Приемопередающее устройство для ультразвуковых исследований

Полезная модель относится к электронным приборам медицинского назначения, в частности к устройствам для ультразвуковых исследований (УЗИ), и может быть использована в системах телемедицинской диагностики.
Цифровые ультразвуковые системы широко используются в настоящее время для диагностики различных заболеваний в таких областях медицины, как кардиология, педиатрия, акушерство и гинекология, нейросонология и многих других.
Как правило, система для УЗИ включает в себя ультразвуковой датчик, представляющий собой матрицу пьезоэлементов (далее, трансдьюсер), приемопередающее устройство, осуществляющее формирование диаграммы направленности трансдьюсера на излучение и прием, предварительную обработку радиочастотных эхосигналов, преобразование их в цифровую форму и передачу по кабелю с USB разъемом в персональный компьютер (ПК) для дальнейшей цифровой обработки, преобразования в растровые изображения и отображения на цветном мониторе. К таким системам для УЗИ относится, например, "Цифровая ультразвуковая портативная система "АНГИОДИН-СОНО/П", выпускаемая компанией "НПФ "БИОСС", г. Москва, Зеленоград (www/bioss.ru). Указанная аппаратура УЗИ предназначена для использования квалифицированным медицинским персоналом в амбулаторных и больничных условиях и относится к классу дорогостоящей медицинской аппаратуры.
Более простые и дешевые приборы для УЗИ, выпускаются в виде приставок к ПК. К этому классу приборов относятся, например, "Внешний эхо-энцелографический модуль "АНГИОДИН-ЭХО/М" компании "НПФ "БИОСС" и портативный комплект "MicrUs Ext-1H" компании "Medetel", Италия, включающие в себя набор ультразвуковых трансдьюсеров, работающих в полосе частот 2-4 МГц, 4-8 МГц, 6-15 МГц, 5-12 МГц, приемопередающий модуль, кабель USB для подключения к ПК и программные приложения (www.peultrasaund.com/products).
Все вышеупомянутые УЗИ-системы рассчитаны на использование медицинским персоналом больниц, поликлиник и других достаточно крупных медицинских учреждений и требуют очного общения врача/фельдшера с пациентом. Однако, подобные медицинские услуги доступны у нас в стране далеко не везде и не всем. Поэтому в последнее время все более возрастает интерес к телемедицине. Решение этой технической задачи приобрело особую актуальность в связи с вступлением в силу с января 2018 года Федерального закона от 29 июля 2017 г. N 242-ФЗ "О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации по вопросам применения информационных технологий в сфере охраны здоровья" (далее - закона о телемедицине). Согласно этому документу, в правовое поле было введено понятие телемедицинских технологий и разрешены удаленные консультации пациента с врачом /фельдшером, требования к которым были регламентированы в выпущенном чуть раньше национальном стандарте ГОСТ Р 57757-2017 "Дистанционная оценка параметров функций, жизненно важным для жизнедеятельности человека", по существу, первым нормативным актом в области телемедицины. В указанном стандарте сформулированы общие требования к технологиям дистанционного получения и обработки информации, ее передачи и оценки врачом/фельдшером с целью повышения доступности и качества медицинской помощи, в первую очередь, для людей, проживающих на больших, слабонаселенных территориях, для маломобильных групп населения, пожилых, лиц с инвалидностью, вследствие патологии внутренних органов и людей с нарушением зрения.
В соответствии с п. 5.2.1 указанного стандарта, на этапе фиксации жизненно важных параметров человека, к которым относится большинство характеристик, измеряемых с помощью УЗИ, в состав измерительных приборов телемедицинской системы должны входить устройства-приложения к смартфонам, обеспечивающие регистрацию и последующую дистанционную оценку этих параметров врачом, а согласно п. 5.3.2.1 этого документа указанный этап может выполняться вне стен медицинского учреждения. В частности, пациент может находиться дома, а его лечащий врач/фельдшер - в кабинете больницы или поликлиники, оснащенном компьютером с программным обеспечением и аппаратурой беспроводной связи с пациентом.
Упомянутые выше системы для УЗИ такую возможность не обеспечивают, вследствие того, что находящееся у пациента измерительное средство и компьютер медицинского работника, проводящего обследование, связаны обычным USB кабелем, т.е. должны находиться внутри одного помещения.
Предметом настоящей полезной модели является создание такого технического средства, которое позволяло бы реализовать телемедицинскую технологию УЗИ. Сведений о наличии таких приборов в арсенале современных неинвазивных средств УЗИ заявителем не обнаружено.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является "Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов", описанное в патенте на полезную модель RU №142201, А61В 8/00. Указанное устройство содержит формирователь зондирующего ультразвукового луча, выход которого подключен к входу коммутатора каналов, выполненного с возможностью подключения к нему трансдьюсера, управляющий процессор, связанный с модулем интерфейса, и многоканальный приемник, содержащий N приемных каналов и сумматор, к первому входу которого подключен формирователь приемной апертуры, а к сигнальным входам подключены выходы приемных каналов, при этом каждый приемный канал содержит последовательно соединенные приемник с регулировкой усиления, сигнальный вход которого, являющийся входом этого приемного канала, соединен с выходом коммутатора каналов, управляющий вход подключен к управляющему процессору, а выход соединен с сигнальным входом канального процессора с регулируемыми ослаблением и задержкой сигналов, управляющий вход которого соединен с управляющим процессором, а выход является выходом данного приемного канала. При этом выход сумматора подключен к входу модуля интерфейса, выполненного с возможностью обмена данными и командами с персональным компьютером (ПК), при этом вход управляющего процессора подключен к выходу модуля интерфейса.
Данное устройство, как и другие известные аналоги, не обеспечивает возможности реализации телемедицинского режима проведения УЗИ.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является отсутствие в существующем арсенале технических средств медицинского назначения приемопередающего устройства для УЗИ, позволяющего в сочетании с современными моделями ультразвуковых датчиков - трансдьюсеров обеспечить возможность квалифицированных ультразвуковых исследований дистанционно - при нахождении пациента во внебольничных условиях, например, дома. По сути такое устройство и должно выполнять роль устройства-приложения к смартфонам, требования к которому определены в вышеупомянутом стандарте ГОСТ Р 57757-2017.
Решение указанной проблемы и является технической задачей предлагаемой полезной модели, заключающейся, соответственно, в расширении арсенала технических средств телемедицины в части средств обеспечения УЗИ.
Ожидаемым техническим результатом полезной модели является реализация этого назначения.
Для достижения указанного технического результата в известное приемопередающее устройство для УЗИ по патенту RU №142201 (см. выше) введены микроконтроллер и коммуникационный модуль, выполненный с возможностью передачи информации на смартфон или телемедицинский хаб, модуль интерфейса выполнен с дополнительными выходом, который подключен к управляющему входу микроконтроллера, управляющий и сигнальный выходы которого подключены, соответственно, к управляющему и сигнальному входам коммуникационного модуля. При этом коммуникационный модуль представляет собой цепь, состоящую из последовательно соединенных генератора случайных чисел, формирователя радиосигнала на прыгающих частотах, блока формирования сообщений и усилителя мощности с антенной, причем вход генератора случайных чисел является управляющим входом коммуникационного модуля, а его второй выход подключен ко второму входу блока формирования сообщений, третий вход которого является сигнальным входом коммуникационного модуля.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 - фиг. 3.
Фиг. 1 иллюстрирует роль и место рассматриваемого приемопередающего устройства в двух вариантах его применения в составе телемедицинской системы УЗИ: 1а - при взаимодействии с центром контроля за состоянием здоровья пациентов с помощью смартфона; 1б - при взаимодействии с центром контроля за состоянием здоровья пациентов с помощью радиосети устройств "малого радиуса действия" (Решение ГКРЧ от 7.05.2007 №07-20-03-001, приложения 1 и 11).
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого приемопередающего устройства.
На фиг. 3 приведена структурная схема коммуникационного модуля.
На рисунках использованы следующие обозначения: 1 - модуль интерфейса; 2 - управляющий процессор; 3 - формирователь зондирующего ультразвукового луч; 4 - коммутатор каналов; 5 - многоканальный приемник; 6 - приемный канал; 7 - формирователь приемной апертуры; 8 - сумматор; 9 - приемник с регулировкой усиления; 10 - канальный процессор с регулируемыми ослаблением и задержкой сигналов; 11 - микроконтроллер; 12 - коммуникационный модуль; 13 - формирователь радиосигнала на прыгающих частотах; 14 - блок формирования сообщений; 15 - усилитель мощности; 16 - усилитель мощности; 17 - антенна.
Предлагаемое приемопередающее устройство для УЗИ включает в себя формирователь 3 зондирующего ультразвукового луча, выход которого подключен к входу коммутатора 4 каналов, выполненного с возможностью подключения к нему трансдьюсера, управляющий процессор 2, связанный с модулем 1 интерфейса, и многоканальный приемник 5, содержащий N приемных каналов 6 и сумматор 8, к первому входу которого подключен формирователь 7 приемной апертуры, а к N сигнальным входам подключены N выходов приемных каналов 6, при этом каждый приемный канал 6 содержит последовательно соединенные приемник 9 с регулировкой усиления, сигнальный вход которого, являющийся входом этого приемного канала 6, соединен с выходом коммутатора 4 каналов, управляющий вход подключен к управляющему процессору 2, а выход соединен с сигнальным входом канального процессора 10 с регулируемыми ослаблением и задержкой сигналов, управляющий вход которого соединен с управляющим процессором 2, а выход является выходом данного приемного канала 6, выход сумматора 8 подключен к входу модуля 1 интерфейса, выполненного с возможностью обмена данными и командами с ПК, при этом вход управляющего процессора 2 подключен к дополнительному выходу модуля 1 интерфейса. Устройство содержит также вновь введенные микроконтроллер 11 и коммуникационный модуль 12, выполненный с возможностью передачи информации на смартфон или на телемедицинский хаб. При этом модуль 1 интерфейса выполнен с дополнительным выходом, служащим для подключения к управляющему входу микроконтроллера 11, управляющий и сигнальный выходы которого подключены, соответственно, к управляющему и сигнальному входам коммуникационного модуля 12. В предпочтительном варианте построения коммуникационный модуль выполнен в виде цепи, состоящей из последовательно соединенных генератора 15 случайных чисел, формирователя 13 радиосигнала на прыгающих частотах, блока 14 формирования сообщений и усилителя 16 мощности с антенной 17, причем вход генератора 15 случайных чисел является управляющим входом коммуникационного модуля 12, а его второй выход подключен ко второму входу блока 14 формирования сообщений, третий вход которого является сигнальным входом коммуникационного модуля 12.
Опытный образец рассматриваемого приемопередающего устройства для УЗИ (фиг. 2) реализован на предприятии-заявителе с использованием элементов, входящих в состав приемопередающего модуля - формирователя ультразвукового луча MicrUs ЕХТ-1Н компании "Telemed", Италия.
В варианте построения телемедицинской системы, показанной на фиг. 1а, роль цепи "генератор 15 случайных чисел - формирователь 13 радиосигнала на прыгающих частотах - блок 14 формирования сообщений - усилитель 16 мощности" выполняет интерфейсный аудио-модуль Bluetooth 4.0 BLE на микросборке CSR8630 (arduino.ua). Данный модуль совместим с большинством современных смартфонов, и обеспечивает высокие качество и помехоустойчивость передачи двумерной информации в диапазоне 2,402-2480 ГГц, выделенные для Bluetooth-радиосвязи. Ширина полосы каждого канала равна 1 МГц, разнос каналов составляет от 140 до 175 кГц. Информация передается в пакетном виде. При этом используется частотная манипуляция. Мощность излучаемого сигнала во всех встроенных микрочипах Bluetooth не превышает 1-10 мВт, что обеспечивает дальность связи от 10 до 100 м. Соответственно, связь датчика со смартфоном обеспечивается в основном внутри помещений. Если в этом помещении есть хотя бы одна или несколько точек доступа сети Wi-Fi, то может быть обеспечена передача полученной медицинской информации непосредственно и/или через глобальную сеть Интернет в облачные хранилища данных ("облака") для использования этой информации соответствующими медицинскими специалистами в центрах контроля за состоянием здоровья пациентов.
В варианте построения телемедицинской системы, показанной на фиг. 1б, роль указанной цепи может выполнить хоппинг-модуль "малой дальности действия", выполненный на интегральной схеме (ИС) трансивера SX1272 компании Semtech Corporation, использующей диапазон 860-1050 МГц и технологию LoRa. Указанный трансивер хотя и относится к устройствам "малого радиуса действия", обладает дальностью действия до 15 км, что позволяет обслуживать с помощью предлагаемого медицинского устройства значительные территории, обеспечивая выход в сеть "Интернет вещей" (ic-quest.ru/news). Отличительными особенностями этой ИС являются: чрезвычайно низкая потребляемая мощность, высокая чувствительность, широкий диапазон измерения и регулирования уровня мощности принимаемого сигнала, возможность работы без ухудшения параметров при низком (до 1,8 В) напряжении питания, применение хоппинг-технологии Frequency Hopping ("прыгания по частотам") и эффективное использование с помощью техники LBT ("прослушивания эфира перед передачей") ограниченного частотного диапазона без коллизий при множественном доступе и эффекта"замирания" сигналов из-за интерференции. Указанный хоппинг-модуль "малой дальности действия" на ИС SX1272 является составной частью домашнего телемедицинского хаба по патенту предприятия-заявителя на полезную модель RU №189998, А61В 5/0205, G16H 10/60, обеспечивающего связь рассматриваемого приемопередающего устройства с радиосетью устройств "малого радиуса действия" (фиг. 1б).
Таким образом, возможность практической реализации и дальнейшего расширения сферы практического применения предлагаемой полезной модели не вызывает сомнений.
Рассматриваемое приемопередающее устройство для УЗИ работает следующим образом.
На этапе настройки устройства под определенный вид УЗИ, осуществляемом при первом (очном) общении врача и пациента, через модуль 1 интерфейса устройство подключается к ПК медицинского работника с предустановленным ПО и после включения питания рассматриваемого устройства из этого ПК через модуль 1 интерфейса осуществляется загрузка программ работы управляющего процессора 2. После проведения режимов самоконтроля управляющий процессор 2 принимает от ПК исходные данные, необходимые для формирования циклограммы работы всего приемопередающего устройства.
Перед каждым циклом проведения УЗИ рассчитанные управляющим процессором 2 параметры передаются в отдельные блоки рассматриваемого устройства. Информация о типе подключенного трансдьюсера передается в управляющий процессор 2, а от него - через формирователь 3 зондирующего луча на коммутатор 4 каналов. При зондировании происходит эмиссия ультразвуковой волны и прием отраженных эхосигналов. Как отмечалось выше, трансдьюсер является внешним датчиком по отношению к рассматриваемому устройству и поэтому не относится к предмету данной полезной модели. Во время каждого такта зондирования сигналы возбуждения элементов датчика подаются на активные элементы датчика. Этими же элементами датчика выполняется прием эхо-сигналов. В зависимости от требуемой глубины ультразвукового зондирования, выбирается соответствующая модель трансдьюсера, входящего в комплект аппаратуры УЗИ. Так, с вышеупомянутым портативным комплексом MicrUs ЕХТ-1Н могут быть использованы трансдьюсеры MC4-2R20S-3, частоты 2-4 МГц (УЗИ желудка, сердца, ветеринария), MCV9-5R10S-3, частоты 5-9 МГц (трансректальная, трансвагинальная УЗИ) и др.
Формирователь 3 зондирующего ультразвукового луча формирует задержанные между собой сигналы возбуждения пьезоэлементов трансдьюсера в соответствии с установленным фокусом на излучение. Зондирующие сигналы, поступающие на линейку пьезопреобразователей, задерживаются в соответствии с законом геометрической оптики в зависимости от пространственного положения фокуса излучения. В пьезопреобразователях электрические импульсы преобразуются в механические колебания, сфокусированные в определенную область зондирования. Значения канальных задержек сигналов излучения поступают от управляющего процессора 2.
Ультразвуковые эхо-сигналы, отраженные от неоднородностей тканей человека или животного преобразуются элементами в электрические сигналы и поступают через коммутатор 4 каналов в многоканальный приемник 5. Многоканальный приемник 5 является диаграмма-формирующим устройством, которое содержит N приемных каналов 6, формирователь 7 приемной апертуры, вход которого подключен к управляющему процессору 2, и сумматор 8, а также ряд вспомогательных элементов (на рисунке не показаны). В ультразвуковых приборах среднего класса количество приемных каналов 6 составляет N=64, а в ультразвуковых приборах высокого класса - N=128.
Каждый приемный канал 6 включает в себя приемник 9 с регулировкой усиления и канальный процессор 10 с регулируемыми ослаблением и задержкой сигналов, задаваемыми управляющим процессором 2.
Сужение приемной диаграммы направленности луча производится за счет компенсации задержек, обусловленных разными путями распространения ультразвукового эхо-сигнала. Каждый приемный канал 6 реализует задержку эхо-сигнала с одного пьезоэлемента трансдьюсера.
В каждом приемном канале 6 сначала выполняется преобразование эхо-сигнала из аналоговой в цифровую форму и далее производится обработка данных, представленных в цифровом виде.
Канальный процессор 10 сигналов производит формирование приемной диаграммы направленности. Уменьшение уровня боковых лепестков приемной диаграммы направленности (аподизация на прием) достигается ослаблением эхо-сигналов от центра апертуры к краям с помощью умножителей, установленных в каждом приемном канале 6 (на рисунке не показаны).
В сумматоре 8 в результате суммирования эхо-сигналов всех приемных каналов 6, входящих в динамическую апертуру, формируется сфокусированный луч с заданного направления ультразвукового зондирования. Номера каналов, входящих в динамическую апертуру, поступают в сумматор 8 от формирователя 7 приемной апертуры, получающего соответствующие команды от управляющего процессора 2.
С выхода сумматора 8 данные через модуль 1 интерфейса поступают в микроконтроллер 11, который подает их на сигнальный вход коммуникационного модуля 12. Эти данные представляют собой модулирующее воздействие на радиочастотную несущую, генерируемую в формирователе 13 радиосигнала на прыгающих частотах (хоппинг-сигнала) и поступающую затем на первый вход блока 14 формирования сообщений в коммуникационном модуле 12.
Перенос кодового информационного сообщения на несущие частоты хоппинг-сигнала и излучение его в эфир осуществляются следующим образом.
m
Полученная с выхода микроконтроллера 11 команда активации запускает генератор 15 случайных чисел, который формирует двоичный М-разрядный код Z случайного равномерно распределенного числа. Генератор 15 случайных чисел подает код Z в формирователь 13 радиосигнала на прыгающих частотах. То есть, на указанный формирователь поступает код Z в пределах от 0 до (2 м-1). По этому коду формирователь 13 радиосигнала на прыгающих частотах формирует частоту F, значение которой можно определить по формуле
m
0
F=F+ΔF×Z,
0
где F - минимальная частота (при Z=0);
ΔF - шаг сетки частот.
m
max
m
При этом для максимального значения F частоты F справедлива формула
m max
0
M
F=F+ΔF×(2-1).
m
Сформированная частота F, поступает на первый вход блока 14 формирования сообщений. В этом блоке последовательно формируются разряды:
МАРКЕРА, состоящего из строго определенного для данной системы числа логических единиц и одного логического нуля. МАРКЕР используется для определения числа Z в хоппинг-сообщении;
АДРЕСА, определяющего идентификационный код ультразвукового датчика;
ИНФОРМАЦИИ, определяющей информационную часть хоппинг-сообщения;
КОНТРОЛЬНОЙ СУММЫ, предназначенной для подтверждения правильности принятого хоппинг-сообщения.
КОНТРОЛЬНАЯ СУММА однозначно подсчитывается в зависимости от сформированных кодов АДРЕСА и ИНФОРМАЦИИ. Информацией являются кодированные сообщения, формируемые из сигналов эхолокации, выделяемых в модуле 1 интерфейса. Указанные кодированные сообщения поступают на второй вход блока 14 формирования сообщений, на первый вход которого подается сигнал несущей частоты с выхода формирователя 13 радиосигнала на прыгающих частотах. Поступающий с выхода блока 14 формирования сообщений высокочастотный сигнал, несущий хоппинг-сообщение, усиливается в усилителе 16 мощности и через антенну 17 излучается в радиоэфир.
В зависимости от сценария конкретного сеанса проведения УЗИ, частотный диапазон радиосигнала на прыгающих частотах и дальность его действия могут отличаться. Так, при использовании для приема смартфона (фиг. 1а) частотный диапазон, как правило, соответствует Bluetooth-радиосвязи. Если в радиусе действия этой связи есть хотя бы одна или несколько точек доступа сети Wi-Fi, то может быть обеспечена передача полученной медицинской информации непосредственно или через сеть Интернет в облачные хранилища данных для использования этой информации соответствующими медицинскими специалистами в центрах контроля за состоянием здоровья пациентов. В сценарии, показанном на фиг. 1б, рассматриваемое приемопередающее устройство для УЗИ применяется совместно с радиосетью устройств "малого радиуса действия", работающих в диапазонах 433 или 868 МГц (см. выше). В данном случае дальность действия рассматриваемых датчиков может достигать единиц километров, что позволяет использовать их как при наличии поблизости точек доступа сети Wi-Fi (см. выше), так и для прямого обмена медицинскими данными через сеть Интернет с облачными хранилищами и центрами контроля за состоянием здоровья пациентов, имеющими необходимый для этого коммуникационный интерфейс.
Таким образом, совокупность общих с ближайшими аналогов и отличительных существенных признаков предлагаемой полезной модели позволяет получить ожидаемый технический результат, заключающийся в реализации функции назначения предлагаемого устройства - расширении арсенала технических средств УЗИ путем включения в него портативного приемопередающего устройства, позволяющего совместно с современными трансдьюсерами и информационно-телекоммуникационными устройствами типа смартфона, оснащенного Bluetooth-приемником, дистанционно обеспечить возможность квалифицированной медицинской оценки состояния здоровья пациента при нахождении его во внебольничных условиях, например, дома.