ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СИСТЕМА
SMART ULTRASOUND SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ультразвуковой системе, предназначенной для визуализации объемной области, включающей в себя область, представляющую интерес, содержащей: зонд с ультразвуковой матрицей (антенной решеткой); блок управления ультразвуковой волной, подсоединенный к матрице и выполненный с возможностью управления передачей ультразвуковой волны и предоставления данных ультразвукового изображения объемной области; и процессор изображений, выполненный с возможностью реагирования на данные ультразвукового изображения и генерирования ультразвукового изображения на их основе.
Настоящее изобретение также относится к способу конфигурирования такой ультразвуковой системы.
Уровень техники
Ультразвуковые волны находят множество применений в медицине. Одно из таких применений - ультразвуковая визуализация, в которой с помощью ультразвукового устройства, содержащего матрицу ультразвуковых преобразователей, в тело пациента испускают ультразвуковые волны, собирают эхо-сигналы ультразвуковых волн с помощью ультразвуковых преобразователей или специальных ультразвуковых приемников и обрабатывают, чтобы сгенерировать ультразвуковое изображение, т.е. 1D, 2D или 3D ультразвуковое изображение. Такие ультразвуковые системы обычно содержат матрицу ультразвуковых преобразователей, например в качестве элемента ультразвукового зонда, для доставки ультразвуковых волн к объекту, например пациенту, обследуемому или находящемуся на лечении. Такая матрица ультразвуковых преобразователей обычно содержит множество ультразвуковых преобразователей, таких как пьезоэлектрические преобразовательные элементы, выполненных из материалов, таких как цирконат-титанат свинца (PZT) или поливинилиденфторид (PVDF), и емкостные микрообработанные ультразвуковые преобразовательные элементы (CMUT-элементы, от англ. capacitive micro-machined ultrasonic transducer), в которых мембрана, включающая в себя первый электрод над полостью, содержащей второй электрод, противоположный первому электроду и отделенный от него указанной полостью, используется для генерирования ультразвуковых волн (или приема ультразвуковых волн в режиме приема) за счет приложения подходящего возбуждения, например переменного тока, к первому и второму электродам. Ультразвуковая система визуализации с зондом на основе CMUT-преобразователей известна из патентного документа WO 2015028314 A1. Указанный зонд содержит матрицу из CMUT-ячеек, выполненную с возможностью работы в одном из следующих режимов: обычный режим, в котором напряжение смещения постоянного тока побуждает CMUT-мембрану ячейки свободно вибрировать над основанием ячейки во время работы CMUT-ячейки; и сжатый режим, в котором напряжение смещения постоянного тока побуждает CMUT-мембрану прижаться к основанию ячейки во время работы CMUT-ячейки. Увеличение напряжения смещения постоянного тока приводит к увеличению на центральной частоте частотного отклика CMUT-ячейки во время работы в сжатом режиме, а уменьшение напряжения смещения постоянного тока приводит к уменьшению на центральной частоте частотного отклика CMUT-ячейки во время работы в сжатом режиме. Напряжение смещения постоянного тока может быть выбрано для различных клинических применений в зависимости от частоты, на которой визуализируют объемную область тела.
Такая объемная (3D или 4D) визуализация, например, используется в инвазивных процедурах ультразвуковой визуализации, таких как внутрисердечная эхокардиография (ICE, от англ. intra-cardiac echocardiography) и внутрисосудистые ультразвуковые (IVUS, от англ. intra-vascular ultrasound) процедуры (например, во время сбора данных посредством протяжки), в которых ультразвуковой зонд может иметь форму катетера и может быть вставлен в тело пациента для исследования области, представляющей интерес, и в некоторых случаях, для выполнения процедуры в области, представляющей интерес (ROI, от англ. region of interest) с помощью хирургического инструмента, прикрепленного к ультразвуковому зонду или с помощью отдельного хирургического инструмента, причем в этом случае ультразвуковой зонд может быть использован для отображения хирургического инструмента внутри области, представляющей интерес, например для предоставления визуальной обратной связи оператору инструмента для гарантии того, что инструмент корректно применяется в области, представляющей интерес. С этой целью ультразвуковая система может применяться с так называемой анатомической логикой (или анатомическим интеллектом), которая облегчает автоматическое детектирование области, представляющей интерес, с использованием подходящей анатомической модели, такой как, например, модель сердца в случае процедур внутрисердечной эхокардиографии (ICE). Такие модели обычно применяют один или более алгоритмов сегментации, которые анализируют данные (объемного) ультразвукового изображения, полученного ультразвуковым зондом и идентифицируют анатомическую особенность в этих данных, например посредством анализа яркости пикселей (или вокселей) и уровней контраста между смежными пикселями (или вокселями) или группами пикселей (или вокселей). Таким образом, модель картируют на идентифицированной анатомической структуре, так что анатомические параметры, представляющие интерес, анатомические размеры, анатомическая функция, такие как оценка фракции выброса сердца и т.п., могут быть автоматически выведены из данных (объемного) ультразвукового изображения, улучшая, таким образом, межоператорскую согласованность между полученными результатами и созданием системы, которую легче использовать менее квалифицированному оператору.
Оставшаяся проблема заключается в том, что там, где ультразвуковая система может быть использована для различных медицинских процедур, например инвазивных процедур, оператору, в частности менее квалифицированному оператору, может быть сложно корректно сконфигурировать и эксплуатировать ультразвуковую систему.
Раскрытие сущности изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить ультразвуковую систему, использование которой оператором облегчено.
Указанная задача согласно изобретению решена ультразвуковой системой, предназначенной для визуализации объемной области, включающей в себя область, представляющую интерес, содержащей зонд с ультразвуковой матрицей преобразователей; блок управления ультразвуковой волной, соединенный с матрицей и выполненный с возможностью управления передачей ультразвуковой волны и предоставления данных ультразвукового изображения объемной области; процессор изображений, выполненный с возможностью реагирования на данные ультразвукового изображения и генерирования ультразвукового изображения на их основе; и идентификатор области, представляющей интерес (ROI), обеспечивающий возможность идентификации области, представляющей интерес, на основе данных ультразвукового изображения, причем указанный идентификатор выполнен с возможностью генерирования идентификационных данных, указывающих область, представляющую интерес, внутри объемной области; причем предусмотрена возможность конфигурирования передачи ультразвуковой волны посредством множества вариантов использования в ответ на соответствующие идентификаторы указанных вариантов использования, причем каждый вариант использования связан с конкретной процедурой визуализации и содержит анатомическую модель для указанной процедуры визуализации; причем идентификатор ROI выполнен с возможностью конфигурирования посредством соответствующих анатомических моделей указанных вариантов использования.
Такая ультразвуковая система может быть (полу-)автоматически сконфигурирована в соответствии с настройками, специфичными для конкретной процедуры визуализации, что облегчает использование такой системы менее квалифицированными пользователями и уменьшает время, необходимое для конфигурирования системы, способствуя таким образом увеличению количества пропускаемых пациентов, в то же время улучшая точность анатомических параметров, извлекаемых из данных объемной визуализации, полученных во время таких процедур. В зависимости от конкретной процедуры визуализации блок управления ультразвуковой волной выполнен с возможностью, в ответ на соответствующие идентификаторы вариантов использования, конфигурирования посредством множества вариантов использования и адаптации ультразвуковой матрицы к передаче ультразвуковой волны, характеристики которой оптимизируются для сбора данных ультразвукового изображения для соответствующей анатомической модели.
В одном варианте осуществления настоящей заявки блок управления ультразвуковой волной содержит формирователь диаграммы направленности, предназначенный для управления положением ультразвукового луча передаваемой ультразвуковой волны.
В другом варианте осуществления зонд подходит для внутриполостной визуализации, причем каждый вариант использования связан с конкретной процедурой внутриполостной визуализации и соответствующей анатомической моделью.
В следующем варианте осуществления ультразвуковая система дополнительно содержит приводной механизм, подсоединенный к зонду, и идентификатор ROI, причем указанный приводной механизм выполнен с возможностью перемещения зонда во время операции под управлением идентификатора ROI. Таким образом, идентификатор ROI может управлять приводным механизмом, чтобы перемещать зонд в целевое местоположение относительно ROI, как указано в варианте использования, для которого сконфигурирована ультразвуковая система, например на оптимальное расстояние от ROI для ее визуализации или для облегчения интервенционной процедуры в ROI. Этот вариант осуществления может быть особенно выгоден для низкоквалифицированных пользователей, поскольку система ультразвуковой визуализации выполнена с возможностью, на основании идентифицированного варианта использования и в связи с выбранной анатомической моделью, оценки оптимальной передачи ультразвуковой волны, применимой для заданного местоположения зонда. Если оптимальная конфигурация не может быть достигнута, то приводной механизм будет перемещать зонд в улучшенное местоположение относительно ROI.
В одном варианте осуществления зонд содержит кабель со штекером для подсоединения к пользовательской консоли ультразвуковой системы, причем штекер содержит метку, хранящую идентификатор конкретного варианта использования, связанного с зондом; при этом пользовательская консоль содержит считыватель указанной метки, выполненный с возможностью извлечения указанного идентификатора для конфигурирования ультразвуковой системы в соответствии с конкретным вариантом использования. Таким образом, может быть автоматически детектирован подходящий вариант использования, что, в частности, подходит для случаев, в которых зонд 10 используется только в одной процедуре, что часто происходит, например, в случае внутрисосудистых ультразвуковых (IVUS) зондов.
В качестве альтернативы, ультразвуковая система дополнительно содержит пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью приема специфичного для пользователя идентификатора конкретного варианта использования. Это может больше подходить для случаев, в которых зонд может использоваться в различных инвазивных процедурах, например в различных процедурах внутрисердечной эхокардиографии (ICE).
В другом варианте осуществления ультразвуковая система выполнена с возможностью генерирования руководящих инструкций для помощи пользователю зонда в направлении зонда в целевое местоположение, связанное с ROI, в ответ на идентификатор ROI. Например, ультразвуковая система может быть выполнена с возможностью генерирования указанных руководящих инструкций на основе определенного расстояния от зонда до ROI. Таким образом, это помогает контроллеру зонда направлять зонд в требуемое (целевое) местоположение, что облегчает контроллеру управление зондом. Этот вариант осуществления может быть дополнительно также выгоден для низкоквалифицированных пользователей, поскольку ультразвуковая система визуализации выполнена с возможностью, на основе идентифицированного варианта использования и в связи с выбранной анатомической моделью, оценки оптимальной передачи ультразвуковой волны, применимой для заданного местоположения зонда. Если оптимальная конфигурация не может быть достигнута, то руководящие инструкции будут генерироваться системой, чтобы помочь пользователю переместить зонд в улучшенное местоположение относительно ROI.
В одном варианте осуществления зонд содержит матрицу емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей (CMUT), выполненную с возможностью управления положением ультразвуковых лучей в диапазоне изменяемых частот по объемной области; причем ультразвуковая система дополнительно содержит контроллер частоты преобразователей, подсоединенный к формирователю диаграммы направленности и выполнена с возможностью изменения рабочих частот CMUT-преобразователей в пределах указанного частотного диапазона; причем контроллер частоты предназначен для установки рабочей частоты на первую частоту для ультразвукового луча, направляемого в объемной области.
В этом варианте осуществления используются возможности изменяемой частоты CMUT-преобразователей в обеспечении новой методики визуализации, которая позволяет увеличить частоту ультразвуковых лучей в идентифицированной области, представляющей интерес. Если область, представляющая интерес (ROI), идентифицирована в ультразвуковых данных посредством идентификатора ROI, то контроллер частоты преобразователей увеличивает частоты луча на участке объемной области, в котором расположена область, представляющая интерес (ROI). Кроме того, указанная система обеспечивает возможность перемещения внутриполостных зондов по отношению к объемной области, предоставляя дополнительную гибкость пользователю во время ультразвуковой визуализации посредством автоматической регулировки положения зонда относительно объемной области в зависимости от месторасположения идентифицированной области, представляющей интерес (ROI), в указанной области. Если расстояние между идентифицированной областью, представляющей интерес (ROI), и зондом больше, чем глубина проникновения акустических лучей на выбранной повышенной частоте, то система может побудить приводной механизм переместить зонд ближе к области, представляющей интерес (ROI), так что может быть получен подробный вид ROI с повышенной частотой луча.
В одном варианте осуществления формирователь диаграммы направленности обеспечивает данные ультразвукового изображения, имеющие относительно низкое пространственное разрешение в объемной области и относительно высокое пространственное разрешение в области, представляющей интерес.
В этом варианте осуществления увеличение частоты луча, передаваемого в области, представляющей интерес, позволяет формирователю диаграммы направленности принимать эхо-сигналы, исходящие из ROI, более высокой частоты; обеспечивая, таким образом, ультразвуковые данные идентифицированной ROI более высокого разрешения. По сравнению с системами известного уровня техники ультразвуковая система в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность приема более детальной ультразвуковой информации об объемной области во время ультразвукового сканирования.
В еще одном варианте осуществления процессор изображений генерирует общий вид объемной области на основе данных низкого пространственного разрешения и подробный вид области, представляющей интерес, на основе данных высокого пространственного разрешения.
Затухание акустической волны увеличивается с увеличением частоты. Поэтому может быть выгодно генерировать общий вид объемной области с большей глубиной проникновения, но уменьшенным пространственным разрешением, и подробный вид внутри общего вида, в котором область, представляющая интерес, может быть отображена с  пространственным разрешением. Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оба вида могут генерироваться с использованием одной и той же матрицы CMUT-преобразователей во время одного ультразвукового сканирования.
В другом варианте осуществления ультразвуковая система дополнительно содержит дисплей изображений, подсоединенный к процессору изображений и отображающий как общий вид объемной области, так и подробный вид области, представляющей интерес.
Оба вида могут отображаться пользователю рядом друг с другом в виде отдельных ультразвуковых изображений или в виде одного ультразвукового изображения в пространственной фиксации.
В еще одном варианте осуществления ультразвуковая система дополнительно содержит пользовательский интерфейс, подсоединенный к идентификатору области, представляющей интерес (ROI), и выполненный с возможностью реагирования на ручной выбор области, представляющей интерес (ROI), внутри объемной области.
Это дает пользователю возможность вручную выбрать ROI, чтобы она была идентифицирована идентификатором ROI. Опционально пользовательский интерфейс может быть также подсоединен к устройству управления частотой, так что пользователь может также выбрать относительно низкие и высокие частоты лучей, направляемых в объемной области и в области, представляющей интерес, соответственно.
В следующем варианте осуществления матрица представляет собой двухмерную или одномерную матрицу.
В зависимости от конструкции матрицы ультразвуковая система может быть выполнена с возможностью обеспечения трехмерных ультразвуковых изображений или двухмерных ультразвуковых изображений (2D-срезов) объемной области.
В соответствии с другим аспектом предусмотрен модуль ультразвуковой системы для визуализации объемной области, содержащей область, представляющую интерес, выполненный с возможностью подсоединения к зонду, подходящему для внутриполостной визуализации; причем указанный модуль содержит формирователь диаграммы направленности, выполненный с возможностью подсоединения к матрице и управления положением ультразвукового луча и предоставления данных ультразвукового изображения объемной области; процессор изображений, выполненный с возможностью реагирования на данные ультразвукового изображения и генерирования ультразвукового изображения на их основе; причем идентификатор области, представляющей интерес (ROI), обеспечивает возможность идентификации области, представляющей интерес, на основе данных ультразвукового изображения, причем указанный идентификатор выполнен с возможностью генерирования идентификационных данных, указывающих область, представляющую интерес, в объемной области; причем предусмотрена возможность конфигурирования ультразвуковой системы посредством множества вариантов использования в ответ на соответствующие идентификаторы указанных вариантов использования, причем каждый вариант использования связан с конкретной процедурой внутриполостной визуализации и содержит анатомическую модель для указанной процедуры внутриполостной визуализации; причем идентификатор ROI выполнен с возможностью конфигурирования посредством соответствующих анатомических моделей указанных вариантов использования.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 иллюстрирует ультразвуковую систему для визуализации изменяемой частоты объемной области в соответствии с принципами настоящего изобретения;
Фиг. 2 иллюстрирует CMUT-ячейку, управляемую напряжением смещения постоянного тока и возбуждаемую посредством радиочастотного приводного сигнала;
Фиг. 3a-3d иллюстрируют принципы работы CMUT в сжатом режиме, применяемой в вариантах осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 иллюстрирует контурный график акустических характеристик такой CMUT-ячейки, работающей в сжатом режиме;
Фиг. 5 иллюстрирует сканирование объемной области с относительно низкой частотой ультразвуковых лучей, направляемых в объемной области за пределами области, представляющей интерес, и относительно высокой частотой ультразвуковых лучей, направляемых в пределах области, представляющей интерес;
Фиг. 6a-b иллюстрируют отображения ультразвуковых изображений объемной области вместе с общим видом объемной области, содержащим подробный вид, представляющий интерес;
Фиг. 7a-b иллюстрируют сканирование объемной области с изменяемой частотой луча с использованием внутриполостного зонда, выполненного с возможностью перемещения относительно объемной области;
Фиг. 8 иллюстрирует дисплей с ультразвуковыми изображениями, полученными посредством внутриполостного зонда, в соответствии с принципами примера осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 9 иллюстрирует ультразвуковую систему для визуализации объемной области, включающей в себя область, представляющую интерес, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 10 иллюстрирует блок-схему базового принципа получения изображения изменяемой частоты в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 11 иллюстрирует блок-схему получения изображения изменяемой частоты в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 12 иллюстрирует блок-схему конфигурирования ультразвуковой системы в соответствии с настоящим изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематически и в качестве примера показана ультразвуковая система 100 в соответствии с принципами настоящего изобретения. Зонд 10 может содержать матрицу 14 ультразвуковых преобразователей для визуализации объемной области в теле пациента. В такой матрице могут применяться ультразвуковые преобразователи любого подходящего типа. Зонд 10 может быть предназначен для инвазивных ультразвуковых процедур, таких как внутрисердечная эхокардиография (ICE) или внутрисосудистые ультразвуковые (IVUS) процедуры. Например, зонд 10 может иметь форму катетера или аналогичного устройства для таких процедур. Матрица 14 может представлять собой как двухмерную, так и одномерную матрицу. В конкретном варианте осуществления матрица 14 выполнена с возможностью визуализации объемной области с изменяемой частотой, например, с помощью ультразвуковых преобразователей изменяемой частоты, таких как емкостные микрообработанные ультразвуковые преобразователи (CMUT). Емкостные микрообработанные ультразвуковые преобразователи матрицы передают ультразвуковые лучи в диапазоне изменяемых частот по объемному полю 131 зрения (фиг. 5) (содержащему объемную область) и принимают эхо-сигналы в ответ на переданные лучи. Преобразователи матрицы 14 преобразователей соединены с формирователем 64 диаграммы направленности, который управляет положением ультразвуковых лучей, передаваемых преобразователями, например преобразователями CMUT - в качестве неограничивающего примера, матрицы 14 преобразователей. Формирователь диаграммы направленности далее формирует диаграмму направленности эхо-сигналов, принимаемых преобразователями. Лучи могут быть направлены прямо вперед (ортогонально) от матрицы 14 преобразователей или под разными углами для  поля зрения. Кроме того, формирователь 64 диаграммы направленности может также управлять плотностью и распределением направляемых лучей в объемной области. Опционально, ультразвуковая система может иметь множество микроформирователей диаграммы направленности (не показаны), каждый из которых объединяет группы отдельных преобразователей с формирователем 64 диаграммы направленности. Микроформирователи диаграммы направленности (субматричный формирователь диаграммы направленности) частично формируют диаграммы направленности сигналов от групп преобразователей, тем самым уменьшая количество сигнальных каналов, соединяющих зонд и главную систему сбора данных. Микроформирователи диаграммы направленности предпочтительно изготавливаются в виде интегральной схемы и размещаются в корпусе зонда 10 рядом с матричным преобразователем. Зонд 10 может также включать в себя датчик 52 положения, который предоставляет детектору 54 положения преобразователя сигналы, указывающие на положение зонда 10. Датчик 52 может быть магнитным, электромагнитным, радиочастотным, инфракрасным или датчиком другого типа.
Сигналы с частично сформированной диаграммой направленности, генерируемые микроформирователями диаграммы направленности, направляются на формирователь 64 диаграммы направленности, в котором сигналы с частично сформированной диаграммой направленности от отдельных групп преобразователей объединяются в сигнал с полностью сформированной диаграммой направленности. Ультразвуковая система 100 также содержит контроллер 62 частоты преобразователя, соединенный с матрицей 14 и формирователем 64 диаграммы направленности (или опционально с множеством микроформирователей диаграммы направленности). Контроллер 62 частоты управляет частотой передаваемых и принимаемых ультразвуковых лучей посредством регулировки резонансной частоты каждого преобразователя в матрице 14, как будет описано ниже более подробно для CMUT-преобразователей. Сигнал с полностью сформированной диаграммой направленности (т.е. когерентные эхо-сигналы вдоль лучей) представляет собой данные ультразвукового изображения, которые обрабатываются с помощью фильтрации, детектирования амплитуды, детектирования доплеровского сигнала и других процессов сигнальным процессором 66. Затем ультразвуковые данные обрабатываются в сигналы ультразвукового изображения в системе координат зонда (например, r, θ, ϕ) процессором 68 изображений. Сигналы ультразвукового изображения могут быть далее преобразованы в требуемый формат ультразвукового изображения (например, x, y, z Декартовы координаты) с помощью графического процессора 74 и отображены на дисплее 18.
Идентификатор 72 области, представляющей интерес, связан с процессором 68 изображений и выполнен с возможностью, на основе анализа данных ультразвукового изображения, генерирования идентификационных данных, указывающих область 82', представляющую интерес (ROI), в объемном поле 131 зрения. Как процессор 68 изображений, так и идентификатор 72 ROI могут быть частью одного блока 68' анализа изображений. Система 100 ультразвуковой визуализации может управляться с помощью пользовательского интерфейса 38. В частности, пользовательский интерфейс 38 может быть подключен к идентификатору 72 ROI или непосредственно к блоку 68' анализа изображений, что позволяет вручную выбирать ROI 82' на основе ультразвукового изображения, отображаемого на дисплее. Кроме того, пользователь через пользовательский интерфейс 38 также выбирает требуемую частоту в диапазоне изменяемых частот матрицы, с которой, по желанию пользователя, должна отображаться ROI в случае матрицы 14 изменяемой частоты. В качестве альтернативы пользователю может быть задан выбор требуемых диапазонов разрешения, с которыми, по желанию пользователя, должна отображаться ROI. Такой пользовательский ввод, например местоположения и размера ROI 82' в объемном поле 131 зрения и требуемой частоты визуализации ROI или диапазона разрешения, передается в виде идентификационных данных блоком 68' анализа изображений на контроллер 62 частоты преобразователя. В настоящем варианте осуществления параметры, идентифицированные пользователем, передаются между идентификатором ROI и процессором 68 изображений, при этом процессор изображений рассчитывает координаты ROI 82' и объемной области 132 (показаны на фиг. 5) вокруг идентифицированной ROI в объемном поле 131 зрения на основе сгенерированных идентификационных данных, полученных с помощью идентификатора ROI. Контроллер 62 частоты преобразователя, а также формирователь 64 диаграммы направленности реагируют на идентификационные данные, генерируемые идентификатором 72 ROI и обрабатываемые процессором 68 изображений. В конкретном варианте осуществления, в котором предусмотрена возможность регулировки рабочей частоты матрицы 14, контроллер 62 частоты преобразователя вместе с формирователем диаграммы направленности регулирует частоту лучей, направляемых в объемной области 132 вокруг идентифицированной ROI в объемном поле 131 зрения. В другом варианте осуществления, в котором предусмотрена возможность регулировки разрешения направляемых лучей, контроллер 62 частоты преобразователя вместе с формирователем диаграммы направленности может изменять плотность лучей, направляемых в объемной области 132. Формирователь диаграммы направленности и контроллер частоты преобразователя могут быть выполнены в виде одного блока 64' управления ультразвуковой волной, сочетающего в себе возможность изменения частоты и формирования диаграммы направленности. В альтернативном варианте осуществления микроформирователь диаграммы направленности может быть объединен вместе с контроллером 62 частоты преобразователя в блок 64' управления ультразвуковой волной и может быть размещен в корпусе зонда. В еще одном альтернативном варианте осуществления блок (64') управления ультразвуковой волной может быть выполнен с возможностью управления матрицей для передачи расходящейся ультразвуковой волны. В зависимости от технических характеристик матрицы частота и/или плотность передаваемых волн (в конкретном варианте осуществления - направляемых лучей) могут управляться формирователем 64 диаграммы направленности (либо блоком 64' управления ультразвуковой волной). Пользователю может быть выгодно уменьшить плотность ультразвуковых лучей, направляемых за пределами ROI, что позволяет увеличить кадровую частоту ультразвуковых данных, получаемых из объемной области. Это увеличение общей кадровой частоты может привести к снижению разрешения анатомических особенностей, расположенных в объемной области, но за пределами ROI. Оптимальное разрешение и/или кадровая частота данной анатомии (определяемые медицинской процедурой) могут быть привязаны к местоположению ROI и его положению относительно зонда в указанной объемной области.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено изменение частоты визуализации ультразвуковой системы с помощью CMUT-преобразователей, предназначенных для работы в сжатом режиме. Технология CMUT позволяет настраивать частоту визуализации путем изменения напряжения смещения. Этот частотный диапазон представляет собой широкий диапазон, и в верхней части этого диапазона на каждой частоте также есть полоса пропускания, значительная часть которой близка к 100%. Такая большая частотная вариативность позволяет получать изображения в широком диапазоне глубин проникновения и разрешений. Однако следует понимать, что могут использоваться другие типы матриц 14, в которых различные области объемного изображения могут отображаться с разными разрешениями, как, например, разъяснено в патентном документе US 6123670.
Если матрица 14 ультразвуковой системы настоящего изобретения представляет собой матрицу CMUT, то она обычно состоит из множества CMUT-ячеек (преобразователей). Каждая CMUT-ячейка 103 обычно содержит гибкую мембрану или диафрагму 114, подвешенную над кремниевой подложкой 112 с зазором или полостью 118 между ними. Верхний электрод 120 расположен на диафрагме 114 и перемещается вместе с диафрагмой. В этом примере нижний электрод расположен на основании ячейки на верхней поверхности подложки 112. Могут быть предусмотрены другие варианты осуществления конструкции электрода 120, например, электрод 120 может быть встроен в мембрану 114 или осажден на мембрану 114 в качестве дополнительного слоя. В этом примере, в качестве неограничивающего примера, нижний электрод 122 выполнен круговым и встроен в подложечный слой 112. Могут быть предусмотрены другие подходящие конструкции, например, другие формы электродов и другие места расположения нижнего электрода 122, например, на подложечном слое 112 таким образом, чтобы нижний электрод 112 непосредственно примыкал к зазору 118 или был отделен от зазора 118 электроизолирующим слоем или пленкой для предотвращения короткого замыкания между верхним электродом 120 и нижним электродом 122. Кроме того, мембранный слой 114 зафиксирован относительно верхней поверхности подложечного слоя 112 и выполнен таким образом и с такими размерами, которые позволяют задать сферическую или цилиндрическую полость 118 между мембранным слоем 114 и подложечным слоем 112. Это указано в качестве неограничивающего примера для устранения сомнений, что на фиг. 2 нижний электрод 122 заземлен. Разумеется, возможны и другие конструкции, например заземленный верхний электрод 120, или верхний электрод 120 и нижний электрод 122 выполнены плавающими.
Ячейка 100 и ее полость 118 могут иметь иную геометрию. Например, полость 118 может иметь прямоугольное или квадратное поперечное сечение, шестиугольное поперечное сечение, эллиптическое поперечное сечение или иное неправильное сечение. В настоящем документе под диаметром CMUT-ячейки 103 понимается самый большой поперечный размер ячейки.
Нижний электрод 122 может быть изолирован на поверхности, обращенной к его полости, с помощью дополнительного слоя (не изображен на фигуре). Электроизолирующий слой представляет собой оксид-нитрид-оксидный (ONO) диэлектрический слой, сформированный выше подложечного электрода 122 и ниже мембранного электрода 120, хотя следует понимать, что для этого слоя можно рассматривать любой электроизолирующий материал. ONO-диэлектрический слой выгодным образом снижает накопление заряда на электродах, что приводит к нестабильности работы устройства, дрейфу и снижению выходного акустического давления.
Пример изготовления ONO-диэлектрических слоев на CMUT подробно рассмотрен в Европейской патентной заявке EP 2326432 A2, поданной 16 сентября 2008 г. Клотвейком и др. (Klootwijk et al.) и озаглавленной "Емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь". Использование ONO-диэлектрического слоя желательно при использовании предварительно сжатых CMUT, которые более восприимчивы к удержанию заряда, чем CMUT, работающие с подвешенными мембранами. Раскрытые компоненты могут быть изготовлены из материалов, совместимых с КМОП, например Al, Ti, нитридов (например, нитрид кремния), оксидов (различных марок), тетраэтилоксисилана (TEOS), поликремния и т.д. При КМОП-производстве, например, слои оксидов и нитридов могут формироваться в результате химического осаждения из газовой фазы (CVD), а слой металлизации (электрод) может быть нанесен методом распыления.
Подходящими процессами КМОП являются CVD при пониженном давлении (LPCVD) и плазмохимическое CVD (PECVD), причем последнее характеризуется относительно низкой рабочей температурой - менее 400°C. Примеры методов получения открытой полости 118 включают задание полости в начальной части мембранного слоя 114 перед добавлением верхней поверхности мембранного слоя 114. Другие производственные детали можно найти в патенте США US 6328697 Фрейзера (Fraser).
На фиг. 2 диаметр цилиндрической полости 118 больше диаметра электродной пластины 122, выполненной круглой. Электрод 120 может иметь тот же наружный диаметр, что и электродная пластина 122 с круговой конфигурацией, хотя такое соответствие не требуется. Таким образом, мембранный электрод 120 может быть зафиксирован относительно верхней поверхности мембранного слоя 114 таким образом, чтобы совместить его с электродной пластиной 122 ниже. Электроды CMUT-ячейки 100 обеспечивают емкостные пластины устройства, а зазор 118 представляет собой диэлектрик между пластинами (обкладками) конденсатора. При вибрации мембраны изменение размера диэлектрического зазора между обкладками приводит к изменению емкости, что фиксируется в виде отклика CMUT-ячейки 100 на принятый акустический эхо-сигнал.
Расстояние между электродами регулируется посредством приложения статического напряжения, например напряжения смещения постоянного тока, к электродам с помощью источника 45 напряжения. Источник 45 напряжения выполнен в контроллере 62 частоты преобразователя и обеспечивает возможность регулирования частоты. Преобразователи матрицы 14 могут иметь отдельный источник напряжения или несколько общих источников напряжения, реализованных в контроллере 62 частоты преобразователя. Источник 45 напряжения может также включать в себя отдельные ступени 102, 104 для обеспечения постоянного и переменного тока или компонент возбуждения напряжения возбуждения CMUT-ячеек 103. Первая ступень 102 может быть предназначена для генерирования компоненты статического (DC) напряжения, а вторая ступень 104 может быть предназначена для генерирования компоненты изменяемого переменного напряжения или сигнала возбуждения с заданной переменной частотой, который обычно представляет собой разницу между общим напряжением возбуждения и вышеупомянутой статической компонентой. Статическая компонента или компонента смещения прикладываемого напряжения возбуждения предпочтительно соответствует или превышает пороговое напряжение, приводящее CMUT-ячейки 103 в сжатое состояние. Это имеет то преимущество, что первая ступень 102 может включать в себя относительно большие конденсаторы, например сглаживающие конденсаторы, для генерирования особенно малошумной статической компоненты общего напряжения, которая обычно преобладает в общем напряжении, так что в шумовых характеристиках сигнала общего напряжения будут преобладать шумовые характеристики этой статической компоненты. Должны быть очевидны и другие подходящие варианты осуществления источника 45 напряжения, например вариант осуществления, в котором источник 45 напряжения содержит три дискретных ступени, включая первую ступень для генерирования статической DC-компоненты напряжения возбуждения CMUT, вторую ступень для генерирования изменяемой DC-компоненты напряжения возбуждения и третью ступень для генерирования компоненты частотной модуляции или компоненты возбуждения сигнала, например, схему формирования импульсов или аналогичное устройство. В итоге источник 45 напряжения может быть реализован любым подходящим образом.
Как известно, при приложении статического напряжения выше определенного порога CMUT-ячейка 103 приводится в сжатое состояние, в котором мембрана 114 опускается на подложку 112. Это пороговое значение может зависеть от точной конструкции CMUT-ячейки 103 и определяется как напряжение смещения постоянного тока, при котором мембрана 114 прилипает к основанию ячейки (контактирует с ней) с силой Ван-дер-Ваальса при приложении напряжения смещения. Величина (площадь) контакта мембраны 114 с подложкой 112 зависит от приложенного напряжения смещения. Увеличение площади контакта между мембраной 114 и подложкой 112 приводит к увеличению резонансной частоты мембраны 114, что будет разъяснено более подробно ниже со ссылкой на фиг. 3a-d.
Частотный отклик CMUT-ячейки 103 в сжатом режиме может изменяться путем регулировки напряжения смещения постоянного тока, прикладываемого к электродам CMUT после прижатия. В результате, резонансная частота CMUT-ячейки увеличивается при приложении к электродам большего напряжения смещения постоянного тока. Принципы, лежащие в основе этого явления, проиллюстрированы на фиг. 3a и 3b. Виды в поперечном разрезе на фиг. 3a и 3c иллюстрируют это одномерно посредством расстояний D1 и D2 между внешней опорой мембраны 114 и точкой, в которой мембрана начинает касаться основания полости 118 на каждой фигуре. Можно видеть, что расстояние D1 - это относительно большое расстояние на фиг. 3a, когда прикладывается относительно низкое напряжение смещения, тогда как расстояние D2 на фиг. 3c гораздо меньше из-за более высокого напряжения смещения. Эти расстояния можно сравнить с длинной и короткой струнами, которые удерживают за концы, а затем щипают. Длинная, расслабленная струна, если ее щипать, будет вибрировать на гораздо более низкой частоте, чем более короткая и более туго натянутая струна. Аналогично, резонансная частота CMUT-ячейки на фиг. 3a будет ниже, чем резонансная частота CMUT-ячейки на фиг. 3c, к которой приложено более высокое напряжение смещения.
Это явление также можно оценить на двухмерных изображениях фиг. 3b и 3d, так как на самом деле оно является функцией эффективной рабочей области мембраны CMUT. Когда мембрана 114 касается основания CMUT-ячейки, как показано на фиг. 3a, эффективная область A1 вибрации неконтактирующей (свободно вибрирующей) части ячейки 114 является большой, как показано на фиг. 3b. Небольшое отверстие в центре 17 представляет собой центральную контактную область мембраны. Мембрана большой площади будет вибрировать на относительно низкой частоте. Эта область 17 представляет собой область мембраны 114, которая падает на основание CMUT-ячейки. Но когда мембрана вовлекается в более глубокое падение посредством более высокого напряжения смещения, такого как на фиг. 3c,  центральная контактная область 17' приводит к меньшей свободно вибрирующей области A2, как показано на фиг. 3d. Эта меньшая область A2 будет вибрировать на более высокой частоте, чем  область A1. Таким образом, при уменьшении напряжения смещения постоянного тока уменьшается частотный отклик сжатой CMUT-ячейки, а при увеличении напряжения смещения постоянного тока возрастает частотный отклик сжатой CMUT-ячейки.
На фиг. 4 показан контурный график выходного акустического давления типичной CMUT-ячейки 103 в режиме сжатия в зависимости от приложенного напряжения смещения постоянного тока, включая возбуждение в виде модуляции переменного тока или частотной модуляции постоянной частоты во время передачи. Соответствующая длительность импульса составляет половину применяемой частоты. Как видно из этого контурного графика, когда CMUT-ячейка 103 работает при фиксированном или статическом напряжении, например при напряжении смещения постоянного тока статического значения, оптимальные акустические характеристики достигаются только для небольшого диапазона частот. Однако при изменении напряжения смещения и частотной модуляции сигнала напряжения смещения коррелирующим образом оптимальные акустические характеристики CMUT-ячейки 103 могут быть достигнуты в гораздо более широком частотном диапазоне, что увеличивает эффективную полосу пропускания ультразвукового импульса (или последовательности импульсов), генерируемого в режиме передачи ультразвукового зонда, включая CMUT-ячейку 103. Таким образом, частота может варьироваться в диапазоне частот от 7 до 17 МГц, как в данном примере; от 3 до 10 МГц; или даже в большем диапазоне частот, простирающемся от 2 до 15 МГц.
Это можно понять, обратившись к фиг. 3a и 3d, где поясняется, что резонансная частота CMUT-ячейки 103 в сжатом состоянии зависит от приложенного напряжения смещения (постоянного тока). Регулируя приложенное напряжение смещения при генерировании ультразвуковых импульсов определенной заданной частоты путем приложения возбуждения с соответствующей заданной частотой, можно генерировать импульсы различной частоты, демонстрирующие (почти) оптимальные акустические характеристики CMUT-ячейки 103 для каждой частоты импульсов. Таким образом, обеспечивается (почти) оптимальное разрешение визуализации в большой полосе пропускания спектра визуализации.
Затухание акустической волны увеличивается с увеличением частоты, в то время как разрешение ультразвукового изображения уменьшается с увеличением частоты. Например, типичная глубина и осевое разрешение для двухцикловых импульсов в тканях приведены в таблице ниже:
Частота (МГц)
Глубина изображения (см)
Осевое разрешение (мм)
2
30
0,77
5
12
0,31
7,5
8
0,2
10
6
0,15
15
4
0,1
Для соответствия оптимальным требованиям и требованиям по проникновению разумно, чтобы диапазон частот для большинства диагностических применений составлял от 2 до 15 МГц. Нижняя часть диапазона полезна при увеличенной глубине (например, область, представляющая интерес, расположена глубже в теле) или сильном затухании (например, при транскраниальных исследованиях). Верхняя часть частотного диапазона полезна, когда требуется небольшое проникновение (например, при визуализации груди, щитовидной железы, поверхностных сосудов или при педиатрической визуализации). Для большинства крупных пациентов 3-5 МГц является удовлетворительной частотой, в то время как для худых пациентов и детей часто могут использоваться 5 и 7,5 МГц. Высокочастотный диапазон выше 15 МГц может обеспечить визуализацию высокого разрешения с использованием внутриполостных (внутрисосудистых) зондов, таких как IVUS, ICE, FL-ICE. Эти зонды могут быть расположены ближе к области, представляющей интерес, внутри полостей, сосудов тела и т.д. Однако, хотя использование CMUT-матриц 14 может быть полезным в некоторых вариантах осуществления, подтверждено, что в контексте настоящего изобретения может быть использован любой подходящий тип матрицы 14, как это разъяснено выше.
В соответствии с настоящим изобретением, ультразвуковая система 100 снабжена так называемым "анатомическим интеллектом". Анатомический интеллект в ультразвуковой визуализации интерпретирует ультразвуковые данные пациента и применяет адаптивный системный интеллект с использованием (3D) анатомических моделей для получения более простых и воспроизводимых результатов. Инструменты анатомического интеллекта могут использоваться для усовершенствованного моделирования органов, разрезания изображений и проверенной количественной оценки, что облегчает проведение ультразвуковых исследований и делает их более воспроизводимыми, улучшает и расширяет генерируемую клиническую информацию, тем самым расширяя функциональные возможности ультразвуковой системы 100.
В контексте настоящего приложения "анатомический интеллект" подразумевает способность ультразвуковой системы 100 идентифицировать анатомию, подлежащую визуализации, и идентифицировать анатомические особенности, представляющие интерес, например ROI, в рамках данных ультразвуковой визуализации, полученных с помощью зонда 10. Например, ультразвуковая система 100 может быть предназначена для применения соответствующей анатомической модели к данным ультразвуковой визуализации, например модели сердца, которая может идентифицировать структуру сердца пациента в данных ультразвуковой визуализации и отслеживать изменения геометрии сердца, например для извлечения функциональных параметров сердца, таких как объем выброса или аналогичных из последовательности ультразвуковых изображений, визуализирующих сердечный цикл. Анатомическая модель настоящего изобретения также может быть основана на различных алгоритмах машинного обучения, таких как алгоритмы, сочетающие машинное обучение с биомеханической моделью анатомии.
Примеры анатомий, подлежащих визуализации с помощью раскрытой ультразвуковой системы, могут включать в себя печень, плод (акушерское применение ультразвуковой визуализации), легкие, сонную артерию и поджелудочную железу.
Осуществление акушерского применения может включать в себя конфигурирование ультразвуковой системы для идентификации наличия плода (как идентифицированной области, представляющей интерес) и его копчико-теменного размера (в случае, если выбрана процедура измерения копчико-теменного размера). Другим примером медицинского использования ультразвука в акушерстве является подтверждение сердечной пульсации плода; в этом случае идентифицированными анатомическими особенностями, представляющими интерес, является местоположение сердца плода.
Примером осуществления ультразвукового обследования сосудов может быть ультразвуковая визуализация сонной артерии. В сосудистой ультразвуковой визуализации часто наряду с визуализацией в В-режиме используется доплеровский режим визуализации. Поскольку погрешность определения доплеровского угла может быть уменьшена для определенного диапазона углов между ультразвуковыми лучами и кровотоком в сосуде, то область, представляющая интерес, идентифицированная для описываемой системы, будет учитывать оптимальный диапазон углов между ультразвуковыми лучами и кровотоком в сосуде, чтобы получить идентификационные данные, указывающие область, представляющую интерес.
Кроме того, такой анатомический интеллект может особенно выгодно применяться для ультразвуковых систем, используемых для интервенционных процедур, поскольку анатомический интеллект, и, в частности, его способность идентифицировать область, представляющую интерес, к которой должна быть применена интервенционная процедура, может усиливать действие. Неограничивающие примеры таких интервенционных областей применения включают внутрисосудистое ультразвуковое исследование (IVUS), внутрисердечную эхокардиографию (ICE) и чреспищеводную эхокардиографию (TEE). IVUS обычно используется во внутрисосудистых ультразвуковых процессах, в ходе которых оцениваются аномалии стенок артерий.
Например, бляшка на внутренней стенке артерии (атерома) может быть идентифицирована как область, представляющая интерес, с доступом к ней посредством IVUS-зонда 10, причем зонд 10 может направляться к области, представляющей интерес, автоматически или пользователем, который получает руководящие инструкции от ультразвуковой системы 100, основанные на идентификации области, представляющей интерес, как разъяснено в настоящей заявке.
В качестве другого примера, ICE-катетер или TEE-зонд 10 могут использоваться в кардиологических интервенционных процедурах, таких как транссептальный переход или прокол, в котором катетер пробивает перегородку между двумя предсердиями, или транскатетерная замена аортального клапана (TAVR). Конечно, неинтервенционные процедуры, такие как автоматическая количественная оценка сердца (обычно используемая в 2D), например оценка объема сердечной камеры или оценка доли выброса, также могут выиграть от такой анатомической интеллектуальной визуализации.
Далее следует отметить, что область, представляющая интерес, необязательно является просто анатомической особенностью. В одном варианте осуществления зонд 10 может использоваться для получения изображения интервенционного устройства, такого как катетер или аналогичного устройства, и в этом случае местоположение интервенционного устройства в анатомии пациента может стать областью, представляющей интерес, в данных ультразвуковой визуализации. Например, в случае, когда отдельный интервенционный инструмент, такой как катетер, должен быть отображен в сердце, ультразвуковая система 100 может быть сконфигурирована с учетом требуемого положения зонда 10 в сердце для облегчения соответствующей визуализации интервенционного инструмента для поддержки последующей интервенционной процедуры, причем указанное требуемое положение может быть проверено путем идентификации одной или более областей, представляющих интерес, в сердце в качестве проверки правильности позиционирования зонда 10 для получения изображения интервенционного инструмента, при этом анатомический интеллект дополнительно предоставляет ультразвуковой системе 100 сведения о том, что зонд 10 собирается визуализировать (и отслеживать) интервенционный инструмент из его целевого положения.
Как упоминалось ранее, анатомический интеллект может быть использован для управления зондом 10 (или катетером) в направлении области, представляющей интерес, либо автоматически, либо путем предоставления пользователю зонда 10 руководящих инструкций, основанных на детектировании области, представляющей интерес. В качестве неограничивающего примера, в процедуре, в которой зонд 10 предназначен для получения изображения левого желудочка сердца пациента, пользователю могут быть представлены руководящие инструкции, например, звуковые или визуальные инструкции на дисплее 18, обеспечивающие направление зонда 10 в правый желудочек для облегчения соответствующей визуализации левого желудочка. В варианте осуществления, который будет более подробно раскрыт ниже, руководящие инструкции могут быть сгенерированы ультразвуковой системой 100, например идентификатором 72 ROI, процессором 68 изображений или любым другим подходящим компонентом системы, на основе оценки ROI идентификатором 72 ROI.
Например, фактический вариант использования анатомического интеллекта может подразумевать указание целевого местоположения и/или расстояние до цели от области, представляющей интерес, для зонда 10, при этом идентификатор 72 ROI выполнен с возможностью определения фактического местоположения и/или фактического расстояния до зонда 10 относительно области, представляющей интерес (ROI). Блок 68' анализа изображений может быть выполнен с возможностью, на основании идентифицированного варианта использования в сочетании с анатомической моделью данного варианта использования, оценки оптимальной передачи ультразвуковых волн, применимой к местоположению данного зонда. Если оптимальная конфигурация не может быть достигнута, например, область, представляющая интерес, слишком далеко (или неоптимально расположена в поле зрения) для проведения диагностики, заданной медицинской процедурой, на основе полученных данных ультразвукового изображения, эта информация о фактическом положении может быть использована ультразвуковой системой 100 для генерирования руководящих инструкций для контроллера зонда 10, которым может быть человек или приводной механизм 21, что будет объяснено более подробно ниже, для направления зонда 10 из его текущего местоположения в целевое местоположение. Идентификатор 72 ROI может обеспечивать регулярную обратную связь во время направления зонда 10 в его целевое местоположение, как указано для данного варианта использования, чтобы убедиться, что зонд 10 правильно позиционирован, например, для выполнения интервенционной процедуры или для успешного получения изображения другого интервенционного инструмента, как разъяснено выше.
В случае, если такие руководящие инструкции предоставляются оператору зонда 10, они могут быть представлены соответствующим образом, например, в виде звуковых инструкций и/или в виде визуальных инструкций на дисплее 18. Такие визуальные инструкции могут быть представлены в любой подходящей форме, например в виде текстовых инструкций или графических инструкций, представленных на объемном изображении, полученном зондом 10, как показано на дисплее 18, например, в виде цветного наложения на это изображение для выделения траектории, по которой зонд 10 должен следовать в целевое местоположение. Другая подходящая визуализация таких руководящих инструкций также очевидна для специалиста.
Ультразвуковая система 100 может быть сконфигурирована посредством такого анатомического интеллекта любым подходящим образом. Например, ультразвуковая система 100 может быть запрограммирована множеством вариантов использования, каждый из которых включает в себя, например, рабочие шаги, которые помогут пользователю правильно провести операционную процедуру, например, акушерскую процедуру, IVUS- или ICE-процедуру, а также анатомическую модель, соответствующую данному варианту использования, причем указанная анатомическая модель может включать в себя, например, один или несколько алгоритмов сегментации для облегчения автоматического детектирования ROI в данных ультразвукового изображения, генерируемых зондом 10. С этой целью ультразвуковая система может содержать или быть подключена к устройству хранения данных (не показано), из которого можно извлечь подходящий вариант использования после его идентификации, как более подробно описано ниже.
Опционально каждый вариант использования может также содержать по меньшей мере одну из навигационных инструкций для целенаправленного перемещения зонда 10 по анатомии пациента, если для конкретной процедуры требуется хотя бы частично ручная навигация, и алгоритмы отслеживания движущегося объекта, такого как интервенционное устройство, через анатомию пациента, когда зонд 10 находится в месте, предназначенном для такого отслеживания. Программирование ультразвуковой системы 100 может быть выполнено любым подходящим способом, например посредством программирования ультразвуковой системы 100 пользователем вручную через интерфейс 38 пользователя, посредством загрузки пользователем вариантов использования из удаленной базы данных, например, по сети Интернет и т.д.
В одном варианте осуществления ультразвуковая система 100 выполнена с возможностью автоматического выбора подходящего варианта использования с целью обеспечения автоматического детектирования области, представляющей интерес (ROI), автоматической настройки передачи ультразвуковых волн и руководящего направления пользователя при использовании зонда 10. Это может быть достигнуто, например, путем включения метки или аналогичного элемента в штекер кабеля, прикрепленного к зонду 10, для подключения зонда 10 к консоли пользователя или аналогичному устройству ультразвуковой системы 100. Такая метка может содержать идентификатор зонда 10 и/или подходящий вариант его использования, причем из указанной метки ультразвуковая система 100 может извлечь этот вариант использования. Такая метка может считываться любым подходящим образом, например, через соединительный штырь штекера или с помощью связи ближнего поля (NFC) между радиочастотной меткой и считывателем, расположенным вблизи гнезда консоли пользователя или аналогичного устройства, в которое вставлен штекер. Другие подходящие способы получения идентификационной информации с метки также очевидны для специалиста. Этот вариант осуществления особенно подходит для типов зондов, используемых для одного конкретного применения, например, IVUS-зондов.
В качестве альтернативы или дополнения, ультразвуковая система выполнена с возможностью выбора подходящего варианта использования в ответ на сигнал ввода пользователя, определяющий подходящий вариант использования, причем указанный сигнал ввода пользователя может быть предоставлен любым подходящим образом, например, через сенсорный дисплей 18 и/или пользовательский интерфейс 38. Это может быть желательно, например, в случаях, когда зонд 10 может использоваться в различных процедурах, например, в случае акушерского, ICE- или TEE-зонда, которые могут использоваться в различных кардиологических процедурах, таких как абляция (с прохождением перегородки), замена клапана или отслеживание интервенционного инструмента, как разъяснено выше.
В одном примере осуществления ультразвуковая система, конфигурируемая посредством различных процедурных вариантов использования, как разъяснено выше, обеспечивает уникальное сочетание ультразвуковой визуализации изменяемой частоты в широком диапазоне частот с использованием одной матрицы 14 CMUT-преобразователей.
Фиг. 5 иллюстрирует основной принцип данного примера осуществления с фиксированным положением зонда относительно области 82', представляющей интерес (ROI). Зонд 10 используется для получения ультразвуковых изображений объемного поля 131 зрения. Контроллер 62 частоты преобразователя реагирует на область 72, представляющую интерес, устанавливает относительно низкую частоту ультразвуковых лучей, направляемых в объемном поле 131 зрения, и относительно высокую частоту ультразвуковых лучей, направляемых в объемной области 132 вокруг идентифицированной области 82', представляющей интерес. Полученные посредством CMUT-преобразователей эхо-сигналы обрабатываются формирователем диаграммы направленности, который предоставляет данные ультразвукового изображения объемной области с относительно низким пространственным разрешением в объемной области за пределами ROI и относительно высоким пространственным разрешением в пределах области, представляющей интерес. Эти ультразвуковые данные обрабатываются в процессоре 68 изображений, в котором формируется общий вид 80 объемной области на основе данных низкого пространственного разрешения и подробный вид 132' области 82, представляющей интерес, на основе данных высокого пространственного разрешения, как показано на фиг. 6. Подробный вид 132' объемной области 132 вокруг идентифицированной ROI 82 может также включать в себя изображение 133 области, расположенной между зондом и ROI.
В этом примере, не ограничивающемся матрицей CMUT, блок 64' управления ультразвуковой волной также может быть предназначен для изменения плотности ультразвуковых лучей, направляемых в объемной области, причем указанная плотность определяется выбранными процедурами визуализации. Блок управления ультразвуковой волной реагирует на идентификатор 72 области, представляющей интерес, устанавливает относительно низкую плотность ультразвуковых лучей, направляемых в объемном поле 131 зрения и относительно высокую плотность ультразвуковых лучей, направляемых в объемной области 132 за пределами идентифицированной ROI 82'. Кроме того, блок 64' управления ультразвуковой волной может быть предназначен для изменения угла отклонения ультразвуковых лучей в идентифицированной ROI (часто применяется для процедур доплеровской визуализации).
Фиг. 6 иллюстрирует дисплей 99 с двухмерными ультразвуковыми изображениями, отображаемыми пользователю с общим видом 80 и подробным видом 132', пространственно зафиксированными относительно друг друга. Изображение 82 выбранной ROI 82' отображается при увеличенной частоте визуализации (или увеличенной кадровой частоте изображения) на подробном виде 132'. Поскольку глубина проникновения ультразвуковых лучей с относительно высокой частотой меньше по сравнению с глубиной проникновения ультразвуковых лучей с относительно низкой частотой, то верхняя граница относительно высокого частотного диапазона будет ограничена глубиной (расстоянием до зонда), на которой расположена ROI, и будет учитываться при ее расчете процессором 68 изображений. Система 100 может сначала получить ультразвуковые данные объемного поля зрения с относительно низкими частотами луча (или низкой плотностью направляемых лучей), обеспечивая тем самым окружающий контекст объемной области, а затем увеличить ("зумировать") область 82, представляющую интерес, после ее идентификации. Подробный вид 132' ROI 82 можно обновить в режиме реального времени рядом с ранее полученным общим видом 80 и отобразить для окружающего контекста, как показано на фиг. 6с.
Альтернативно, подробный вид 132' ROI 82 и общий вид 80 могут отображаться рядом друг с другом. В кардиологии во время визуализации сердца отображение и получение ультразвуковых изображений могут быть синхронизированы с сердечным циклом с помощью ЭКГ.
В случае если матрица 14 CMUT представляет собой линейную матрицу (линейную антенную решетку), контроллер 62 частоты преобразователя может обращаться к отдельным ячейкам 103 преобразователей (управлять ими) с различными частотами, так что ROI отображается на высокой частоте, а остальные элементы - на низких частотах. Репрезентативное изображение, полученное с помощью линейной матрицы, показано на фиг. 6b.
Встроенное высокочастотное изображение подробного вида 132' в режиме реального времени генерируется одновременно с низкочастотным изображением общего вида 80 в режиме реального времени. Это имеет то преимущество, что окружающий контекст все еще отображается (хотя и с меньшим разрешением) в режиме реального времени с относительно большей глубиной, чтобы обеспечить возможность, например, ориентирования и навигации инструментов на периферии ROI. Также можно получить аналогичные изображения, если матрица 14 CMUT представляет собой фазированную матрицу (фазированную антенную решетку), как показано на фиг. 6a и фиг. 6c. В случае с фазированной матрицей формирование луча (диаграммы направленности) выполняется таким образом, что для каждой линии, составляющей изображение, подбирается соответствующая частота для всех преобразователей таким образом, чтобы высокочастотное изображение подробного вида 132' было встроено в изображение общего вида 80, содержащее более низкочастотные линии. Если оба вида: подробный вид 132' ROI 82 и общий вид 80 обновляются в режиме реального времени, то система, содержащая фазированную матрицу, может непрерывно получать сначала все линии объемного поля 131 зрения на низкой частоте, а затем все линии объемной области 132 вокруг идентифицированной ROI 82 с более высокой частотой. Полученный вид может быть далее переплетен или интерполирован в одно ультразвуковое изображение. Это показано на фиг. 6c. В альтернативном рабочем процессе сбора данных общий вид 80 обновляется за пределами подробного вида 132', причем результирующее изображение, отображаемое пользователю, показано на фиг. 6a. Преимуществом первого является возможность просмотра в режиме реального времени всего объема, например, для отслеживания интервенционных устройств в определенных вариантах использования, как разъяснено выше. Преимущество последнего заключается в том, что собирается меньше линий, и может быть достигнута более высокая кадровая частота.
Фиг. 7 иллюстрирует особенно выгодный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором положение зонда может изменяться в пределах объемного поля 131' зрения. Зонд может быть размещен, например, в конфигурации с передним обзором, или в продольной конфигурации, чтобы его можно было легко поступательно перемещать в направлении к области, представляющей интерес, и от нее. Это может быть реализовано с помощью таких внутриполостных зондов, как IVUS-зонд (внутрисосудистое УЗИ), ICE-зонд (внутрисердечная эхокардиография), FL-ICE-зонд (внутрисердечная эхокардиография с передним обзором), например, как раскрыто в EP 1742580 B.
Внутриполостной зонд может включать в себя матрицу преобразователей на дистальном конце, которая сканирует объемную область. Прохождение объема может быть выполнено либо за счет механического перемещения 1D-матрицы, либо за счет электронного направления лучей 2D-матрицей. Матрица преобразователей находится в жидкостной камере, расположенной на дистальном конце зонда, причем жидкость обеспечивает соответствующую акустическую связь между зондом и визуализируемой объемной областью. На фиг. 9 схематично показана ультразвуковая система 100' настоящего изобретения. Система 100' может также содержать приводной механизм 21, соединенный с зондом и идентификатором 72 ROI (опционально с блоком 68' анализа), причем приводной механизм на основании идентификационных данных выполняет перемещение зонда 10 во время визуализации. Приводной механизм 21 может также принимать сигналы от датчика 52 положения, который отслеживает пространственное положение зонда, обеспечивая тем самым независимую проверку перемещения зонда в объемном поле 131' зрения. Такой вариант осуществления обеспечивает  гибкость верхней границы высоких частот, с которыми может быть визуализирована ROI 82', в случае если зонд 10 использует CMUT-преобразователи. После идентификации ROI процессор 68 вычисляет координаты ROI 82 и объемной области 132 вокруг идентифицированной ROI в объемном поле 131 зрения на основе идентификационных данных, полученных с использованием анатомической модели выбранного варианта использования, как разъяснено выше. Идентификатор ROI может определять расстояние между зондом 10 и областью, представляющей интерес, и определять, нужно ли регулировать зонд 10 для получения лучшего обзора ROI или переместить зонд 10 в целевое положение, что задано выбранным вариантом использования, как разъяснено выше. Например, в случае матрицы 14 CMUT, если расстояние между матрицей 14 преобразователей (или, фактически, зондом 10) и ROI за пределами глубины проникновения лучей с выбранной высокой частотой, то приводному механизму 21 будет сообщено переместить ближе к ROI в объемном поле 131' зрения (фиг. 7b), так что можно получить увеличенное (“зумированное”) изображение ROI, или переместить зонд 10 ближе к целевому местоположению относительно ROI, как указано для выбранного варианта использования. Аналогичным образом, уменьшение масштаба может быть реализовано в том случае, если невозможно получить полное изображение ROI или если зонд 10 находится слишком близко к ROI согласно спецификации варианта использования его целевого местоположения, причем в этом случае приводному механизму 21 сообщают переместиться от ROI в объемном поле 131' зрения. В качестве альтернативы, оператору зонда 10 могут быть предоставлены руководящие инструкции для того, чтобы соответствующим образом переместить зонд 10, как это разъяснено выше.
Это изобретение сочетает в себе преимущества добавления анатомического интеллекта в ультразвуковую систему 100 для облегчения направления зонда 10 в целевое местоположение, в котором может быть получено оптимальное ультразвуковое изображение ROI, подходящее для конкретной процедуры визуализации. Предпочтительно, чтобы функция автоматического увеличения и уменьшения масштаба в объемной области обеспечивалась цепью обратной связи от идентификатора 72 ROI к приводному устройству 21, тем самым обеспечивая пользователя ультразвуковыми системами нового поколения. В конкретном варианте осуществления применяются миниатюрные CMUT-преобразователи (появившиеся благодаря достижениям в КМОП-технологии) и их широкий рабочий диапазон (обеспечиваемый сжатым режимом работы), так что сочетание широкого частотного диапазона матрицы CMUT, работающей в сжатом режиме, со средствами физического поступательного перемещения зонда, содержащего эту матрицу, позволяет получить новое решение усовершенствованной ультразвуковой визуализации с повышенной детализацией и, следовательно, улучшенной диагностической визуализацией.
Фиг. 8 иллюстрирует дисплей 99 с 2D ультразвуковыми изображениями, отображаемыми пользователю. Подробный вид 82 и общий вид 80 могут быть показаны рядом друг с другом или пространственно зафиксированы друг относительно друга. Последний случай проиллюстрирован на фиг. 8, на которой изображения, полученные с помощью линейной и фазированной матриц (антенных решеток), расположены рядом друг с другом. По сравнению с фиг. 6a-b, подробный вид 82 представляется пользователю имеющим  глубину проникновения по сравнению с вариантом осуществления, в котором положение зонда зафиксировано относительно местоположения ROI. Изображение подробного вида можно непрерывно получать в процессе продвижения (перемещения) зонда, так что изображение 80 общего вида можно обновлять в режиме реального времени изображениями 82 подробного вида с более высоким разрешением, полученными в различные моменты времени. Кроме того, текущее положение движущегося зонда в объемной области может быть отображено на изображении 80 общего вида.
На основе идентификации области, представляющей интерес, и параметров, идентифицированных для данного варианта использования, процессор 68 изображений может анализировать полученные ультразвуковые данные для определения параметров качества изображения, таких как осевой шум, латеральный спекл, осевая интенсивность и т.д. Эти параметры качества могут быть в дальнейшем отображены пользователю. Также эти параметры качества могут использоваться как входной сигнал для приводного механизма для автоматического перемещения зонда таким образом, чтобы он мог быть частью цепи обратной связи для автоматической оптимизации качества изображения ROI и/или позиционирования зонда 10 в местоположении, указанном для данного варианта использования, как разъяснено выше. Такая автоматизация может использоваться для прецизионного перемещения зонда, а общее перемещение может управляться через пользовательский интерфейс 38, для чего пользователю могут быть представлены руководящие инструкции, как разъяснено выше. Посредством пользовательского интерфейса 38 пользователю может быть предоставлена возможность дополнительного управления работой приводного механизма. Пользовательский интерфейс может представлять собой сенсорный экран, связанный с дисплеем 18, который позволяет пользователю вручную определять на отображаемом изображении ROI и/или перемещение зонда. Прикосновение к ROI и/или движение сведения пальцев ("pinch-in") или движение разведения пальцев ("pinch-out") можно использовать для физического перемещения зонда в определенном направлении (направлениях) или получения подробного изображения, если глубина проникновения достаточна для данного положения зонда.
В альтернативном варианте осуществления подробное 3D-поле зрения ROI в режиме реального времени, полученное с относительно высокой частотой, встроено в 2D-изображение общего вида. Это имеет то преимущество, что получение 2D-изображения общего вида потребляет меньше вычислительной мощности и меньше использует преобразователь, при этом 3D-изображение (или ROI в двух проекциях) может быть получено с максимально возможной кадровой частотой. Для матриц с малой апертурой в одном измерении (например, для ICE) это решение обеспечивает визуализацию общего вида на основе более благоприятных размеров апертуры (осевая и поперечная ICE) и получение подробного изображения ROI во всех измерениях (например, для ICE: включая высоту), что становится более благоприятным на высоких частотах.
Идентификатор ROI может автоматически идентифицировать ROI, используя ультразвуковые данные от конкретного объекта, например катетера, иглы или инструмента, например, с использованием анатомической модели выбранного варианта использования анатомического интеллекта, который опционально может быть выделен элементами ультразвукового усиленного контраста. Эти объекты в силу своей геометрии и формы (или маркеры или датчик положения) могут быть распознаны блоком 68' анализа изображений, и координаты ROI могут быть сгенерированы автоматически.
В другом варианте осуществления изображение объема, представляющего интерес, может быть получено первоначально с относительно высокой частотой лучей, причем этот объем, представляющий интерес, может быть идентифицирован пользователем как ROI. Кроме того, пользователь с помощью пользовательского интерфейса может уменьшить частоту визуализации по сравнению с той, которая использовалась для определения области, представляющей интерес, чтобы получить изображение общего вида с большей глубиной проникновения, причем изображение общего вида включает в себя ROI. Как и в предыдущих вариантах осуществления, эти поля зрения могут отображаться либо рядом друг с другом, либо пространственно зафиксированными друг относительно друга.
Отдельные требования могут предъявляться к электронике интегральной схемы (ИС) блока 64' управления ультразвуковой волной (или опционально контроллера 62 частоты преобразователя) для обеспечения оптимальной скорости изменения напряжения смещения, прикладываемого к преобразователям CMUT. Для большинства случаев, описанных выше, может быть достаточно современной электронной технологии интегральных схем. В качестве альтернативы, если требуется еще  скорость изменения напряжения смещения, можно использовать 3-терминальный CMUT, как раскрыто в WO 2015086413.
На фиг. 10 показана блок-схема 200 базовых принципов получения ультразвукового изображения с изменяемой ультразвуковой волной. На шаге 201 отображают объемное поле 131 зрения, это поле зрения включает в себя общий вид 80. На шаге 202 с помощью идентификатора детектируют ROI 82, причем может быть выполнено автоматическое детектирование, например на основе отличающейся анатомической особенности 30, или на основе выбранного процедурного варианта использования с анатомическим интеллектом. На шаге 203 пользователю могут быть показаны очертания области, представляющей интерес. На этом этапе пользователь также может вручную взаимодействовать через пользовательский интерфейс 38 с системами 100, регулируя размер и/или местоположение ROI. Далее, на шаге 204 пользователь может выбрать желаемое разрешение (или частоту) и/или кадровую частоту подробного вида области, представляющей интерес. Процессор 68 изображений дополнительно преобразует выбранное разрешение в рабочую частоту преобразователя или плотность направляемых лучей. В качестве альтернативы, на этом шаге процессор 68 изображений может вычислить верхнюю границу частоты (или нижнюю границу плотности лучей), с которой может отображаться ROI 82, на основе фиксированного расстояния от зонда 10 (а именно матрицы 14 преобразователей внутри зонда) до ROI. Эта информация может отображаться на дисплее. На шаге 205 система 100 будет получать подробный вид области, представляющей интерес, с увеличенным разрешением (или кадровой частотой). На шаге 206 пользователю отображаются общее поле зрения и подробное поле зрения.
На фиг. 11 изображена блок-схема 300 получения ультразвукового волнового изображения в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. На шаге 301 получают объемное поле 131 зрения. На шаге 302 детектируют ROI 82 посредством идентификатора с использованием анатомической модели, связанной с выбранным вариантом использования анатомического интеллекта в рамках данной медицинской процедуры. На шаге 303 пользователю могут быть показаны очертания области, представляющей интерес. На этом этапе пользователь также может вручную взаимодействовать через пользовательский интерфейс 38 с системами 100', регулируя размер и/или местоположение ROI. Параллельно на шаге 307 процессор 68 изображений вычисляет расстояние от зонда до самого дальнего края ROI. Далее, на шаге 304 пользователь может выбрать желаемое разрешение (или частоту) и/или кадровую частоту подробного вида области, представляющей интерес. На шаге 309 на основании этой информации процессор 68 изображений вычисляет глубину проникновения, соответствующую выбранному разрешению (частоте). На шаге 308 расстояние между зондом и ROI сравнивают с глубиной проникновения. Если расчетная глубина проникновения превышает расстояние до области, представляющей интерес, затем в блок-схеме переходят на шаг 305, на котором система 100 получает подробный вид области, представляющей интерес, с выбранным разрешением. Если расчетная глубина проникновения меньше расстояния до области, представляющей интерес, то в блок-схеме переходят на шаг 310, на котором приводной механизм обеспечивает перемещение зонда к местоположению области, представляющей интерес. Расстояние перемещения определяется местоположением ROI и выбранным разрешением. Если расстояние перемещения ограничено анатомией отображаемого объема (объекта) изображения, и зонд не может быть далее перемещен, то система 100' может предоставить пользователю обратную связь с рассчитанным оптимальным разрешением, при котором может быть получена ROI с учетом ограничений анатомии. Далее, система 100 получает подробный вид области, представляющей интерес, с выбранным разрешением или оптимальным разрешением, предложенным на шаге 305. На шаге 306 пользователю отображаются общее поле зрения и подробное поле зрения. В качестве альтернативы, расстояние между зондом 10 и ROI можно сравнить с целевым значением, предоставленным для выбранного варианта использования, и в этом случае для пользователя зонда 10 или приводного механизма 21 могут быть сгенерированы руководящие инструкции, чтобы направить зонд 10 в его целевое местоположение относительно ROI, как это было более подробно разъяснено выше. Следует еще раз отметить, что, хотя фиг. 11 описана в контексте преобразователей CMUT, также могут быть использованы и другие типы преобразователей.
Фиг. 12 представляет собой блок-схему варианта осуществления способа 400 конфигурирования передачи ультразвуковой визуализации ультразвуковой системы 100 посредством процедурного варианта использования со снабжением ультразвуковой системы 100 соответствующим анатомическим интеллектом. На шаге 401 обеспечивают множество вариантов использования, каждый из которых определяет анатомический интеллект, который будет передан в ультразвуковую систему 100, например анатомическую модель, которая будет использоваться идентификатором 72 ROI, а также приемлемое качество данных ультразвуковой визуализации в конкретной процедуре визуализации, например, в акушерской процедуре, ICE-, FL-ICE- или IVUS-процедуре. Как более подробно разъяснялось выше, такие варианты использования могут также включать параметры конфигурирования ультразвуковой системы 100, например, для формирователя 64 диаграммы направленности, процессора 68 изображений, приводного механизма 21 и т.д., что позволяет автоматически конфигурировать ультразвуковую систему 100 в таких вариантах использования, значительно сокращая требуемое взаимодействие пользователя с ультразвуковой системой 100 для надлежащей настройки системы для конкретной интервенционной процедуры. Таким образом, использование таких ультразвуковых систем 100 для таких процедур становится более доступным для менее квалифицированных пользователей.
На шаге 402 ультразвуковая система 100 принимает идентификатор конкретного варианта использования, например от пользователя через дисплей 18 в случае сенсорного экрана или через интерфейс 38 пользователя, или от автоматического детектирования метки в штекере зонда 10, который будет вставлен в пользовательскую консоль ультразвуковой системы 100, как разъяснялось выше, причем указанный идентификатор используется ультразвуковой системой 100 для извлечения варианта использования, идентифицированного с помощью полученного идентификатора, из устройства хранения данных, например устройства хранения данных ультразвуковой системы 100 или удаленного устройства хранения данных, доступного по сети, например через Интернет, на шаге 403. Наконец, ультразвуковая система 100 конфигурирует себя и свою передачу ультразвуковых волн, например идентификатора 72 ROI, с помощью извлеченного варианта использования на шаге 404, обеспечивая тем самым по меньшей мере полуавтоматическое конфигурирование ультразвуковой системы 100 в соответствии с процедурой визуализации, подлежащей осуществлению с помощью зонда 10.
Специалист в данной области должен понимать, что принципы настоящего изобретения могут быть применены как для 2D, так и для 3D ультразвуковой визуализации.
Один блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле. Тот факт, что некоторые признаки приведены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы, не означает, что комбинация этих признаков не может быть использована для получения преимуществ.
Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, таком как оптический носитель информации или твердотельный носитель информации, поставляться вместе с другим оборудованием или как его часть, но также может распространяться и в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы.
Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем притязаний.
Следует понимать, что, хотя выше приведены ссылки на ультразвуковую систему 100, такая система может поставляться без ультразвукового зонда 10, например в виде модуля ультразвуковой системы, например пользовательской консоли, которая при подключении к соответствующему ультразвуковому зонду 10 образует любой из описанных здесь вариантов осуществления настоящего изобретения.