УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АНОМАЛИЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ

Полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована в медицинской диагностике как при обследовании врачом, так и для регулярного самоконтроля пациентов с подозрениями на мочекаменную болезнь, а также для выявления кальцинатов в мягких тканях.
Из уровня техники известно ультразвуковое устройство [1] для обнаружения аномалий физической плотности (АФП). Под АФП могут пониматься, например, микро-кальцинаты, кальцинаты, камни, возникающие при нефро-, уретролитиазе и др. заболеваниях, связанных с отложением солей, пузырьки, стенты, титановые скрепки и пр. Устройство [1] содержит одноэлементный ультразвуковой (УЗ) датчик, аналого-цифровой преобразователь, средство передачи данных в блок обработки, блок обработки, состоящий из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и процессора, и систему обмена информацией с пользователем. Недостатком данного технического решения является то, что диагностика осуществляется лишь на основе информации об амплитуде отраженного сигнала. Точность такого метода невелика, поскольку по амплитуде сигнал от АФП не всегда может быть отличим от сигнала от тканей [2]. Амплитуда сигнала не связана с физическими особенностями взаимодействия ультразвуковых полей с АФП [3].
Для увеличения достоверности обнаружения врачи научились использовать доплеровский мерцающий артефакт [2]. Однако артефакт - явление нестабильно, зависящее от внутренних алгоритмов обработки сигнала, которые у различных производителей приборов могут различаться.
Диагностический режим, предназначенный для обнаружения аномалий физической плотности при ультразвуковом допплеровском исследовании и описанный в [4], является наиболее близким к тому режиму диагностики, который реализуется заявляемым устройством. Недостатками режима, описанного в [4], являются дороговизна, трудность изготовления, трудности интерпретации результатов и высокие требования к квалификации работающего с устройством медицинского персонала. В отличие от режима, описанного в [4], режим диагностики, в котором используется предлагаемая полезная модель, характеризуется узкой специализацией, а именно, заявляемая полезная модель предназначена только для обнаружения АФП. За счет этого достигается дешевизна, легкость изготовления и применения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание удобного в использовании устройства, обеспечивающего возможность диагностики аномалий физической плотности (АФП) при амбулаторном осмотре, а также удаленно, в том числе без непосредственного участия медицинского персонала.
Этот технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство, содержит усилитель звукового сигнала, цифро-аналоговый преобразователь, цветовой индикатор и громкоговоритель, причем цветовой индикатор непосредственно соединен с блоком цифровой обработки, громкоговоритель соединен с блоком цифровой обработки через усилитель звукового сигнала и цифро-аналоговый преобразователь, цветовой индикатор и громкоговоритель передают пользователю информацию об обнаружении аномалий физической плотности.
Устройство снабжено встроенным аккумулятором для обеспечения автономного электропитания.
Устройство содержит источник низкочастотного акустического сигнала, прикладывающийся к телу пациента, вызывающий колебания выявляемых АФП относительно окружающих тканей.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение стоимости, повышение удобства использования устройства с одновременным повышением его безопасности за счет уменьшения его габаритов по сравнению с традиционно применяемыми приборами УЗИ, обеспечения возможности быстрого и правильного позиционирования ультразвукового датчика на теле посредством снабжения устройства цветовым индикатором и громкоговорителем.
На Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого технического решения. Устройство состоит из ультразвукового датчика 1, выходного усилителя мощности 2, формирователя зондирующего сигнала 3, входного усилителя мощности 4, аналого-цифрового преобразователя 5, цифрового процессора 6, блока расчета амплитуды сигнала 7, блока расчета мощности 8, блока расчета абсолютной величины попарной корреляции 9, блок расчета абсолютной величины корреляции действительной и мнимой частей сигнала 10, устройства сравнения с порогом и принятия решения 11, устройства ввода данных 12, экрана 13, цифро-аналогового преобразователя 14, усилителя звукового сигнала 15, громкоговорителя 16, цветового индикатора 17, системы питания со встроенным аккумулятором или внешним адаптером 18 и источника низкочастотного акустического сигнала 19.
Все элементы связаны между собой следующим образом. Ультразвуковой датчик 1 через выходной усилитель мощности 2 соединен с формирователем зондирующего сигнала 3 и через входной усилитель мощности 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 соединен с цифровым процессором 6. В состав цифрового процессора 6 входят блок расчета амплитуды сигнала 7, блок расчета мощности 8, блок расчета абсолютной величины попарной корреляции 9, блок расчета абсолютной величины корреляции действительной и мнимой частей сигнала 10. Рассчитанные данные с этих блоков поступают на вход устройства сравнения с порогом и принятия решения 11. Для обеспечения автономным электропитанием устройство снабжено встроенным аккумулятором или внешним адаптером 18. Громкоговоритель 16 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 14 через усилитель звукового сигнала 15. Цветовой индикатор 17 управляется цифровым процессором 6. Источник низкочастотного акустического сигнала 19 соединен с цифровым процессором 6.
Работает устройство следующим образом. Ультразвуковым датчиком 1 испускается высокочастотный зондирующий акустический сигнал в предположительное место нахождения АФП. Для облегчения поиска АФП с помощью громкоговорителя 16 воспроизводится звуковой сигнал, сообщающий об обнаружении АФП. Также при обнаружении загорается цветовой индикатор 17.
Зондирующий сигнал представляет собой пачку импульсов, формируемых в формирователе зондирующего сигнала 3 и усиливаемых выходным усилителем мощности
2. При этом импульсы характеризуются несущей частотой  (порядка 1-10 МГц), а также частотой повторения PRF, определяемой максимальной глубиной зондирования. Так, при зондировании на глубине до 6 см частота повторения импульсов не должна превышать 12,8 кГц.
Ультразвуковой датчик на основе прямого и обратного пьезоэффектов преобразует электрический сигнал в ультразвуковой импульс и наоборот.
Принятый ультразвуковым датчиком эхо-сигнал поступает на входной усилитель мощности 4, который выполняет усиление сигнала на несущей частоте  в полосе частот, согласованной с длительностью каждого зондирующего импульса.
После усиления, выполняемого с помощью входного усилителя мощности 4, аналого-цифровой преобразователь 5 производит преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с частотой дискретизации , как минимум вдвое превышающей ширину спектра оцифровываемого сигнала.
Дальнейшая обработка происходит в цифровом процессоре 6. В нем производится согласованная фильтрация. Далее сигнал подвергается преобразованию Гильберта, умножается на комплексную экспоненту на частоте . Полученный аналитический сигнал разветвляется: по одной ветви сигнал поступает в блок 7, где рассчитываются его амплитуда, другая ветвь ведет сигнал через фильтр высоких частот в блоки 8-10, где рассчитываются мощность, абсолютная величина попарной корреляции и корреляции действительной и мнимой частей сигнала, соответственно. В устройстве сравнения с порогом и принятия решения 11 рассчитанные значения блоков 7-10 сравниваются с порогами и принимается решение об обнаружении или отсутствии сигнала АФП. В случае обнаружения подается звуковой сигнал громкоговорителя 16 и цветовой сигнал индикатора 17.
Цифровой процессор 6 обеспечивает решение следующих основных задач: цифровую обработку сигналов и анализ результатов измерений; формирование результатов обработки измерений на экране, формирование информационных сообщений по результатам обработки и интерпретации измерений; реализация интерактивного графического интерфейса пользователя.
Цифровая обработка ультразвукового сигнала сводится к выполнению следующих операций: расчет преобразования Гильберта, умножение на комплексную экспоненту, расчет амплитуды, высокочастотная фильтрация, расчет мощности и абсолютных величин коэффициентов попарной корреляции элементов ансамбля и корреляции действительной и мнимой частей сигнала, сравнение с пороговыми значениями и принятие решения.
На экране 13 выводится глубина расположения обнаруженной АФП.
Для увеличения вероятности обнаружения АФП к телу пациента прикладывается источник низкочастотного акустического сигнала 19 на частоте  (порядка 100-2000 Гц). Этот источник вызывает колебания АФП относительно окружающих тканей.
Обнаружение АФП при помощи данного устройства служит поводом для проведения детального анализа медицинским специалистом.
Возможности автономной работы позволяют проводить исследования в различных ситуациях. Электропитание может производиться как от встроенного аккумулятора 18, так и от внешнего адаптера, используемого также для зарядки аккумулятора 18.
На Фиг. 2 представлен возможный внешний вид устройства.
Применение предлагаемого устройства позволит проводить диагностику АФП при амбулаторном осмотре, а также удаленно, в том числе без непосредственного участия медицинского персонала. В частности, это повысит эффективность регулярной диагностики молочных желез пациентками в домашних условиях, т.е. поможет заранее принять меры по предотвращению развития онкологического заболевания. При мочекаменной болезни данной устройство даст возможность обнаруживать камни, появившиеся сразу после операции, т.е. появится возможность принять меры по контролю течения болезни.
Источники информации
1. United States Patent №2014/0039311 Al. 2014, System for Classification Palpable Soft Tissue Masses Using A-mode Echographs, Dewey R., Purfey K., Jacobsen K.
2. Громов А.И., Кубова С.Ю. Ультразвуковые артефакты. М.: Видар, 2007, с. 41-55.
3. Леонов Д.В., Кульберг Н.С., Громов А.И., Морозов С.П., Ким С.Ю. Исследование причин возникновения мерцающего артефакта в доплеровских режимах ультразвукового медицинского диагностического устройства// Акустический журнал. 2018. №1. Т. 64. С. 100-111. DOI: 10.7868/S0320791918010124.
4. Кульберг Н.С., Громов А.И., Леонов, Д.В., Осипов Л.В., Усанов М.С., Морозов С.П. Диагностический режим обнаружения кальцинатов и конкрементов при ультразвуковом исследовании // РАДИОЛОГИЯ - ПРАКТИКА, 2018, №1 (67), с. 37-49.