Ультразвуковое устройство для получения изображений головного мозга

Область техники
Полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована в неврологии, нейрохирургии, невропатологии, медицине катастроф, военно-полевой хирургии и неотложной медицине для ультразвукового исследования и оценки состояния головного мозга и его сосудов.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство, работающее по принципу, описанному в [1]. Это устройство содержит магнитно-резонансный томограф и ультразвуковой прибор. Градиенты магнитно-резонансной томографии, чувствительные к движению, используются для регистрации смещения тканей, вызванного акустической радиационной силой импульса, излученного фазированной решеткой ультразвукового прибора. Измеряется величина смещения тканей, зарегистрированного магнитно-резонансным томографом. Затем в сигналы, излучаемые фазированной решеткой ультразвукового прибора, вводятся дополнительные задержки и измерение повторяется. Процесс повторяется многократно. Те дополнительные задержки, при которых амплитуда смещения тканей оказалась наибольшей, и являются предпочтительными.
К недостаткам этого устройства относятся необходимость использовать магнитно-резонансный томограф и многократное облучение пациента. Использование магнитно-резонансного томографа является недостатком, поскольку, во-первых, усложняет конструкцию, в-третьих, магнитно-резонансные томографы стоят дорого, доступны далеко не каждой клинике. Многократное облучение пациента магнитно-резонансным томографом и ультразвуковым прибором делает процесс коррекции аберраций очень долгим.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство получения изображений головного мозга и кровотока в его сосудах при транскраниальных ультразвуковых исследованиях [2]. Устройство [2] содержит фазированный ультразвуковой датчик, одноэлементный ультразвуковой датчик, переключатель между режимами приема и передачи, усилитель мощности, блоком цифровой обработки, блок расчета задержек, формирователь зондирующего сигнала, входной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, преобразователь Гильберта, формирователь луча на прием, блок построения изображения, цифровой процессор, экран и устройство ввода данных. Недостатками данного технического решения являются избыточность элементов и сложность применения, так как для его полноценной работы требуется использование как минимум двух определенным образом размещенных в окнах прозрачности черепной кости головы пациента ультразвуковых датчиков, один из которых излучает сигнал для калибровки второго. В отличие от прототипа предлагаемая полезная модель может полноценно работать как минимум с одним ультразвуковым датчиком. За счет этого достигается удобство применения.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание удобного в использовании устройства, обеспечивающего возможность проведения транскраниальных исследований мозга и сосудов пациента врачом ультразвуковой диагностики.
Решение данной задачи достигается тем, что предлагаемое устройство, в отличие от прототипа [2], содержит блок извлечения вектора-строки из матрицы, блок накопления, блок нормировки, блок аппроксимации, блок расчета среднеквадратичного отклонения, блок принятия решения, блок преобразования Фурье, блок расчета фазовых производных, блок нормировки, блок накопления, интегратор, блок обнуления, блок отсечения, интерполятор, блок сканирования, блок определения и коррекции погрешности фокусировки, причем блок сканирования соединен с блоком нормировки через блок извлечения вектора-строки из матрицы и блок накопления, блок нормировки соединен с блоком принятия решения через блок аппроксимации и блок расчета среднеквадратичного отклонения, блок сканирования соединен с интерполятором через блок преобразования Фурье, блок расчета фазовых производных, блок нормировки, блок накопления, интегратор, блок обнуления и блок отсечения, выходные данные с интерполятора поступают на вход блока сканирования и формирователя луча. Устройство снабжено встроенным аккумулятором для обеспечения автономного электропитания.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение удобства использования устройства и ускорение процедуры обследования, за счет упрощения технической реализации по сравнению с решением [2].
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого технического решения.
Осуществление полезной модели
Устройство состоит из фазированного ультразвукового датчика 1, переключателя между режимами приема и передачи 2, выходного усилителя мощности 3, формирователя зондирующего сигнала 4, входного усилителя мощности 5, аналого-цифрового преобразователя 6, блока цифровой обработки 7, экрана 8, устройства ввода данных 9, системы питания со встроенным аккумулятором или внешним адаптером 10, преобразователя Гильберта 11, блока расчета задержек 12, формирователя луча 13, блок построения изображения 14, блока извлечения вектора-строки из матрицы 15, блока накопления 16, блока нормировки 17, блока аппроксимации 18, блока расчета среднеквадратичного отклонения 19, блока принятия решения 20, блока преобразования Фурье 21, блока расчета фазовых производных 22, блока нормировки 23, блока накопления 24, интегратора 25, блока обнуления 26, блока отсечения 27, интерполятора 28, блока сканирования 29. Элементы 1-9 и 11-14 характерны для прототипа. Элементы 15-29 можно условно объединить в блок определения и коррекции погрешности фокусировки 30.
Все элементы связаны между собой следующим образом. Фазированный ультразвуковой датчик 1 через переключатель между режимами приема и передачи 2 и выходной усилитель мощности 3 соединен с формирователем зондирующего сигнала 4 и через входной усилитель мощности 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 соединен с цифровым процессором 7. В состав блока цифровой обработки 7 входят преобразователь Гильберта 11, блок расчета задержек 12, формирователь луча 13, блок построения изображения 14, блок определения и коррекции погрешности фокусировки 30. Блок определения и коррекции погрешности фокусировки 30 содержит блок извлечения вектора-строки из матрицы 15, блок накопления 16, блок нормировки 17, блок аппроксимации 18, блок расчета среднеквадратичного отклонения 19, блок принятия решения 20, блок преобразования Фурье 1, блок расчета фазовых производных 2, блок нормировки 3, блок накопления 4, интегратор 5, блок обнуления 6, блок отсечения 7, интерполятор 8, блок сканирования 29.
Комплексный сигнал с выхода преобразователя Гильберта 11 и задержки из блока 12 поступают на вход формирователя луча 13, который через блок извлечения вектора-строки из матрицы 15, блок накопления 16, блок нормировки 17, блок аппроксимации 18 и блок расчета среднеквадратичного отклонения 19 соединен с блоком принятия решения 20. Сигналы с блока принятия решения 20 управляют работой блока построения изображения 14. Сигнал с формирователя луча 13 поступает в блок построения изображения 14. Сигнал с блока сканирования 29 проходит через блок преобразования Фурье 21, блок расчета фазовых производных 22, блок нормировки 23, блок накопления 24, интегратор 25, блок обнуления 26, блок отсечения 27 и поступает в интерполятор 28. Данные, рассчитанные в интерполяторе 28, поступают в формирователь луча 13 и блок сканирования 29. Для обеспечения автономным электропитанием устройство снабжено встроенным аккумулятором или внешним адаптером 10.
Работает устройство следующим образом. Одним из элементов фазированного ультразвукового датчика 1 в режиме синтеза апертуры испускается акустический импульс. Излучаемый сигнал представляет собой единичный импульс, формируемый в формирователе зондирующего сигнала 4 и усиливаемый выходным усилителем мощности 3. При этом импульс характеризуется несущей частотой  порядка 500-5000 кГц. Ультразвуковой датчик на основе обратного пьезоэффектов преобразует электрический сигнал в ультразвуковой импульс, который проходит через кость черепа в области одного из акустических окон и распространяется в тканях мозга, частично отражаясь и возвращаясь к фазированному ультразвуковому датчику 1.
Эхосигнал за счет прямого пьезоэффекта преобразуется в электрические колебания раздельно всеми элементами датчика.
Принятый одним элементом ультразвукового датчика эхо-сигнал проходит через переключатель между режимами приема и передачи 2, предотвращающий попадание сигнала большой интенсивности из тракта передачи непосредственно в тракт приема, и поступает на входной усилитель мощности 5, который выполняет усиление сигнала на несущей частоте . После усиления, выполняемого с помощью входного усилителя мощности 4, аналого-цифровой преобразователь 6 производит преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с частотой дискретизации , как минимум вдвое превышающей ширину спектра оцифровываемого сигнала. Оцифрованные сигналы записываются в память блока цифровой обработки 7.
Излучение и прием повторяются для каждого из элементов фазированной решетки согласно принципу синтезирования апертуры. После этого записанные сигналы обрабатываются в блоке цифровой обработки 7. Изображение, построенное из этих сигналов по принципу синтезированной апертуры путем сложения сигналов с определенными задержками, отображается на экране 8 в виде сонограммы.
Блок цифровой обработки 7 обеспечивает решение следующих основных задач: цифровую обработку сигналов и анализ результатов измерений; формирование результатов обработки измерений на экране, формирование информационных сообщений по результатам обработки и интерпретации измерений; реализация интерактивного графического интерфейса пользователя, взаимодействие с которым осуществляется через устройство ввода данных 9.
Сигнал, поступивший в блок цифровой обработки 7, преобразователь Гильберта 11 переводит в аналитическую форму, из которой в блоке построения изображения 14 строится изображение после формирования лучей в 13. Для формирования лучей используются задержки, рассчитанные в блоке расчета задержек 12, и прибавки к задержкам, необходимые для коррекции фазовых набегов, возникающих из-за разности между скоростью звука в кости и тканях мозга, передаваемые блоку расчета задержек 12 интерполятором 28.
В формирователе луча 13 рассчитывается матрица, записываемая в виде прямоугольной таблицы комплексных чисел, которая представляет собой совокупность строк и столбцов, на пересечении которых находятся элементы матрицы. Количество строк определяется числом отсчетов по глубине, количество столбцов определяется числом лучей.
В заявляемом устройстве используется блок сканирования 29, который принимает на вход комплексные сигналы с выхода преобразователя Гильберта 11 и задержки из блока расчета задержек 12. На выходе блока сканирования 29 появляется матрица, подобная матрице с выхода формирователя луча 13, но отличная тем, что элементы ее принимают наибольшее значение в выбранной области, для которой осуществлялась коррекция. Если это не так, то коррекция не была достигнута.
Для выполнения проверки коррекции матрица с блока сканирования 29 поступает в блок извлечения вектора-строки из матрицы 15, откуда построчно переходит в блок накопления 16, затем данные делятся на число извлеченных строк в блоке нормировки 17 и аппроксимируются функцией Гаусса в блоке аппроксимации 18. Блок расчета среднеквадратичного отклонения 19 считает средний квадрат отклонения аппроксимирующей функции из блока 18 от содержимого блока накопления 16. Рассчитанное среднеквадратичное отклонение поступает в блок принятия решения 20, который сравнивает только что поступившее среднеквадратическое отклонение и наименьшее среднеквадратическое отклонение, найденное на предыдущих итерациях и хранящееся в его памяти. При обнаружении наименьшего среднеквадратического отклонение подается сигнал, по которому интерполятор 28 сохраняет только что рассчитанные фазовые набеги в свою память. Эти набеги пересчитывается во временные задержки согласно несущей частоте  и прибавляется в формирователе луча 13 и блоке сканирования 29 к задержкам, рассчитанным в блоке расчета задержек 12, для выполнения корректной фокусировки, после чего происходит расчет интенсивностей и сканконвертирование в блок построения изображения 14, предшествующие выводу сонограммы на экран 8.
Во время коррекции специалист выбирает луч, для которого надо исправить фазовые аберрации, при этом работает блок сканирования 29. Если матрицу с выхода блока сканирования пересчитать в сонограмму, то на ней будут хорошо видны следы фазовых искажений, если они присутствуют. Наличие фазовых искажений видно по расширению области наибольшей интенсивности.
Для расчета корректирующих набегов фаз матрица комплексных чисел с выхода блока сканирования 29 поступает на вход блока 21, в котором она подвергается преобразованию Фурье. Затем на основе сопряженного перемножения элементов в блоке 22 рассчитывается матрица фазовых производных, которую в блоке нормировки 23 делят на число отсчетов по глубине и складывают построчно в блоке накопления 24. После этого в интеграторе 25 рассчитывают вектор фаз путем прибавления к каждому последующему элементу вектора фазовых производных суммы предыдущих элементов, в результате чего получают вектор, число элементов которого равно числу лучей. Этот вектор поступает на вход блока обнуления 26, в котором элементы вектора, содержащие шумовую фазу, приравниваются к нулю и отсекаются в блоке отсечения 27. Далее на выходе интерполятора 28 получают вектор оценки фазовых искажений путем интерполяции входного вектора фаз, причем интерполяция выполняется так, что получают вектор, число элементов которого равно числу принимающих элементов ультразвукового преобразователя. Полученный вектор оценки фазовых искажений пересчитывают во временные задержки и прибавляют к задержкам, рассчитанным в блоке расчета задержек 12.
Если специалист увидит, что построенный фрагмент ультразвукового изображения после цикла коррекции все еще содержит следы фазовых искажений, он продолжает процедуру коррекции. После выполнения коррекции одного из фрагментов области сканирования, можно перейти к коррекции следующего фрагмента, так можно исправить все изображение.
Возможности автономной работы позволяют проводить исследования в различных ситуациях. Электропитание может производиться как от встроенного аккумулятора 10, так и от внешнего адаптера, используемого также для зарядки аккумулятора 10.
Применение предлагаемого устройства позволит проводить транскраниальные исследования мозга и сосудов пациента врачом ультразвуковой диагностики. В частности это повысит эффективность диагностики аневризм и прочих нежелательных особенностей сосудистого русла, т.е. поможет заранее принять меры по предотвращению развития заболевания.
Источники информации
1. McDannoid N, Maier SE. Magnetic resonance acoustic radiation force imaging. Med Phys 2008, №35. C: 3748-3758.
2. Осипов Л.В. Устройство получения изображений головного мозга и кровотока в его сосудах при транскраниальных ультразвуковых исследованиях // Патент на полезную модель RU 181380.