УНИВЕРСАЛЬНЫЙ А-СКАНЕР ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Настоящая полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована в системах медицинской диагностики для неинвазивной оценки внутричерепного давления (ВЧД).
Оценка ВЧД является актуальной задачей в травматологии при исследовании ушибов мозга с целью выявления прогрессирующего формирования гематомы. При осложненных черепно-мозговых травмах именно сделанная вовремя диагностика и последующая трепанационная декомпрессия являются определяющими факторами спасения больного.
На сегодняшний день существуют разные методы ультразвуковой оценки ВЧД на основе А-сканирования. Учеными выявлена зависимость диаметра зрительного нерва, измеренного с помощью ультразвукового А-сканирования, с уровнем ВЧД. Хотя данный метод не позволяет получить прямую зависимость диаметра зрительного нерва от уровня ВЧД, но, как показали многочисленные исследования, четко характеризует определенный уровень ВЧД при превышении диаметра зрительного нерва некоторого порогового значения (см., напр., Cennamo G., Gangemi М., Stella L. The correlation between endocranial pressure and optic nerve diameter: An ultrasonographic study. Ophthalmic Echography 1987; 7: 603-606).
В целом ряде работ отмечается, что развитие внутричерепной гипертензии может сопровождаться увеличением амплитуды пульсаций 3-го желудочка, регистрируемых путем А-сканирования, и делается вывод о том, что метод эхоэнцефалографии при использовании режима эхопульсографии может применяться для оценки наличия и динамики внутричерепной гипертензии. (Труханов С.А., Стулин И.Д. и др. Транскраниальная допплерография в сочетании с эхопульсографией в оценке внутричерепного и церебрального перфузионного давления у больных с внутричерепными кровоизлияниями. Журнал неврологии и психиатрии. - 2014. - N 7. - С. 37-42).
Существует метод оценки ВЧД на основе анализа частотных характеристик пульсаций 3-го желудочка, при котором путем выполнения дискретного преобразования Фурье на интервале, соответствующем интервалу сердечных сокращений, формируется спектр эхопульсограммы 3-го желудочка с выделением значения второй резонансной частоты и определением диапазона измерений ВЧД (см., напр., Michaeli D, Rappaport ZH Tissue resonance analysis; a novel method for noninvasive monitoring of intracranial pressure. J Neurosurg., 2002 Jun; 96 (6): 1132-1137).
В случаях медленного формирования гематомы используют метод мониторирования микросмещений структур головного мозга. Для выделения микросмещений используют фазовый метод: для каждого зондирования производится синфазное детектирование эхосигнала и формируется значение фазы сигнала для одной или нескольких зон интереса (см., напр., Jarunnee intrapiromkul and others. Accuracy of head ultrasound for the detection of intracranial hemorrhage in preterm neonates: Comparison with brain MRI and susceptibility-weighted imaging. J Neurosurg., 2013 May; 40 (2): 81-88).
Из существующего уровня техники известно ультразвуковое устройство эхоэнцефалографических исследований головного мозга, принятое как наиболее близкий аналог, в состав которого входят ультразвуковые датчики, тракт формирования зондирующего сигнала, тракт приема эхо-сигналов, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор, экран, блок питания (см., напр., United States Patent 6,387,051, опубл. 14.05.2002). Устройство обеспечивает неинвазивную оценку ВЧД на основе эхо-импульсной ультразвуковой локации структур головного мозга в А-режиме. Недостатком данного технического решения является низкая точность оценки ВЧД, недостаточная для широкого внедрения в медицинскую практику. Кроме того, габаритные характеристики устройства не позволяют использовать его на выезде бригады скорой помощи.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является увеличение точности оценки ВЧД путем комбинирования перечисленных выше ультразвуковых методов оценки ВЧД на основе А-сканирования с использованием одномерных ультразвуковых датчиков различного конструктивного исполнения и с разными рабочими частотами. Поскольку для оценки ВЧД различными методами необходимо использовать как амплитудные, так и фазовые характеристики эхо-сигналов, то устройство должно выполнять преобразование эхо-сигналов из аналоговой в цифровую форму непосредственно на несущей частоте с сохранением амплитудно-фазовых характеристик эхо-сигналов, и всю последующую обработку производить в цифровом виде.
Данная задача решается за счет того, что в универсальном А-сканере для медицинской диагностики, включающем тракт формирования зондирующего сигнала, тракт приема эхо-сигналов, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор, экран, блок питания, согласно техническому решению, тракт формирования зондирующего сигнала состоит из формирователя сигнала возбуждения, соединенного с формирователем импульса сигнала, выход которого выполнен с возможностью соединения со входом ультразвукового датчика, выход которого выполнен с возможностью соединения со входом ограничителя сигнала тракта приема эхо-сигналов, включающего упомянутый ограничитель сигнала, выход которого соединен с входным усилителем, соединенным на вход с усилителем с временной автоматической регулировкой усиления, который в свою очередь соединен с аналого-цифровым преобразователем; тракт приема эхо-сигналов через выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом цифрового процессора, имеющего двустороннюю связь с управляющим процессором с памятью, который двусторонне соединен с экраном и блоком обмена информацией; при этом устройство снабжено синхронизатором, выполненным с обеспечением возможности формирования временных диаграмм сигналов.
Блок обмена информацией может включать модуль интерфейса Ethernet, модуль интерфейса WiFi, модуль интерфейса BlueTooth, модуль интерфейса USB.
Блок питания может быть снабжен аккумулятором.
Экран может быть выполнен сенсорным.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение точности оценки внутричерепного давления за счет обеспечения возможности использования нескольких методов оценки при проведении одного исследования за счет обеспечения работы устройства с использованием одномерных ультразвуковых датчиков различного конструктивного исполнения и с разными рабочими частотами благодаря его конструктивному выполнению, заключающемуся в том, что тракт формирования зондирующего сигнала состоит из формирователя сигнала возбуждения, соединенного с формирователем импульса сигнала, выход которого выполнен с возможностью соединения со входом ультразвукового датчика, выход которого выполнен с возможностью соединения со входом ограничителя сигнала тракта приема эхо-сигналов, включающего упомянутый ограничитель сигнала, выход которого соединен с входным усилителем, соединенным на вход с усилителем с временной автоматической регулировкой усиления, который в свою очередь соединен с аналого-цифровым преобразователем; тракт приема эхо-сигналов через выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом цифрового процессора, имеющего двустороннюю связь с управляющим процессором с памятью, который двусторонне соединен с экраном и блоком обмена информацией; при этом устройство снабжено синхронизатором, выполненным с обеспечением возможности формирования временных диаграмм сигналов, что позволяет устройству выполнять преобразования эхо-сигналов из аналоговой в цифровую форму непосредственно на несущей частоте с сохранением амплитудно-фазовых характеристик эхо-сигналов с последующей их обработкой в цифровом виде.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежом, не охватывающим и, тем более, не ограничивающим объем притязаний по данному решению, а лишь являющимся иллюстрирующим материалом частного случая выполнения устройства. На чертеже изображена блок-схема устройства.
Универсальный А-сканер для медицинской диагностики включает тракт 1 формирования зондирующего сигнала, состоящий из формирователя 2 сигнала возбуждения, соединенного с формирователем 3 импульса сигнала, выход которого выполнен с возможностью соединения со входом ультразвукового датчика 4, выход которого выполнен с возможностью соединения со входом ограничителя 5 сигнала тракта 6 приема эхо-сигналов, включающего упомянутый ограничитель 5 сигнала. Выход ограничителя 5 сигнала соединен с входным усилителем 7, соединенным на вход с усилителем 8 с временной автоматической регулировкой усиления, который в свою очередь соединен с аналого-цифровым преобразователем 9. Тракт 6 приема эхо-сигналов через выход аналого-цифрового преобразователя 9 соединен со входом цифрового процессора 10, имеющего двустороннюю связь с управляющим процессором 11 с памятью, который двусторонне соединен с экраном 12 и блоком 13 обмена информацией. Устройство снабжено синхронизатором 14, выполненным с обеспечением возможности формирования временных диаграмм сигналов, и блоком 15 питания.
Блок 13 обмена информацией включает модуль 16 интерфейса Ethernet, модуль 17 интерфейса WiFi, модуль 18 интерфейса BlueTooth, модуль 19 интерфейса USB. Блок 15 питания снабжен аккумулятором 20. Экран 12 может быть выполнен сенсорным.
В основу работы устройства заложен принцип ультразвуковой эхолокации. В однородной среде ультразвуковые волны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе сред с неодинаковой акустической плотностью часть лучей отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности пограничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Ультразвуковые датчики 4, подлежащие использованию с настоящим устройством, содержат пьезоэлектрическую пластину, которая выполняет функции передатчика механических колебаний в ткани и приемника отраженного сигнала от границ тканей. Принятый эхо-сигнал является основой для получения ультразвукового изображения в А-режиме. При проведении эхоэнцефалографических обследований могут быть использованы также два ультразвуковых датчика, которые размещаются в симметричных точках головы пациента слева и справа. При этом помимо обычных режимов локации слева и справа реализуется трансмиссионный режим, когда излучение производится одним датчиком, а прием - другим датчиком.
Для систем медицинской ультразвуковой диагностики, выполняющих эхолокацию в А-режиме, используются частоты ультразвука от 1 до 15 МГц. Чем выше частота ультразвука, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата, однако тем меньше глубина проникновения. Так частота 1-2 МГц является основной рабочей частотой при проведении эхоэнцефалографических обследований с глубиной проникновения ультразвука до 200 мм, а частота ультразвука 10 МГц широко используется в офтальмологии при глубине проникновения порядка 40 мм, в частности, при измерении диаметра зрительного нерва. Заявляемое устройство в процессе функционирования обеспечивает возможность изменения частоты сигнала излучения в зависимости от рабочей частоты подключенного ультразвукового датчика.
Работает устройство следующим образом. Входящий в состав тракта 1 формирования зондирующего сигнала формирователь 2 сигнала возбуждения формирует импульс возбуждения, длительность которого соответствует рабочей частоте ультразвукового датчика 4, а его период повторения соответствует анализируемой глубине зондирования. Амплитуда импульса возбуждения датчика, формируемая формирователем 3 импульса сигнала, соответствует установленной оператором уровню мощности излучения.
Ограничитель 5 сигнала предотвращает перегрузки тракта 6 приема эхо-сигналов на момент формирования импульса зондирования. Малошумящий входной усилитель 7 обеспечивает коэффициент усиления порядка 20 дБ. Полоса частот входного усилителя по уровню - 6 дБ: от 0.5 МГц - до 15 МГц. Усилитель 8 с временной автоматической регулировкой усиления обеспечивает перестройку усиления по глубине локации. Диапазон изменения коэффициента усиления составляет величину порядка 40 дБ.
Поскольку преобразование эхо-сигнала из аналоговой в цифровую форму должно производиться непосредственно на несущей частоте без потери амплитудно-фазовых характеристик сигнала, то аналого-цифровой преобразователь 9 выполнен реализующим частоту дискретизации порядка 60MSPS (~54 МГц), а разрядность выходных данных - 12 бит. Разрядность обрабатываемых данных в тракте 6 приема эхо-сигналов составляет величину 16-18 двоичных разрядов.
При формировании А-эхограммы сигналов цифровой процессор 10 выполняет следующие операции:
- синхронную демодуляцию сигнала путем переноса спектра сигнала на нулевую частоту и низкочастотной фильтрации; полоса фильтрации зависит от рабочей частоты датчика, и при этом изменяется в зависимости от глубины зондирования;
- формирование амплитуды (детектирование) сигнала;
- логарифмическое сжатие амплитуды сигнала;
- временное усреднение линий зондирования для подавления шумов.
Для выделения микросмещений структур мозга реализуется фазовый метод: для каждого зондирования производится синфазное детектирование эхосигнала и формируется значение фазы сигнала для одной или нескольких зон интереса. Изменение фазы эхосигнала от зондирования к зондированию позволяет достаточно точно отслеживать движения тканей, обусловленные ростом гематомы.
При гармоническом анализе пульсаций 3-го желудочка цифровым процессором 10 сигналов выполняется спектральный анализ. По командам, поступающим от управляющего процессора 11, синхронизатор 14 выполняет формирование временных диаграмм следующих сигналов:
- тактовые импульсы работы цифрового приемо-передатчика в целом;
- формирование синхросигналов начала зондирования;
- формирование стробов приема эхо-сигнала.
Управляющий процессор 11 с памятью выполняет следующие функции:
- управление трактами 1, 6 формирования зондирующего сигнала и приема эхо-сигналов;
- постобработку ультразвуковых данных;
- реализацию операций измерений;
- формирование на экране 12 текстовой графической информации;
- обслуживание клавиатуры, отображаемой на сенсорном экране 7;
- организацию обмена информацией через модули 16 и 19 интерфейсов Ethernet, USB соответственно в режиме проводной связи и через модуль 10 интерфейса Bluetooth в режиме беспроводной связи;
- управление схемой питания и зарядки аккумулятора 20.
Блок 15 питания обеспечивает электропитание устройства как от встроенного аккумулятора 20, так и от внешнего адаптера. При электропитании от встроенного аккумулятора 20 время непрерывной работы устройства не менее 4-х часов. В качестве используемого для электропитания внешнего адаптера используется медицинский источник питания, отвечающий требованиям на электробезопасность.
Для подключения изделия к внешним устройствам с помощью проводов реализуется стандартный модуль 19 интерфейса USB 2.0 со скоростью передачи данных до 480 Мбит/с. Режим беспроводной связи заявляемого устройства с внешними устройствами может быть реализован на основе использования модуля 18 интерфейса Bluetooth со скоростью передачи данных порядка 4 Мбит/с.
Подключение к локальным и глобальным сетям и доступа в Интернет реализуется по проводным каналам с помощью модуля 16 интерфейса Ethernet со скоростью передачи данных 10/100 Мбит/с или с помощью модуля 17 интерфейса WiFi, обеспечивающего беспроводной канал связи порядка 72 Мбит/с.
В зависимости от сделанных в устройстве установок запись данных может производиться автоматически при соблюдении определенных критериев к принимаемому эхо-сигналу (автоматический способ сбора данных), либо выполняться непосредственно оператором путем нажатия на соответствующий орган управления, обеспечивающий фиксацию А-эхограммы (ручной способ сбора данных). Процесс установки датчика и момент соблюдения критериев, предъявляемых к принимаемому эхо-сигналу, могут сопровождаться соответствующими звуковыми сигналами.
Автоматический способ записи и измерения положения пиков эхо-сигнала, порождаемых исследуемыми структурами тканей, существенно облегчает работу оператору, не имеющему достаточного опыта. В соответствии с автоматическим способом сбора данных изображение обновляется в реальном масштабе времени и не зафиксируется до тех пор, пока не будут соблюдены определенные критерии по амплитуде сигнала и форме А-эхограммы. Когда критерии соблюдены, автоматически фиксируется изображение А-эхограммы, и сохраняется результат в памяти управляющего процессора 11. Фиксация изображения сопровождается специальным звуковым сигналом, формируемым управляющим процессором 11 и подтверждающим, что измерение успешно проведено. В качестве критерия качества формируемого сигнала могут быть использованы следующие основные его признаки:
- наличие эхо-сигнала от исследуемой структуры тканей в определенной области по глубине зондирования;
- амплитудное преобладание над остальными эхо-сигналами;
- наибольшая устойчивость в определенной области глубины зондирования, т.е. способность сохранять относительно устойчивую амплитуду при изменении угла наклона датчика;
- линейная протяженность сигнала - расстояние, в пределах которой можно перемещать датчик без потери эхо-сигнала от исследуемой структуры.
В общем случае для выделения А-эхограммы с определенными характерными особенностями предусматривается установка одной или нескольких зон интереса для поиска и измерения пиков эхо-сигнала.
На основе ультразвуковой А-эхолокации устройство позволяет реализовать следующие методы оценки ВЧД:
- оценка ВЧД на основе анализа амплитуды пульсаций 3-го желудочка;
- оценка ВЧД на основе анализа частотных характеристик пульсаций 3-го желудочка;
- оценка ВЧД по диаметру зрительного нерва;
- мониторирование микросмещений срединных структур мозга.
Оценка ВЧД на основе неинвазивного измерения устройством физиологических параметров головного мозга с использованием нескольких датчиков обеспечит точность измерений, приемлемую для практической медицины. За счет портативного исполнения прибора появится возможность исследовать пациентов не только в условиях стационарных учреждений, но и непосредственно на выезде бригады скорой помощи, уже в первые часы после травмы головного мозга или инсульта.