделяющая испускающую и принимающую сторону ультразвукового преобразователя от вязкоупругой среды;
- например, когда необходимо измерить ультразвуковые или биомеханические свойства жировой ткани (в данном примере жировая ткань представляет вязкоупругую среду), поверхностью, направленной к вязкоупругой среде, является кожа, или
- например, когда необходимо измерить ультразвуковые и/или биомеханические свойства кожи (в данном примере кожа представляет собой вязкоупругую среду), наружная поверхность кожи предоставляет поверхность, направленную к вязкоупругой среде.
Согласно неограничивающим примерам поверхность, направленная к вязкоупругой ткани, состоит из тонкой биологической ткани.
Адгезивный элемент без ограничений относится к пластырю, адгезивному язычку, самоклейкой ленте или любому другому средству, содержащему адгезивную сторону, которая может быть прикреплена посредством приклеивания к биологической ткани, такой как кожа или орган.
За счет адгезивного элемента (одинаково называемого фиксирующим средством) оператор прикрепляет устройство к коже таким образом, чтобы испускающая и принимающая ультразвук сторона ультразвукового преобразователя была направлена к вязкоупругой среде, при этом нет необходимости прикасаться к ней во время измерения. Вибратор выбирают небольшим и легким, таким как, например, громкоговоритель, модельный электродинамический исполнительный механизм или пьезоэлектрический двигатель, так что устройство является мобильным и управление им не влияет существенно на свойства среды при размещении устройства по направлению к среде.
Устройство согласно изобретению преимущественно можно применять для выполнения эластографических измерений, не прикасаясь к устройству, или даже без участия оператора в измерении. Таким образом, полученные результаты не зависят от навыков оператора. Другими словами, для одной и той же среды полученные измерения будут одинаковыми независимо от того, какой оператор делал работу, поскольку оператор не фиксирует устройство.
Более того, такое устройство может, например, находиться в непосредственном контакте с органом перед трансплантацией или органом, не защищенном ребрами, для определения затухания ультразвука или даже спектральных параметров в качестве ультразвуковых параметров.
Помимо указанных в предыдущем разделе характеристик устройство согласно изобретению может обладать одной или несколькими из следующих дополнительных характеристик, взятых отдельно или в любой технически возможной комбинации:
• по меньшей мере один вибратор представлен громкоговорителем, создающим колебания;
• адгезивный элемент прикреплен к неподвижной детали вибратора и содержит свободный адгезивный конец, выполненный с возможностью прикрепления посредством адгезии к поверхности, направленной к вязкоупругой среде, и удерживания испускающей и принимающей стороны ультразвукового преобразователя направленной к поверхности;
• свободный адгезивный конец расположен по окружности и на периферии вибратора;
• согласно одному варианту осуществления:
• вибратор содержит по меньшей мере две опорные ножки, причем каждая из указанных двух ножек содержит первый конец, прикрепленный к неподвижной детали вибратора, и второй конец, выполненный с возможностью оказания давления на поверхность, направленную к вязкоупругой среде;
• адгезивный элемент прикреплен к каждой из по меньшей мере двух опорных ножек и содержит свободный конец, выполненный с возможностью крепления посредством адгезии к поверхности, направленной к вязкоупругой среде, и удержания испускающей и принимающей стороны ультразвукового преобразователя направленной к поверхности;
• согласно одному варианту осуществления:
• вибратор содержит по меньшей мере две опорные ножки, причем каждая из указанных двух опорных ножек содержит первый конец, прикрепленный к подвижной детали вибратора, и второй конец, прикрепленный к ультразвуковому преобразователю, и
• адгезивный элемент прикреплен к неподвижной детали вибратора и содержит свободный адгезивный конец, расположенный на периферии вибратора и выполненный с возможностью прикрепления посредством адгезии к поверхности, направленной к вязкоупругой среде, и удержания испускающей и принимающей стороны ультразвуковых преобразователей направленной к поверхности.
• Согласно одному варианту осуществления:
• вибратор содержит по меньшей мере две опорные ножки, причем каждая из указанных двух опорных ножек содержит первый конец, прикрепленный к неподвижной детали вибратора, и второй конец, прикрепленный к ультразвуковому преобразователю, и
• адгезивный элемент прикреплен к неподвижной детали вибратора и содержит свободный адгезивный конец, расположенный на периферии вибратора и выполненный с возможностью прикрепления посредством адгезии к поверхности, направленной к вязкоупругой среде, и удержания испускающей и принимающей стороны ультразвуковых преобразователей направленной к поверхности.
• указанное устройство содержит мембрану, способную пропускать ультразвуки, не меняя их, причем указанная мембрана расположена между испускающей и принимающей стороной по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя и поверхностью, направленной к вязкоупругой среде;
• устройство содержит связывающее средство между адгезивным элементом и вибратором;
• устройство содержит несколько ультразвуковых преобразователей;
• преобразователи расположены в ряд;
• ультразвуковые преобразователи расположены по кругу, причем вибратор находится в центре круга;
• центральная частота колебаний вибратора (13) находится в диапазоне 20-1500 герц;
• центральная частота ультразвукового преобразователя находится в диапазоне 0,5-40 мегагерц.
Изобретение и его различные варианты применения станут более понятными после прочтения приведенного ниже описания со ссылками на прилагаемые графические материалы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ:
Фигуры приведены только в иллюстративных целях и не ограничивают изобретение. На фигурах:
- на фиг. 1 показан схематический вид устройства в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
- на фиг. 2 показан схематический вид устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
- на фиг. 3 показан схематический вид устройства в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
- на фиг. 4 показан схематический вид устройства в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
- на фиг. 5 показан схематический вид устройства в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения;
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Если не указано другое, любой из элементов, изображаемый на различных фигурах, будет обозначен одной ссылочной позицией.
На фиг. 1 представлен схематический вид устройства 100 для измерения ультразвукового или биомеханического параметра вязкоупругой среды 10 в соответствии с первым неограничивающим вариантом осуществления изобретения, причем параметр согласован с патологическим состоянием среды. Устройство 100 содержит:
-  ультразвуковой преобразователь 12, содержащий нижнюю поверхность 16, образованную испускающей и принимающей стороной ультразвукового преобразователя 12, и верхнюю поверхность 17;
-  вибратор 13, который в этом неограничивающем варианте осуществления представлен громкоговорителем 13, содержащим неподвижную деталь 20 и подвижную деталь 18, например, при этом вибратор 13 выполнен с возможностью создания переходных или одночастотных колебаний;
-  адгезивный элемент 14, прикрепленный к вибратору 13;
-  связывающее средство 15 между адгезивным элементом 14 и вибратором 13, прикрепляющее адгезивный элемент 14 к неподвижной детали 20 вибратора 13.
Следует отметить, что согласно другим вариантам осуществления вибратор 13 представлен масштабной моделью электродинамического исполнительного механизма или пьезоэлектрического двигателя, другими словами, он является недорогим, компактным и легким вибратором. Под "легким" подразумевается вибратор 13, вес которого, например, составляет менее 150 грамм, а предпочтительно менее 100 грамм. Согласно одному рассматриваемому неограничивающему варианту осуществления вес вибратора составляет порядка 30 грамм.
Нижняя поверхность 16 (также называемая испускающей и принимающей стороной 16) преобразователя расположена на поверхности 11 (например, коже), направленной к вязкоупругой среде 10 (например, жировой ткани), и подвижная деталь 18 (например, образованная мембраной) громкоговорителя 13 прикреплена к верхней поверхности 17 преобразователя 12. Адгезивный элемент 14 связывается с поверхностью 11 (в данном примере с кожей), направленной к вязкоупругой среде 10 (в данном примере к жировой ткани), и прикрепляется к неподвижной детали 20 громкоговорителя 13 посредством связывающего средства 15. Таким образом преобразователь и вибратор в сборе прикрепляют к коже. Связывающее средство 15 представлено, например, в виде жесткого или гибкого стержня 15, один конец которого прикреплен к адгезивному элементу 14, а другой конец прикреплен к корпусу 20 громкоговорителя 13. Кроме прочего, стержень 15 проходит по оси приблизительно параллельно поверхности 11 вязкоупругой среды 10.
С помощью адгезивного элемента 14 и связывающего средства 15 громкоговоритель 13/преобразователь 12 в сборе фиксируется в устойчивом положении относительно вязкоупругой среды 10, так что нижняя поверхность 16 преобразователя 12 соприкасается с поверхностью 11, направленной к вязкоупругой среде 10. Следует понимать, что защитный гель или мембрана ультразвукового преобразователя, который обеспечивает пропускание ультразвука, может находиться между нижней поверхностью 16 преобразователя 12 и поверхностью 11.
Громкоговоритель 13 настраивают таким образом, чтобы его подвижная деталь 18 колебалась с низкой частотой в заданной центральной частоте f1. f1 преимущественно выбирают в диапазоне 20-1500 герц и более конкретно 70-100 Гц. После прикрепления к преобразователю 12 мембрана передает на преобразователь 12 низкочастотные колебания, которые, в свою очередь, создают низкочастотный импульс, передаваемый вязкоупругой среде. Импульс (или колебания), передаваемый вязкоупругой среде 10, вызывает распространение низкочастотной волны сдвига, которая распространяется в вязкоупругой среде 10. Скорость перемещения волны сдвига зависит от упругости и вязкости вязкоупругой среды 10.
Следует отметить, что громкоговоритель 13 может генерировать один низкочастотный импульс или несколько последовательных низкочастотных импульсов.
Более того, ультразвуковой преобразователь 12 выполнен с возможностью генерирования ультразвуковых волн на высокой частоте f2. Центральная частота f2 преобразователя 12 преимущественно находится в диапазоне 0,5-40 мегагерц, например 3,5 мегагерц. Эту центральную частоту f2 выбирают как функцию требуемой глубины проникновения ультразвуковых волн в вязкоупругой среде 10; при повышении частоты расстояние, на которое волны проникают в вязкоупругую среду 10, уменьшается. Например, при 12 мегагерцах измерения выполняют на глубине порядка 5 мм под кожей. Ультразвуковые волны отражаются частицами в среде, и обратный сигнал поступает на тот же преобразователь 12.
Подвижная деталь 18 громкоговорителя 13 прикреплена к верхней поверхности 17 преобразователя 12, например, с помощью клея. Преимущественно, клеевое крепление является простым и недорогим.
Способ, осуществляемый далее для измерения упругости вязкоупругой среды, определяемой из ультразвуковых сигналов или ультразвуковых изображений, хорошо известен специалистам в данной области техники и подробно описан, например, в патенте FR 2843290.
Согласно второму варианту осуществления устройства 200 согласно изобретению, показанному на фиг. 2, мембрана 22 расположена между поверхностью 11, направленной к вязкоупругой среде 10, и испускающей и принимающей стороной 16 преобразователя 12. Испускающая и принимающая сторона 16 преобразователя расположена на мембране 22. Мембрана 22 выполнена из материала, который обеспечивает прохождение ультразвука через нее, при этом не меняя его. Такая мембрана 22 позволяет использовать устройство 200 повторно, при этом между двумя применениями необходимо лишь заменить мембрану 22. Это особое свойство позволяет сохранять гигиенические условия, являющиеся обязательными в больницах. Замена только мембраны 22 является простой и недорогой.
На фиг. 3 показан схематический вид устройства 300 для измерения упругости вязкоупругой среды 10 в соответствии с третьим неограничивающим вариантом осуществления изобретения. В частности, устройство 300 содержит:
- ультразвуковой преобразователь 12 (на фигуре не показан), содержащий нижнюю поверхность 16 и верхнюю поверхность 17;
- громкоговоритель 13;
- адгезивный элемент 14, прикрепленный к неподвижной детали 20 вибратора 13 и содержащий свободный адгезивный конец 14L, выполненный с возможностью прикрепления посредством адгезии на поверхности 11, направленной к вязкоупругой среде 10, и удержания испускающей и принимающей стороны ультразвукового преобразователя (не показан) направленной к поверхности 11, причем свободный конец 14L в данном примере образован периферийной кромкой адгезивного элемента 14.
Следует отметить, что в этом неограничивающем варианте осуществления свободный адгезивный конец 14L расположен на периферии вибратора 13, другими словами, вокруг периферии вибратора 13. Согласно показанному примеру неподвижная деталь 20 вибратора является круглой, и адгезивный элемент 14 является круглым. Очевидно, что можно представить другую форму адгезивного элемента: например, он может быть прямоугольным, треугольным или может иметь другую форму.
За счет небольшого размера устройства 300 согласно изобретению представляется возможным располагать на поверхности 11, направленной к вязкоупругой среде 10, несколько устройств 300 для выполнения одновременного измерения.
На фиг. 4 показан схематический вид устройства 400 для измерения упругости вязкоупругой среды 10 в соответствии с четвертым неограничивающим вариантом осуществления изобретения. Устройство 400 содержит:
- четыре ультразвуковых преобразователя 12, 12', 12" (+один преобразователь, который на фиг. 4 не показан, так как он прикреплен к мембране громкоговорителя 13), причем каждый содержит нижнюю поверхность 16 и верхнюю поверхность 17;
- громкоговоритель 13;
- адгезивный элемент 14, расположенный вокруг периферии громкоговорителя 13;
- опорные ножки 40 между громкоговорителем 13 и преобразователями 12, 12' и 12".
В этом варианте осуществления ультразвуковой преобразователь, который не показан, прикреплен к мембране громкоговорителя 13, поэтому мембрана выполнена с возможностью передачи на ультразвуковой преобразователь 12 колебаний низкой частоты, которые, в свою очередь, генерируют низкочастотный импульс, передаваемый в вязкоупругую среду. Импульс (или колебания), передаваемый вязкоупругой среде 10, вызывает распространение низкочастотной волны сдвига, которая распространяется в вязкоупругой среде 10. Такой ультразвуковой преобразователь, который не показан, может испускать и излучать ультразвуковые сигналы для определения скорости перемещения волны сдвига, распространяющейся в тканях.
Следует понимать, что устройство 400 может содержать более четырех ультразвуковых преобразователей.
Согласно одному неограничивающему варианту осуществления опорные ножки 40 выполнены из нескольких жестких стержней 40, где один конец каждого из стержней 40 прикреплен к неподвижной детали 20 вибратора 13, а другой конец прикреплен к одному из преобразователей 12, 12' и 12". Следует отметить, что стержни 40 могут быть гибкими. Согласно этому варианту осуществления, поскольку опорные ножки 40 прикреплены к неподвижной детали вибратора 13, на ультразвуковые преобразователи 12, 12' и 12" не действуют колебания, и их можно применять в эхографическом режиме.
Согласно одному неограничивающему варианту осуществления, который не показан, опорные ножки 40 выполнены из нескольких жестких стержней, где один конец каждого из стержней 40 прикреплен к подвижной детали вибратора 13, а другой конец прикреплен к одному из преобразователей 12, 12' и 12". Согласно этому варианту осуществления, так как опорные ножки 40 прикреплены к подвижной детали вибратора 13, на ультразвуковые преобразователи 12, 12' и 12" передается колебательное движение, когда подвижная деталь вибратора 13 испускает один или несколько низкочастотных импульсов, точно как вибратор, который непосредственно прикреплен к мембране вибратора 18.
С помощью адгезивного элемента 14 и опорных ножек 40 громкоговоритель 13/ультразвуковые преобразователи в сборе фиксируются в устойчивом положении относительно вязкоупругой среды, так что нижние поверхности ультразвуковых преобразователей приводятся в соприкосновение с поверхностью 11 и проходят приблизительно параллельно поверхности 11. В этом устойчивом положении ультразвуковые параметры могут быть измерены в различных точках в вязкоупругой среде, при этом оператор не будет прикасаться к устройству. Таким образом, полученные измерения не зависят от навыков оператора.
Следует отметить, что согласно этому неограничивающему варианту осуществления периферийные ультразвуковые преобразователи расположены по кругу, причем в центре круга находится вибратор и ультразвуковой преобразователь, но периферийные ультразвуковые преобразователи также могут быть расположены в ряд.
Применение нескольких ультразвуковых преобразователей позволяет проводить несколько одновременных измерений. Поскольку эти измерения выполняют в одинаковых условиях, их можно сравнивать.
На фиг. 5 показан схематический вид пятого варианта осуществления изобретения. Устройство 500 содержит:
- ультразвуковой преобразователь 12 (не показан), соприкасающийся с поверхностью 11, направленной к вязкоупругой среде 10;
- громкоговоритель 13, содержащий три опорные ножки 40, причем каждая опорная ножка 40 содержит первый конец, прикрепленный к неподвижной детали 20 вибратора 13, и второй конец, выполненный с возможностью прижатия к поверхности 11, направленной к вязкоупругой среде 10;
- адгезивный элемент 14 прикреплен ко второму концу каждой из опорных ножек 40, причем каждый из адгезивных элементов имеет свободный конец, выполненный с возможностью прикрепления посредством адгезии на поверхности 11, направленной к вязкоупругой среде 10, и для удержания испускающей и принимающей стороны ультразвукового преобразователя направленной к поверхности 11.
В целом адгезивные элементы (а именно, фиксирующее средство) предназначены для удержания испускающей и принимающей стороны 16, 16' и 16" преобразователя (преобразователей) 12, 12' и 12", направленной к поверхности 11, направленной к вязкоупругой среде 10. Другими словами, адгезивные элементы могут фиксировать преобразователь (преобразователи) 12, 12' и 12" и, следовательно, вибратор 13, который прикреплен к преобразователю (преобразователям) 12, 12' и 12", к поверхности 11 (например, к коже), направленной к вязкоупругой среде 10 (например, к жировой ткани, расположенной под кожей), вязкоупругие свойства которой следует определить. Таким образом, ясно, что измерения, полученные с помощью устройства, не зависят от оператора, а полученные результаты будут одинаковыми для всех операторов. Преобразователь не наклоняется и даже не смещается во время измерения.
Более того, устройство согласно изобретению соответствует санитарным нормам, так как адгезивные элементы могут быть заменены после каждого использования (например, когда адгезивный элемент представляет собой медицинскую самоклейкую ленту).
Этот тип адгезивного элемента, конечно, не создает болевые ощущения для пациента.
Также следует отметить, что поверхность живота пациентов с патологическим ожирением имеет переменную форму и переменную плотность (плотная кожа и выступающий живот или мягкий живот с жировыми складками). Устройство можно легко располагать на таких неплоских поверхностях.
Конечно, описанные варианты осуществления приведены только как примеры. Специалисты в данной области техники смогут внести различные изменения в устройство для измерения упругости вязкоупругой среды, в частности в компоновку, количество и расположение ультразвукового преобразователя (преобразователей), а также в форму адгезивных элементов между корпусом и громкоговорителем.