ФОРМИРОВАНИЕ КОНТАКТА УЛЬТРАЗВУКОВОГО УСТРОЙСТВА
ULTRASONIC DEVICE CONTACT FORMATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к ультразвуковому устройству, содержащему преобразовательный узел для наложения на кожу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ультразвуковые волны находят различное применение в медицине. Одним таким применением является ультразвуковая визуализация, при этом ультразвуковые волны излучаются ультразвуковым устройством, содержащим решетку ультразвуковых преобразователей, в тело пациента, и отраженные эхо-сигналы ультразвуковых волн собираются ультразвуковыми преобразователями или специализированными ультразвуковыми приемниками и обрабатываются для формирования ультразвукового изображения, например, 1D (1-мерного), 2D (2-мерного) или 3D (3-мерного) ультразвукового изображения. Другое применение представляет собой ультразвуковую терапию, например, терапию высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуком (HIFU терапию), при которой ультразвуковые пучки формируются ультразвуковым устройством, содержащим блоки ультразвуковых преобразовательных элементов, и фокусируются на пораженной ткани. Сильное энергетическое воздействие в фокусе создает локальные температуры в диапазоне, приблизительно, от 65°C до 85°C, что разрушает пораженную ткань посредством коагуляционного некроза.
Такие применения сталкиваются с рядом проблем. Например, при применении для визуализации, нетривиальной задачей является достижение хорошего контакта между решеткой ультразвуковых преобразователей и частью тела, подлежащей визуализации. В процедурах ультразвуковой визуализации решающее значение имеет давление контакта. Очень слабое давление или отсутствие давления приводит к неудовлетворительному акустическому контакту. Сильное давление контакта приводит к дискомфорту, проблемам с безопасностью или ударному/механическому поражению. Надлежащий контакт обычно обеспечивают применением специальных гелей, которые улучшают контакт между решеткой ультразвуковых преобразователей и частью тела. Однако, данный метод имеет недостаток в том, что обычно требуется применять большие количества геля, который может заключать в себе воздушные пузырьки, которые создают помехи излучению или приему ультразвуковых сигналов. Кроме того, решетка ультразвуковых преобразователей, например, в форме датчика, обычно удерживается в руке во время процедуры визуализации, что делает процедуру подверженной ошибкам. Кроме того, существуют примеры, в которых ручное решение является нежизнеспособным, например, когда визуализацию выполняют из мест внутри тела. Это относится, например, к ультразвуковым преобразователям большой площади (например, носимым УЗ накладкам) и чреспищеводным эхокардиографическим (TEE) датчикам, когда, как известно, сложно создать хороший контакт между ультразвуковыми преобразователями и областью тела, подлежащей визуализации или лечению. Ручная манипуляция ультразвуковыми датчиками также усложняется, когда визуализацию выполняют как часть процесса контроля в течение длительных периодов времени, например, больше нескольких часов, либо непрерывно, либо в виде нескольких событий визуализации, распределенных в продолжении времени контроля.
Аналогичные проблемы существуют при терапевтическом применении, когда сфокусированный пучок нуждается в периодической перенастройке, чтобы воздействовать на несколько областей пораженной ткани. Перенастройку можно выполнять вручную настройкой блока фокусирующих элементов или управлением направлением пучка посредством настройки относительных фаз сигналов, генерируемых соответствующими ультразвуковыми преобразовательными элементами. Ручная настройка сопряжена с неточностями, и диапазон изменения фазоуправляемой направленности пучка может быть не достаточным для охвата всей пораженной ткани без смещения решетки.
Следовательно, существует потребность в оценке качества контакта между решеткой ультразвуковых преобразователей и телом, подлежащим воздействию ультразвуковыми волнами, производимыми решеткой ультразвуковых преобразователей, чтобы можно было исключить или исправить субоптимальную работу ультразвукового устройства, обусловленную конформным контактом низкого качества между решеткой ультразвуковых преобразователей и телом.
Заявка WO 2016/096391 раскрывает ультразвуковой датчик, который включает в себя функции измерения давления на кожу и управления положением ультразвукового преобразователя. Заявка US 2004/236223 раскрывает ультразвуковой датчик, который включает в себя измерительную функцию, например, измерения давления. Заявка US 2010/016727 раскрывает другую конструкцию ультразвукового преобразователя, и заявка US 2015/272544 раскрывает ультразвуковой пульсометр.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание ультразвуковой системы, включающей в себя такое ультразвуковое устройство, с которым ультразвуковая система выполнена с возможностью регулировки давления контакта соответственно оценке качества контакта между преобразовательным узлом и телом, подлежащим воздействию ультразвуковыми волнами, производимыми преобразовательным узлом, обеспечиваемой ультразвуковым устройством.
Изобретение предлагает ультразвуковое устройство, содержащее:
преобразовательный узел; акустически пропускающее окно поверх упомянутого узла, при этом упомянутое окно содержит эластомерный слой, содержащий проводящие частицы, диспергированные в эластомере, причем эластомерный слой имеет чувствительную к давлению электропроводность; узел электродов, соединенный с упомянутым эластомерным слоем и выполненный с возможностью обеспечения измерения упомянутой чувствительной к давлению электропроводности; исполнительный элемент на основе электроактивного материала для поджима преобразовательного узла к пропускающему окну; и контроллер для управления исполнительным элементом на основе электроактивного материала в зависимости от измеренной, чувствительной к давлению электропроводности.
Данное устройство обеспечивает контроль давления контакта между ультразвуковым преобразователем и поверхностью (т.е. кожей), на которую его накладывают. Это выполняется посредством акустически пропускающего окна, которое имеет чувствительную к давлению электропроводность. Когда окно приведено в контакт с телом, подлежащим измерению, и, следовательно, испытывает определенное давление контакта, электропроводность можно измерить, и значение можно использовать для определения или представления давления контакта. Данная контролируемая электропроводность или давление контакта, которое она представляет, используется в качестве параметра обратной связи для управления (срабатыванием) исполнительным элементом на основе электроактивного материала таким образом, чтобы поджимать или смещать преобразователь к коже. Это может осуществляться для восстановления контакта между преобразователем и телом, подлежащим измерению, если контакт утерян, и/или для усиления давления контакта с данным телом, если оно стало ниже предварительно заданного порога. Следовательно, таким образом замыкается контур управления с обратной связью.
Преобразовательный узел механически связан с пропускающим окном. Таким образом, поджим исполнительного элемента может передаваться на пропускающее окно, которое должно контактировать с телом, подлежащим обследованию. Данная механическая связь может быть и, предпочтительно, является прямой связью, при которой преобразовательный узел находится в контакте с пропускающим окном. В качестве альтернативы, связь может быть через промежуточные слои или объекты, которые могут быть частью пропускающего окна или нет. Такие слои должны быть также способны пропускать ультразвуковое излучение из преобразовательного узла в тело, подлежащее обследованию.
Следовательно, контроллер предназначен также для измерения чувствительной к давлению электропроводности. Контроллер предпочтительно выполнен с возможностью измерения электропроводности многократно через предварительно заданные временные промежутки, которые могут быть равными промежутками или неравными промежутками.
Устройство предпочтительно способно также снижать давление контакта, если оно становится слишком сильным. В таком случае уровень срабатывания можно снизить до требуемого уровня. Для этого можно использовать такой же контур обратной связи. Контроллер может быть также выполнен с возможностью обеспечения данной функции. Чтобы способствовать снижению давления, когда срабатывание уменьшается, можно использовать поджимную пружину, противодействующая поджиму, вызываемому срабатыванием. Некоторые исполнительные элементы могут замедленно переключаться с высокого на низкий уровень срабатывания, и пружина может способствовать ускорению переключения и, следовательно, скорости обратной связи. Для этого можно даже использовать дополнительный исполнительный элемент, который действует противоположно исполнительному элементу для усиления давления контакта, в сочетании с соответствующей обратной связью и управлением контроллером. Исполнительные элементы можно применять в режиме противодействия друг другу.
Таким образом, ультразвуковое акустическое окно, чувствительное к давлению, сочетают с исполнительным элементом на основе электроактивного материала, чтобы обеспечить систему управления акустическим контактом с тканью. Окно можно оптимизировать в отношении акустического импеданса, акустического затухания, а также чувствительности к давлению. Во время ультразвуковых процедур на/в теле, давление контакта с телом может измеряться и регулироваться.
Важное преимущество конфигурации состоит в том, что она обеспечивает измерение давления контакта там, где оно является наиболее релевантным, а именно, в местоположении, в котором происходит ультразвуковая визуализация. Давление измеряется в точке контакта между телом и ультразвуковым преобразователем, и ультразвуковые волны эффективно проходят через датчик по меньшей мере локально. Тип применяемого датчика давления обеспечивает регулировку или оптимизацию коэффициента пропускания ультразвукового излучения таким образом, что оно может быть в по меньшей мере некоторой степени акустически согласовано с телом, подлежащее обследованию, что обеспечивает возможность ослабления помех ультразвуковым измерениям со стороны датчика. Измерение давления контакта с использованием датчиков давления, расположенных рядом с ультразвуковым преобразовательным узлом, не обеспечивает такого преимущества, и, следовательно, является менее точным. Устройство может быть реализовано с небольшими затратами и с низким потреблением мощности.
Давление контакта имеет особое значение для применения внутри тела, например, для процедур внутри пищевода, легких и т.п., тогда как акустический контакт имеет особое значение для применения на теле.
Изобретение применимо, например, в течение минимально инвазивных процедур или для носимой ультразвуковой аппаратуры. Если контакт, определяемый измерением давления, отсутствует, то ультразвуковой преобразователь можно выключать для продления, тем самым, срока службы.
Для некоторых применений, эластомерный слой может иметь акустический импеданс, который согласован с акустическим импедансом тела, подлежащего воздействию ультразвуковыми волнами, производимыми ультразвуковым устройством, и/или с акустическим импедансом преобразовательного узла. Это обеспечивает эффективный акустический контакт между эластомерным слоем и телом и/или преобразовательным узлом, что минимизирует потери ультразвуковых волн, например, на отражение. Тело может быть телом человека или животного, и тогда согласование должно быть с таким телом.
В варианте осуществления акустический импеданс эластомерного слоя находится в диапазоне 1,3-3,0 МРэлей, при этом предпочтительно акустический импеданс находится в диапазоне 1,3-1,9 МРэлей. Это делает, например, эластомерный слой особенно подходящим для применения, например, с пьезоэлектрическими преобразовательными элементами и емкостными ультразвуковыми преобразовательными элементами, изготовленными микрообработкой, (CMUT элементами), при этом последние преобразовательные элементы особенно хорошо согласуются с эластомерным слоем, имеющим акустический импеданс в диапазоне 1,3-1,9 МРэлей.
Преобразовательный узел обычно выполнен с возможностью генерации ультразвуковых волн, имеющих минимальную длину волны в теле, подлежащем воздействию формируемыми ультразвуковыми волнами. В предпочтительном варианте, проводящие частицы имеют максимальный диаметр меньше, чем 10% от упомянутой минимальной длины волны, чтобы минимизировать отражения или рассеяние ультразвуковых волн проводящими частицами.
Эластомер может быть полиолефином, диеновым полимером или полисилоксаном, сополимером или блок-сополимером, содержащим полиолефин, диеновый полимер или полисилоксан, или их смесь, при этом эластомер предпочтительно является полибутадиеном или полидиметилсилоксаном. Такие эластомеры проявляют требуемые эластомерные свойства при типичных температурах, при которых на тело воздействуют ультразвуковыми волнами, например, при комнатной температуре или температуре тела для тела пациента, а также проявляют акустические импедансы, которые можно подстраивать включением проводящих частиц, чтобы обеспечить требуемый акустический импеданс ниже порога перколяции эластомера.
Проводящие частицы могут быть проводящими частицами любого подходящего типа, например, частицами из углерода, частицами из углеродного композита, керамическими частицами, металлическими частицами, частицами из металлического сплава, композиционными металлическими частицами и частицами из проводящего оксида металла или их комбинаций. Проводящие частицы или комбинацию проводящих частиц можно выбирать, исходя из требуемых акустических функций чувствительного к давлению эластомерного слоя, например, чтобы настраивать акустический импеданс чувствительного к давлению эластомерного слоя.
В варианте осуществления эластомерный слой содержит смесь проводящих частиц и непроводящих частиц. Включение непроводящих (электризоляционных) частиц может способствовать повышению акустического импеданса эластомерного слоя.
В варианте осуществления объем проводящих частиц в эластомерном слое равен по меньшей мере 15% по объему от общего объема эластомерного слоя. Выяснилось, что независимо от характера проводящих частиц, эластомерные слои имеют высокую чувствительность к давлению, если количество проводящих частиц в эластомерном слое составляет по меньшей мере 15% по объему, но является ниже порога перколяции эластомерного слоя для эластомерного слоя, в котором проводящие пути образуются при приложении давления к эластомерному слою, или выше порога перколяции эластомерного слоя для эластомерного слоя, в котором проводящие пути обрываются при приложении давления к эластомерному слою.
Эластомерный слой может иметь толщину в диапазоне 10-200 мкм в по меньшей мере некоторых из вариантов осуществления. Выяснилось, что эластомерный слой, имеющий толщину в приведенном диапазоне, проявляет сильный отклик проводимости на приложенное давление, хотя, в то же время, вызывает минимальные потери ультразвуковых волн, излучаемых преобразовательным узлом сквозь акустически пропускающее окно. В варианте осуществления эластомерный слой может являться частью слоя согласования импедансов и может быть реализован в виде λ/4 (четвертьволнового) слоя, где λ является длиной волны ультразвуковых волн, распространяющихся сквозь эластомерный слой. В зависимости от типичных длин волн подводимых ультразвуковых волн, такой эластомерный слой может иметь толщину в диапазоне 10-100 мкм.
В некоторых вариантах осуществления эластомерный слой проложен внутри узла электродов. В особенно полезном варианте осуществления узел электродов содержит матрицу электродов, выполненную с возможностью измерения чувствительной к давлению электропроводности отдельных участков эластомерного слоя. В данном варианте осуществления, в частности, можно получить очень подробную информацию, касающуюся качества контакта между ультразвуковым устройством и телом, подлежащим воздействию ультразвуковыми волнами, благодаря тому, что для каждой электродной ячейки матрицы электродов можно независимо получать такую информацию о контакте. Эластомерный слой может быть непрерывным слоем или может быть структурированным слоем в данном варианте осуществления, при этом структурированный слой содержит множество участков эластомерного слоя, и каждый из упомянутых участков расположен внутри одной из ячеек матрицы электродов.
Исполнительный элемент на основе электроактивного материала может содержать множество отдельно управляемых исполнительных элементов на основе электроактивного материала, при этом управление разными исполнительными элементами множества исполнительных элементов на основе электроактивного материала выполняется в зависимости от чувствительной к давлению электропроводности, измеренной разными отдельными участками эластомерного слоя. В предпочтительном варианте исполнительные элементы предназначены для поджима преобразователя в местоположении участка эластомерного слоя, из которого он принимает сигнал обратной связи об электропроводности/давлении.
Таким образом, ультразвуковое устройство может содержать по меньшей мере второй исполнительный элемент на основе электроактивного материала, при этом контроллер выполнен с возможностью управления первым и вторым исполнительными элементами на основе электроактивного материала, чтобы реализовать профиль давления контакта. Следовательно, сигнал обратной связи по давлению для первого и второго исполнительных элементов может приходить от разных участков эластомерного слоя.
Каждый исполнительный элемент на основе электроактивного материала может содержать исполнительный элемент на основе электроактивного полимера. Данный элемент может быть одним из множества вышеупомянутых исполнительных элементов.
Акустически пропускающее окно может дополнительно содержать дополнительный эластомерный слой, содержащий диспергированные в нем проводящие частицы и, опционально, диспергированные в нем электроизоляционные частицы, при этом эластомерный слой имеет температурно-чувствительную электропроводность, ультразвуковое устройство дополнительно содержит дополнительный узел электродов, соединенный с упомянутым дополнительным эластомерным слоем, выполненный с возможностью измерения упомянутой температурно-чувствительной электропроводности. Такой дополнительный эластомерный слой можно независимо оптимизировать для обеспечения информации о температуре дополнительно к информации о давлении, обеспечиваемой эластомерным слоем. Такую информацию о температуре можно использовать, например, для измерения качества контакта между ультразвуковым устройством и телом пациента и/или для предотвращения перегрева ультразвукового устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения будут подробно описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 - изображение устройства на основе электроактивного материала, которое не прикреплено к несущему слою;
Фигура 2 - изображение устройства на основе электроактивного материала, которое сконструировано так, что расширение происходит только в одном направлении;
Фигура 3 - изображение ультразвукового устройства;
Фигура 4 - модификация устройства, показанного на фигуре 3;
Фигура 5 - изображение полимера, наполненного проводящими частицами;
Фигура 6 - изображение возможного чувствительного к давлению слоя в форме матрицы адресуемых элементов;
Фигура 7 - пример характеристики полимера, наполненного проводящими частицами; и
Фигура 8 - схема ультразвуковой системы, использующей устройство.
Следует понимать, что фигуры являются всего лишь схематическими и вычерчены не в масштабе. Также следует понимать, что одинаковые числовые позиции на всех фигурах обозначают одинаковые или сходные части.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В контексте настоящей заявки, термин «проводящий» означает «электропроводящий», если прямо не оговорено иное. Аналогично, термин «непроводящий» означает «электроизоляционный», если прямо не оговорено иное. Вместо электропроводности, можно измерять удельное сопротивление. Этот подход является эквивалентным, так как электропроводность и удельное сопротивление являются параметрами для указания на то, в какой степени материал способен проводить ток.
Сигнал обратной связи может быть в форме измеренного значения тока или измеренного параметра напряжения. Аналогично, значение удельного сопротивления или электропроводности можно вычислить по результатам измерения напряжения и тока.
Изобретение применяет исполнительный элемент, использующий электроактивный материал (EAM). Данный материал относится к классу материалов из области электрочувствительных материалов. При реализации в исполнительном устройстве, воздействие электрического сигнала возбуждения на EAM может заставить их изменять размер и/или форму. Данный эффект можно использовать в целях срабатывания и измерения. При срабатывании, выходной результат таких исполнительных элементов может быть в форме хода и/или напряжения, например, усилия или смещения, или давления.
Существуют неорганические и органические EAM.
Специальный вид органических EAM представляет собой электроактивные полимеры (EAP), некоторые из которых называются также электрочувствительными материалами. Они также могут работать как датчики или исполнительные элементы, но могут легче изготавливаться с приданием им различных форм, обеспечивающих несложное встраивание во множество систем, по сравнению с их неорганическими аналогами. Другие преимущества EAP включают в себя низкое потребление мощности, малый форм-фактор, гибкость, бесшумную работу и точность, возможность высокого разрешения, короткое время срабатывания и цикличность срабатывания. Устройство на основе технологии EAP (EAP устройство) можно применить в любой аппаратуре, в которой требуется небольшое перемещение компонента или конструктивного элемента, исходя из электрического приведения в действие. Аналогично, технологию можно применять для измерения небольших перемещений. Применение EAP делает возможными функции, которые были невозможны до этого, или предлагает серьезное преимущество над обычными решениями датчика/исполнительного элемента благодаря сочетанию относительно больших деформации и усилия в небольшом объеме или тонком форм-факторе, в сравнении с обычными исполнительными элементами. Полимеры типа EAP обеспечивают также бесшумную работу, точное электронное управление и широкий диапазон возможных частот срабатывания, например, 0-20 кГц.
В качестве примера возможной конструкции и возможной работы устройства на основе EAM (EAM устройства), на фигурах 1 и 2 представлены два возможных режима работы EAP устройства, которое содержит слой 14 электроактивного полимера между электродами 10, 12, находящимися на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.
Фигура 1 представляет устройство, которое не прикреплено к несущему слою. Чтобы вызвать расширение слоя электроактивного полимера во всех показанных направлениях, прикладывают напряжение.
Фигура 2 представляет устройство, которое сконструировано так, что расширение происходит только в одном направлении. С данной целью структура на фигуре 1 прикреплена или зафиксирована к несущему слою 16. Подаваемое напряжение вынуждает слой электроактивного полимера изгибаться или выгибаться. Характер данного перемещения обусловлен взаимодействием между активным слоем, который расширяется при возбуждении, и пассивный несущий слой, который не расширяется.
Следует отметить, что исполнительные элементы на основе неорганического EAM также можно изготавливать и применять, как описано для EAP устройств на фигурах 1 и 2.
Фигура 3 представляет ультразвуковое устройство, содержащее преобразовательный узел 30 и акустически пропускающее окно 32 над упомянутым преобразовательным узлом. Окно 32 содержит эластомерный слой, содержащий проводящие частицы, диспергированные в эластомере слоя, при этом эластомерный слой имеет чувствительную к давлению электропроводность. Узел электродов, соединенный с эластомерным слоем, выполнен с возможностью формирования сигналов, обеспечивающих измерение чувствительной к давлению электропроводности.
Устройство дополнительно содержит исполнительный элемент 34 на основе электроактивного материала для смещения преобразовательного узла 30 к пропускающему окну 32, с поджимом, тем самым, пропускающего окна 32 к телу 36, например, коже обследуемого пациента. Контакт с телом осуществляется пропускающим окном, которое находится между преобразовательным узлом и телом. Контроллер 38 предусмотрен для управления исполнительным элементом на основе электроактивного материала, в зависимости от измеренной, чувствительной к давлению электропроводности. Таким образом, контроллер выполнен с возможностью приема с электродов и/или подачи на электроды сигналов, необходимых для измерения чувствительной к давлению электропроводности или удельного сопротивления, и, при необходимости, манипуляции принятыми сигналами перед подачи сигнала обратной связи в исполнительный элемент.
В показанном примере, слой электроактивного материала ограничен в поперечном направлении в держателе, так что смещение происходит в нормальном направлении. Таким образом, держатель преобразует поперечное расширение в изгиб и, следовательно, в приложение нормального усилия. Возможно также применение конфигурации с подслоем, описанной со ссылкой на фигуру 2, даже без ограничения. Возможны другие геометрические схемы расположения, например, без расширения в направлении, в котором должно прилагаться усилие, вместо перпендикулярного, как в примере на фигуре 3.
В данном примере исполнительный элемент обеспечивает поджим к нижней части преобразовательного узла, который передает поджим к пропускающему окну, которое имеет механический контакт с верхней частью преобразовательного узла. Применимы и другие механические связи между преобразовательным узлом и окном. Например, исполнительный элемент или множество исполнительных элементов может/могут располагаться сбоку преобразователя. Исполнительный элемент может быть расположен для толкания рычажного узла или пружины, чтобы передавать ее поджим к окну. Применимы многие другие конфигурации, но все они используют тот же принцип, основанный на измерении локального давления контакта и его использовании в качестве обратной связи вновь для управления давлением контакта.
В одном устройстве может быть по меньшей мере два таких исполнительных элемента, распределенных по зоне под преобразователем. В предпочтительном варианте, они могут быть управляемыми по-отдельности (могут срабатывать независимо). Это обеспечивает более локализованные изменение и регулирование давления контакта, особенно, если обратная связь по давлению контакта с каждым из отдельных исполнительных элементов обеспечивается от отдельных участков из множества участков пропускающего окна. В таком случае сигнал обратной связи от каждого из исполнительных элементов предпочтительно поступает с участка окна, расположенного непосредственно между исполнительным элементом, который посылает обратно данные его электропроводности, и частью тела, с которой упомянутый участок находится в контакте. Кроме того, можно представить, что такое устройство содержит несколько устройств, показанных на фигуре 3, вплотную друг к другу в одном/ой ультразвуковом/ой устройстве/системе. Контроллеры могут быть отдельными или объединяться в одном. Множество участков окна и исполнительные элементы могут располагаться в виде решеток с рядами и столбцами.
В одном возможном примере фиксированный уровень давления контакта настраивается автоматически или пользователем, и фактическое давление контакта регулируется контроллером до данного уровня. Настроенные уровни давления могут быть равными по всему преобразователю, если применяются матричный датчик давления и несколько исполнительных элементов (или сегменты исполнительного элемента), но эти уровни могут различаться, если требуется градиент давления контакта по поверхности тела. Настроенные значения можно изменять с течением времени.
Например, в первый момент времени требуется первый набор условий ультразвуковой визуализации, а на более поздней стадии требуется другой набор таких условий. Таким образом, можно повышать или снижать настраиваемое значение давления, т.е. обеспечивать регулировку на данном уровне, например, в зависимости от качества изображения или комфорта, или положения на теле, или конкретных параметров (кожи) пациента.
2
Типичные примеры регулируемых уровней давления могут находиться в диапазоне 0,01-0,1 Н/см, но равным образом возможны и другие уровни давления, в зависимости от применения.
Ультразвуковая система в целом может содержать множество блоков ультразвуковых преобразователей, каждый, как показано на фигуре 3, на несущей конструкции, формирующих решетку.
Узел 30 ультразвуковых преобразователей может содержать один или более элементов, например, пьезоэлектрических преобразовательных элементов или CMUT элементов, где CMUT означает емкостные ультразвуковые преобразователи, изготовленные микрообработкой. CMUT представляют собой преобразователи, в которых преобразование энергии происходит вследствие изменения емкости. CMUT изготавливают на кремнии, с использованием методов микрообработки. Полость формируется в кремниевой подложке, и тонкий слой, надстроенный в верхней части полости, служит мембраной, на которой металлизированный слой действует как электрод вместе с кремниевой подложкой, которая служит нижним электродом. Если на смещенные электроды подают сигнал переменного тока, то колеблющаяся мембрана будет создавать ультразвуковые волны в среде интереса. В данном случае она работает как излучатель. С другой стороны, если на мембрану смещенного CMUT воздействовать ультразвуковыми волнами, CMUT будет генерировать сигнал переменного тока, так как его емкость будет изменяться. Таким образом, CMUT работает как приемник ультразвуковых волн. Более подробное описание можно найти в литературе, например, в «General Description and Advantages of CMUTs», Stanford University, archived from the original on 20 July 2011, retrieved 7 February 2011, или в «Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Next-Generation Arrays for Acoustic Imaging» (PDF). IEEE Transactions on UFFC, Vol. 49, published November 2002, и в ссылках в последней работе.
В конкретном предпочтительном варианте осуществления, ультразвуковая система содержит множество блоков CMUT. Отдельные CMUT элементы на каждом блоке расположены, например, с возможностью работы в, так называемом, прижатом режиме, как подробно поясняется в дальнейшем.
Узел 30 ультразвукового преобразователя излучает ультразвуковые волны сквозь акустическое пропускающее окно 32, которое связано с преобразовательным узлом 30, а именно, с излучающей поверхностью ультразвуковых преобразовательных элементов или элементов преобразовательного узел 30. Акустическое окно 32 защищает преобразовательный узел от прямого контакта и, следовательно, защищает преобразовательный узел от повреждения, а также защищает тело, подлежащее воздействию ультразвуковыми волнами, производимыми решеткой преобразователей, от прямого контакта с решеткой преобразователей, например, чтобы защитить тело от случайного поражения электрическим током.
Пропускающее окно дополнительно обеспечивает согласование импедансов между решеткой преобразователей и телом.
Пропускающее окно 32 содержит эластомерный слой, содержащий проводящие частицы, диспергированные в эластомерном слое, чтобы сообщать чувствительную к давлению электропроводность эластомерному слою. Эластомер обеспечивает электроизоляционное связующее для проводящих частиц. Проводящие частицы находятся в эластомере в концентрации ниже порога перколяции эластомера, т.е. ниже предела, при котором проводящие частицы формируют постоянные проводящие пути сквозь эластомерный слой, т.е. имеют постоянный контакт друг с другом. Наоборот, такие проводящие пути временно формируются приложением давления к эластомерному слою, что вызывает изменение, например, снижение, электрического сопротивления эластомерного слоя. Изменение давления, прилагаемого к эластомерному слою, обычно вызывает изменение числа и/или длины проводящих путей, формируемых проводящими частицами сквозь эластомерный слой, так что изменение давления, прилагаемого к эластомерному слою, обычно вызывает изменение электрического сопротивления данного слоя.
Поэтому, электрическое сопротивление эластомерного слоя обеспечивает показание о контакте между преобразовательным узлом ультразвукового устройства и поверхностью, приводимой в контакт с пропускающим окном, например, частью тела пациента, подлежащего воздействию ультразвуковыми волнами.
В качестве альтернативы, проводящие частицы могут находиться в эластомере в концентрации выше порога перколяции эластомера, т.е. выше предела, при котором проводящие частицы формируют постоянные проводящие пути сквозь эластомерный слой, т.е. имеют постоянный контакт друг с другом. В данном варианте осуществления такие проводящие пути временно разрываются при приложении давления к эластомерному слою, что вызывает изменение, например, повышение, электрического сопротивления эластомерного слоя.
Для обеспечения высокой чувствительности к давлению в эластомерном слое, концентрация проводящих частиц в эластомерном слое предпочтительно составляет по меньшей мере 15% по объему от общего объема эластомерного слоя и, более предпочтительно, приближается к порогу перколяции эластомера, например, ниже или выше порога перколяции, чтобы максимизировать пьезоэлектрическую чувствительность эластомера, например, концентрация проводящих частиц в эластомерном слое может составлять 15-25% по объему от общего объема эластомерного слоя.
Эластомерный слой, предпочтительно, акустически согласован с акустическим импедансом решетки преобразователей, т.е. имеет акустический импеданс, который приблизительно согласуется с акустическим импедансом решетки преобразователей. Например, в случае решетки преобразователей, содержащей пьезоэлектрические преобразователи, эластомерный слой может иметь акустический импеданс в диапазоне 1,3-3,0 МРэлей, тогда как, в случае решетки преобразователей, содержащей CMUT элементы, эластомерный слой может иметь акустический импеданс в диапазоне 1,3-1,9 МРэлей, что дает дополнительное преимущество в том, что акустический импеданс точно согласуется с акустическим импедансом ткани тела, которая обычно имеет акустический импеданс около 1,6 МРэлей.
В примерном варианте осуществления эластомерный слой имеет акустический импеданс в диапазоне 1,4-1,7 МРэлей.
Акустический импеданс эластомерного слоя можно подстраивать выбором эластомера, т.е. выбором эластомера, имеющего подходящий собственный акустический импеданс, при этом собственный акустический импеданс можно регулировать включением проводящих частиц, имеющих дополнительный собственный акустический импеданс, так что общий акустический импеданс эластомерного слоя определяется сочетанием собственного акустического импеданса эластомера и дополнительного собственного акустического импеданса проводящих частиц. С приведенной целью можно использовать смесь проводящих частиц, имеющих разные собственные акустические импедансы.
Например, акустический импеданс эластомерного слоя можно подстраивать выбором проводящих частиц, имеющих конкретную плотность и/или размер, так как акустический импеданс Z частицы можно выразить в виде Z=v×ρ, где v является скоростью звука, и ρ является плотностью частицы. Следовательно, чтобы повысить собственный акустический импеданс эластомера эластомерного слоя, можно использовать относительно тяжелые (плотные) частицы.
В качестве эластомера для эластомерного слоя можно применить любой подходящий эластомер.
Например, эластомер может быть полиолефином, диеновым полимером или полисилоксаном, сополимером или блок-сополимером, содержащим полиолефин, диеновый полимер или полисилоксан, или их смесь, однако, варианты осуществления не ограничены перечисленным. Полибутадиен, полидиметилсилоксан и относительно мягкие полиэфирблокамиды (PEBA), обычно применяемые в катетерах, упоминаются, в особенности, как подходящие эластомеры.
В эластомерном слое можно применять любые подходящие проводящие частицы. Например, проводящие частицы могут содержать по меньшей мере какие-то одни из частиц из углерода, например, частиц графита или графена, частиц из углеродного композита, керамических частиц, металлических частиц, частиц из металлического сплава, композиционных металлических частиц и частиц из проводящего оксида металла, хотя варианты осуществления не ограничены приведенными частицами.
В по меньшей мере некоторых вариантах осуществления эластомерный слой содержит смесь проводящих частиц и непроводящих частиц. Включение непроводящих частиц может быть полезно для подстройки акустического импеданса эластомерного слоя. Например, непроводящие частицы могут быть частицами, имеющими относительно высокую плотность, чтобы небольшое относительное содержание непроводящих частиц в общем относительном содержании частиц (т.е. непроводящих частиц+проводящих частиц) в эластомерном слое могло значительно повысить акустический импеданс эластомерного слоя, без значительного снижения его пьезоэлектрической чувствительности. С данной целью можно применить любые подходящие непроводящие частицы или смесь непроводящих частиц. В качестве неограничивающего примера, непроводящие частицы могут быть керамическими частицами, например, частицами оксидов переходных металлов, нитрида, карбида, оксидов высокоплотных металлов, нитрида, карбида и так далее.
В варианте осуществления эластомерный слой имеет толщину в диапазоне 10-200 мкм, например, 150 мкм. Если толщина эластомерного слоя превосходит 200 мкм, то может ухудшиться гибкость эластомерного слоя. Если толщина эластомерного слоя меньше 10 мкм, то может усложняться достижение требуемой чувствительности к давлению в эластомерном слое.
В конкретном варианте осуществления чувствительный к давлению эластомерный слой может быть согласующим слоем, имеющим толщину λ/4, чтобы предотвращать отражения ультразвуковых волн с длиной волны λ, проходящих сквозь эластомерный слой. Например, скорость v распространения ультразвуковых волн сквозь PDMS (полидиметилсилоксан) равна 1000 м/сек. Для ультразвуковых волн, имеющих частоту f 10 МГц, λ=v/f=100 микрометров. Посредством выбора для слоя PDMS толщину d=25 микрометров, масштабные отражения 10-МГц ультразвуковых волн эластомерным слоем эффективно исключаются. Специалисту сразу же будет очевидно из вышеприведенного, что толщину d эластомерного слоя можно подстраивать с учетом скорости v распространения ультразвуковых волн сквозь эластомерный слой, а также с учетом основной или центральной частоты f ультразвуковых волн, генерируемых ультразвуковым устройством.
Ультразвуковое устройство может быть выполнено с возможностью генерации ультразвуковых волн в конкретном диапазоне длин волн в теле пациента. Например, ультразвуковые волны в диапазоне 7-12 МГц, соответствуют длине волны около 0,1-0,2 мм в теле пациента. Максимальный размер частиц проводящих частиц в эластомерном слое предпочтительно выбирают в соответствии с диапазоном длин волн ультразвуковых волн, которые может производить ультразвуковое устройство, чтобы минимизировать отражение ультразвуковых волн, исходящих из решетки преобразователей (или ультразвуковых эхо-сигналов, возвращающихся в ультразвуковое устройство). По данной причине, проводящие частицы и непроводящие частицы, в случае присутствия последних, предпочтительно имеют максимальный диаметр меньше 10% от минимальной ультразвуковой длины волны, которую может создавать ультразвуковое устройство.
В контексте настоящей заявки, термин «максимальный диаметр» относится к максимальному размеру поперечного сечения (не)проводящих частиц и не предполагает ограничения формы (не)проводящих частиц сферическими частицами. (Не)проводящие частицы могут иметь любую подходящую форму, например, могут быть сферическими, пластинками, чешуйками, наночастицами, включая наночастицы типа ядро-оболочка, нанопроволочками, наностержнями, нанотрубками и так далее.
Узел электродов, соединенный с эластомерным слоем, расположен, например, по периферии эластомерного слоя, т.е. расположен по по меньшей мере одному краю эластомерного слоя. Контроллер 38 выполняет функцию измерительной схемы, которая, например, подает напряжение на эластомерный слой с узлом электродов и измеряет получаемый ток, протекающий через эластомерный слой. В качестве альтернативы, контроллер 38 может быть выполнен с возможностью пропускания тока через эластомерный слой с узлом электродов и измерения получаемого падения напряжения на эластомерном слое, чтобы определить его удельного сопротивления. Специалисту немедленно обнаружит другие подходящие способы измерения пьезоэлектрического удельного сопротивления эластомерного слоя.
Пропускающее окно 32 может содержать дополнительные акустически прозрачные слои. На фигуре 3 показан дополнительный внешний слой 40. Он может служить для защиты эластомерного слоя 32 от повреждения и для защиты пациента от случайного поражения электрическим током во время электропроводности эластомерного слоя.
Внешний слой 40 может содержать, например, смесь термопластического полимера, выбранного из семейства полиолефинов, (термопластического полиолефина или TPO) и эластомера, выбранного из семейства полиолефинов (полиолефиновый эластомер или POE). Термопластические полимеры демонстрируют упругопластические свойства и являются термоформуемыми (обладающие свойствами размягчения или сплавления при нагревании и затвердевании снова при охлаждении). Данная способность к формоизменению является обратимой, другими словами, может повторяться так часто, как требуется, пока материал не разрушается термически вследствие перегрева. В форме термопластического полиолефина, например, по сравнению с насыщенными углеводородами, семейство полиолефинов обеспечивает термопластический полимер с относительно высокой молекулярной массой. Введение полиолефинового эластомера в смесь полиолефинового термопластического полимера, используемого для внешнего слоя, может обеспечить усиленное затухание сдвиговых волн, которое эффективно ослабляет взаимные помехи между элементами ультразвукового преобразователя разных блоков ультразвукового преобразователя. Следовательно, пропускающее окно 32 ультразвукового устройства может включать в себя внешний слой, сформированный из смеси термопластического полиолефина и полиолефинового эластомера, чтобы обеспечить ослабление артефактов изображения во время ультразвуковой визуализации.
Введение полиолефинового эластомера в смесь с термопластическим полиолефином может изменить плотность смеси по сравнению с чистым термопластиком, так что акустический импеданс внешнего слоя можно эффективно регулировать для согласования с акустическим импедансом эластомерного слоя и/или акустическим импедансом мягкой ткани (который приблизительно равен 1,6 МРэлей). Другие акустические свойства внешнего слоя, например, скорость акустических волн, рассеяние акустической энергии и затухание сдвиговых волн, также можно подстраивать выбором отличающегося отношения концентрации эластомера, подмешанного в термопластический полимер. Термопластический полиолефин желательно использовать на внешнем слое, что может обеспечить механическую прочность без ущерба качеству ультразвукового изображения.
Примерным материалом для термопластических полимеров, используемых во внешнем слое 40, является полиметилпентен (поли-4-метилпентен-1). Материал полиметилпентен (выпускаемый компанией Mitsui под товарным знаком TPX) демонстрирует слабое затухание продольных акустических волн. В данном контексте, продольное затухание соответствует снижению амплитуды волны, при распространении от внутренней поверхности пропускающего окна 32, расположенной напротив решетки преобразователей, к внешней поверхности акустического окна 32. В диапазоне частот от 0 до 10 МГц, полиметилпентен характеризуется значением ослабления ниже 3 дБ/мм для ультразвуковых частот вплоть до 10 МГц.
Посредством создания полимера, наполненного температурно-чувствительными частицами, можно обеспечить тепловую защиту. Например, преобразователь может выключаться, если температуры повышаются сверх допустимого уровня. Возможно также наличие двух чувствительных слоев, из которых один является температурно-чувствительным, и другой является чувствительным к давлению, или же единственный слой может выполнять обе функции.
Между преобразовательным узлом и пропускающим окном 32 может быть также обеспечен внутренний слой. Данный слой электрически изолирует решетку преобразователей от эластомерного слоя.
Международная патентная заявка № PCT/EP 2017/059907 обеспечивает реализации пропускающего окна с измерением чувствительной к давлению электропроводности. Данная заявка включена в настоящую заявку путем отсылки. Заявка представляет подробную информацию о материалах, вариантах конструкции и измерении сигнала обратной связи, которые можно использовать с устройством по настоящему изобретению. Оптимизации, раскрытые в данной международной заявке, можно использовать с устройством по настоящему изобретению, с получением преимуществ, аналогичных описанным.
Исполнительный элемент 34 на основе электроактивного материала обычно выполняется на основе электроактивного полимерного материала, хотя изобретение можно использовать, фактически, для устройств, выполненных на основе других видов EAM материала. Такие другие EAM материалы известны в данной области техники, и специалист в данной области техники будет известно, где найти, и как применить упомянутые материалы. Ряд вариантов будет описан ниже в настоящей заявке.
В общем, EAM устройства подразделяются на управляемые полем и управляемые током или зарядом (ионные) EAM. Управляемые полем EAM приводятся в действие электрическим полем при посредстве прямой электромеханической связи, тогда как исполнительный механизм для управляемых током или зарядом EAM предусматривает диффузию ионов. Последний механизм чаще встречается в соответствующих органических EAM, например, EAP. В то время, как управляемые полем EAM обычно управляются сигналами напряжения и нуждаются в соответствующих формирователях/контроллерах напряжения, управляемые током EAM обычно управляются токовыми или зарядовыми сигналами, иногда требующими наличия формирователей тока. Оба класса материалов содержат по нескольку членов семейства, имеющих, каждый, собственные преимущества и недостатки.
Управляемые полем EAM могут быть органическими или неорганическими материалами, и, в случае органических, могут быть одномолекулярными, олигомерными или полимерными. Что касается настоящего изобретения, упомянутые материалы предпочтительно являются органическими и, в таком случае, также олигомерными или даже полимерными. Органические материалы и особенно полимеры являются перспективным классом материалов, вызывающих растущий интерес, так как они сочетают характеристики срабатывания с такими свойствами материалов, как малый вес, дешевизна изготовления и легкость обработки.
Управляемые полем EAM и, следовательно, также EAP являются обычно пьезоэлектрическими и, возможно, ферроэлектрическими и, следовательно, имеют самопроизвольную постоянную поляризацию (дипольный момент). В качестве альтернативы, упомянутые материалы являются электрострикционными и, следовательно, имеют поляризацию (дипольный момент) только при возбуждении, но не имеют без возбуждения. В качестве альтернативы упомянутые материалы являются материалами с диэлектрической релаксацией. Такие полимеры включают в себя, но без ограничения, следующие подклассы: пьезоэлектрические полимеры, ферроэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры, релаксирующие ферроэлектрические полимеры (например, релаксирующие полимеры на основе PVDF (поливинилиденфторида) или полиуретаны), диэлектрические эластомеры, жидкокристаллические эластомеры. Другие примеры включают в себя электрострикционные привитые полимеры, электрострикционную бумагу, электреты, электро-вязкоупругие эластомеры и жидкокристаллические эластомеры.
Отсутствие самопроизвольной поляризации означает, что электрострикционные полимеры обнаруживают небольшие или нулевые потери на гистерезис даже при очень высоких частотах работы. Однако, преимущества достигаются за счет температурной стабильности. Релаксирующие материалы лучше всего работают в ситуациях, когда температуру можно стабилизировать с точностью до, приблизительно, 10°C. Это может выглядеть очень серьезным ограничением на первый взгляд, но, с учетом того, что электрострикционные полимеры хорошо работают на высоких частотах и в очень слабых полях возбуждения, применения преимущественно относятся к специализированным миниатюрным исполнительным элементам. Температурная стабилизация таких небольших устройств является относительно простой и часто составляет лишь незначительную проблему в общем процессе проектирования и разработки.
Релаксирующие ферроэлектрические материалы могут характеризоваться коэффициентом электрострикции, который является достаточно высоким для удовлетворительного практического использования, т.е. пригодным для одновременного выполнения измерительной и приводной функций. Релаксирующие ферроэлектрические материалы являются неферроэлектрическими, когда на них подается нулевое поле возбуждения (т.е. напряжение), но становятся ферроэлектрическими во время возбуждения. Следовательно, электромеханическая связь в материале отсутствует в отсутствие возбуждения. Электромеханическая связь становится ненулевой, когда сигнал возбуждения подается и может быть измерен посредством наложения высокочастотного сигнала небольшой амплитуды на сигнал возбуждения, в соответствии с вышеописанными процедурами. Кроме того, релаксирующие ферроэлектрические материалы извлекают пользу из уникального сочетания сильной электромеханической связи при ненулевом сигнале возбуждения и высоких характеристик срабатывания.
Наиболее широко используемые примеры неорганических релаксирующих ферроэлектрических материалов включают в себя: ниобат свинца-магния (PMN), ниобат свинца-магния-титанат свинца (PMN-PT) и цирконат-титанат свинца-лантана (PLZT). Но в данной области техники известны и другие материалы.
Релаксирующие ферроэлектрические полимеры на основе PVDF проявляют самопроизвольную постоянную поляризацию и могут быть предварительно деформированы для повышения рабочей характеристики в направлении деформации. Данные полимеры могут быть любыми, выбранными из группы нижеперечисленных материалов.
Поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид - трифторэтилен (PVDF-TrFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлортрифторэтилен (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид - гексафторпропилен (PVDF-HFP), полиуретаны или их смеси.
Управляемые током EAM и EAP содержат сопряженные полимеры, ионные полимер-металлические композиты, ионные гели и полимерные гели.
Примерами ионных EAP являются сопряженные полимеры, полимерные композиты на основе нанотрубок (CNT) и ионные полимер-металлические композиты (IPMC).
Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но без ограничения:
акрилаты, полиуретаны, силиконы.
Подкласс сопряженных полимеров включает в себя, но без ограничения:
полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(п-фениленсульфид), полианилины.
Вышеупомянутые материалы можно вставлять как чистые материалы или как материалы, взвешенные в связующих материалах. Связующие материалы могут содержать полимеры.
В любой исполнительной конструкции, содержащей EAM материал, могут быть обеспечены дополнительные пассивные слои для воздействие на поведение EAM слоя в ответ на подаваемый сигнал возбуждения.
Исполнительный/ая узел или конструкция EAM устройства может содержать один или более электродов для подачи сигнала управления или сигнала возбуждения в по меньшей мере часть электроактивного материала. В предпочтительном варианте, узел содержит два электрода. Слой EAM может располагаться между двумя или более электродами. Данное промежуточное расположение требуется для узла исполнительного элемента, который содержит эластомерный диэлектрический материал, так как его срабатывание, помимо прочего, происходит в результате силы сжатия, прилагаемой электродами, притягивающимися друг к другу в результате сигнала возбуждения. Два или более электродов могут быть также встроены в эластомерный диэлектрический материал. Электроды могут быть структурированными или нет.
Электродный слой можно также обеспечить только на одной стороне, например, с использованием встречно-гребенчатых электродов. Если электроды находятся только на одной стороне, то отражательное устройство может быть сформировано без потребности в прозрачных электродах.
Подложка может быть частью исполнительного узла. Она может прикрепляться к группе EAP и электродов между электродами или к одному из электродов снаружи.
Электроды могут быть растяжимыми настолько, чтобы они следовали за деформацией слоя EAM материала. Это особенно полезно для EAP материалов. Материалы, пригодные для электродов также известны и могут быть выбраны, например, из группы, состоящей из тонких металлических пленок, например, из золота, меди или алюминия, или таких органических проводников, как сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Применимы также металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.
Материалы для разных слоев будут выбираться, например, с учетом модуля упругости (модуля Юнга) разных слоев.
Дополнительные слои к вышеописанным слоям, например, дополнительные полимерные слои, могут служить для адаптации электрических или механических характеристик устройства.
Фигура 4 представляет модификацию устройства, показанного на фигуре 3, содержащую внутренний слой 50 между преобразовательным узлом 30 и чувствительным к давлению слоем 32, а также верхний слой 40. Это обеспечивает большую универсальность устройства.
Фигура 5 изображает полимер 32, наполненный проводящими частицами. В данном случае показаны эластомерное связующее 52 и проводящие частицы 54. В зависимости от деформационной характеристики композита, проводящие пути создаются или разрываются во время деформации, вызывающей положительный или отрицательный пьезорезистивный эффект.
Фигура 6 показывает, что чувствительный к давлению слой 32 может быть в форме матрицы адресуемых элементов, например, адресуемых тонкой проводящей структурой в тонколистовой фольге. Межсоединительная структура может также находиться сверху акустического преобразовательного узла. Таким образом, можно определять профиль давления по окну (которое может быть плоским или линзой).
На фигуре 7 показан пример характеристики полимера, наполненного проводящими частицами (силикона и углеродной сажи) и видна зависимость сопротивления от времени. Чувствительный к давлению материал легко сжимается в течение короткого времени, что приводит к пику сопротивления.
Полимер, наполненный проводящими частицами, можно оптимизировать в отношении характеристики чувствительности по давлению, а также в отношении температурной чувствительности для измерения температуры на выходном окне преобразовательного узла. Как упоминалось выше, для измерения давления и измерения температуры можно применять отдельные полимеры.
В пищеводе (при TEE, чреспищеводной эхокардиографии) сложно контролировать контакт с тканью во время (длинных) минимально инвазивных вмешательствах. Вышеописанное устройство делает возможной автоматическую, независимую от оператора систему управления контактом с тканью.
Существуют различные возможные методы обратной связи, которые можно применять.
Исполнительный элемент на основе электроактивного материала может сам выполнять функцию измерения давления в дополнение к эластомерному слою.
В таком случае, измерительный сигнал может содержать электрический импеданс EAM, измеренный на резонансной частоте EAM устройства (обычно, порядка нескольких десятков кГц).
Устройство может содержать второй (или дополнительный) исполнительный элемент на основе электроактивного материала, чтобы обеспечивать более высокую равномерность давления на устройстве. В данном случае, оптимальное давление контакта и равномерность давления на устройстве можно реализовать оптимизацией сигналов давления, подаваемых на оба устройства.
Измерительные сигналы давления из эластомерного слоя и из исполнительного элемента на основе EAM (применяемого в качестве измерительного устройства) можно использовать для оптимизации давления на окно. Давление можно определять, например, по эластомерному датчику давления, так как он может иметь более высокую абсолютную точность, тогда как равномерность можно определять по двум или более EAM исполнительным элементам, просто с помощью компаратора и обратной связи для минимизации отличия измеренного сигнала давления от сигналов данных двух устройств. Следовательно, такая система будет обеспечивать два сигнала обратной связи; один для абсолютного давления, и второй для равномерности давления.
Устройство можно применять в разнообразном медицинском ультразвуковом оборудовании, например (но без ограничения), для применения на теле, в пищеводном портативном ультразвуковом датчике (для TEE, чреспищеводной эхокардиографии), ультразвуковом датчике с большой апертурой. Возможно применение преобразователей разных типов, например, PZT (пьезоэлектрический), монокристаллический, CMUT.
Ультразвуковое устройство может быть ультразвуковым датчиком или подобным устройством для применения в системе ультразвуковой визуализации или системе ультразвуковой терапии. Ультразвуковой датчик может формировать часть катетера для инвазивной визуализации или лечения, может составлять часть ручного устройства для неинвазивной визуализации или лечения или может формировать часть носимого устройства, например, для продолжительного лечения конкретной области тела пациента.
Ультразвуковое устройство может формировать часть ультразвуковой системы, например, системы диагностической ультразвуковой визуализации или системы ультразвуковой терапии.
Примерный вариант осуществления системы диагностической ультразвуковой визуализации схематически изображен в виде блок-схемы на фигуре 8.
Решетка 56 преобразователей, содержащая блоки 58 ультразвуковых преобразователей обеспечена в ультразвуковом устройстве 60 в форме датчика для излучения ультразвуковых волн и приема эхо-информации. Решетка 56 преобразователей может быть одно- или двумерной решеткой преобразовательных элементов, например, блоков 58, способной сканировать в 2D плоскости или в трех измерениях для 3D визуализации.
Решетка 56 преобразователей соединена с формирователем 62 микропучков в датчике 60, который управляет излучением и приемом сигналов ячейками решетки, например, CMUT ячейками. Формирователи микропучков способны по меньшей мере частично формировать пучки из сигналов, принятых группами или «пэтчами» преобразовательных элементов, как описано, например, в патентах США US 5,997,479 (Savord et al.), US 6,013,032 (Savord) и US 6,623,432 (Powers et al.). Формирователь 62 микропучков связан кабелем датчика, например, коаксиальным проводом, с переключателем 66 излучения/приема (T/R), который переключается между режимами излучения и приема и защищает основной формирователь 70 пучка от сигналов излучения высокой энергии, когда формирователь микропучков отсутствует или не используется, и решетка 56 преобразователей приводится в действие непосредственно основным формирователем 70 пучка системы. Излучение ультразвуковых пучков из решетки 56 преобразователей под управлением формирователя 62 микропучков направляется контроллером 68 преобразователей, связанным с формирователем микропучков посредством переключателя T/R 66, и основным формирователем 70 пучка системы, который принимает вводную информацию от пользователя, манипулирующего пользовательским интерфейсом или панелью 88 управления. Одна из функций, управляемых контроллером 68 преобразователей, является направлением, по которому направляются и фокусируются пучки. Пучки могут направляться прямо вперед от (ортогонально) решетки 56 преобразователей или под разными углами для расширения поля видения. Контроллер 68 преобразователей имеет соединение для управления источником 63 напряжения для решетки 56 преобразователей. Например, источник 63 напряжения устанавливает постоянное и переменное напряжения смещения, которые подаются на CMUT ячейки 58 решетки 56 CMUT преобразователей, например, для возбуждения CMUT ячеек в прижатом режиме.
Сигналы частично сформированных пучков, выданные формирователем 62 микропучков, направляются в основной формирователь 70 пучка, в котором сигналы частично сформированных пучков от отдельных пэтчей преобразовательных элементов суммируются в сигнал полностью сформированного пучка. Например, основной формирователь 70 пучка может иметь 128 каналов, каждый из которых принимает сигнал частично сформированного пучка из пэтча, состоящего из нескольких десятков или сотен преобразовательных ячеек, например, из блоков 58. Таким образом, сигналы, принятые тысячами преобразовательных элементов решетки 56 преобразователей могут эффективно складываться в единственный сигнал сформированного пучка.
Сигналы сформированных пучков вводятся в процессор 72 сигналов. Процессор 72 сигналов может обрабатывать принятые эхо-сигналы различными методами, например, методами полосовой фильтрации, прореживания, разделения квадратурных составляющих I и Q и разделения сигнала на гармоники, где последний метод выполняет разделение линейного и нелинейного сигналов, чтобы сделать возможной идентификацию нелинейных (высших гармоник фундаментальной частоты) эхо-сигналов, отраженных от ткани и микропузырьков.
Процессор 72 сигналов может опционально выполнять дополнительное повышение качества сигнала, например, подавление спеклов, компаундирование сигналов и подавление шумов. Полосовой фильтр в процессоре 72 сигналов может быть следящим полосовым фильтром, с полосой пропускания фильтра, сдвигающейся от высокочастотного диапазона к низкочастотному диапазону по мере того, как эхо-сигналы принимаются с возрастающих глубин, с подавлением шумов на более высоких частотах с увеличенных глубин, с которых данные частоты не несут анатомической информации.
Обработанные сигналы вводятся в процессор 76 B-режима и, опционально, в доплеровский процессор 78. Процессор 76 B-режима выполняет амплитудное детектирование принятого ультразвукового сигнала для визуализации таких структур в теле, как ткань органов и сосудов в теле. Изображения в B-режиме структур тела могут формироваться либо в гармоническом режиме визуализации, либо в основном режиме визуализации или посредством сочетания обоих режимов, например, как описано в патентах США US 6,283,919 (Roundhill et al.) и US 6,458,083 (Jago et al.).
Доплеровский процессор 78, при наличии, обрабатывает отличающиеся во времени сигналы, обусловленные движением тканей и кровотоком, для обнаружения движения веществ, например, потока гемоцитов в поле изображения. Доплеровский процессор обычно включает в себя фильтр стенок с параметрами, которые можно настраивать, чтобы пропускать и/или подавлять эхо-сигналы, отраженные от выбранных типов материалов в теле. Например, фильтр стенок можно настраивать для получения характеристики полосы пропускания, при которой пропускается сигнал относительно низкой амплитуды от материалов с более высокими скоростями, но подавляются относительно сильные сигналы от материала с меньшей или нулевой скоростью.
При данной характеристике полосы пропускания будут пропускаться сигналы от кровотока, с подавлением при этом сигналов от соседних стационарных или медленно двигающихся объектов, например, стенки сердца. В случае с обратной характеристикой, будут пропускаться сигналы от движущейся ткани сердца, с подавлением при этом сигналов кровотока, что называется режимом тканевого Доплера, обнаруживающим и представляющим движение ткани. Доплеровский процессор принимает и обрабатывает последовательность отдельных по времени эхо-сигналов от разных точек в поле изображения, при этом последовательность эхо-сигналов от конкретной точки называется ансамблем. Ансамбль эхо-сигналов, принятых в быстрой последовательности в течение относительно короткого интервала можно использовать для оценки доплеровского сдвига частоты от кровотока, с использованием зависимости между доплеровской частотой и скоростью для показания скорости кровотока. Ансамбль эхо-сигналов, принимаемых в течение длительного периода времени, используется для оценки скорости медленно текущей крови или медленно движущейся ткани.
Сигналы от структур и движения, выдаваемые процессором B-режима (и доплеровским процессором) вводятся в сканирующий преобразователь 82 и блок 94 мультипланарного переформатирования. Сканирующий преобразователь 82 переформатирует эхо-сигналы из взаимного пространственного расположения, с которым они были приняты, в требуемый формат изображения. Например, сканирующий преобразователь может переформатировать эхо-сигнал в двумерный (2D) секторный формат или пирамидальное трехмерное (3D) изображение.
Сканирующий преобразователь может окрашивать изображение структур в B-режиме цветами, соответствующими движению в точках в поле изображения, с использованием их доплеровских скоростей для формирования цветовой доплеровской карты, которая отображает движение ткани и кровоток в поле изображения. Блок 94 мультипланарного переформатирования будет преобразовывать эхо-сигналы, которые принимаются из точек в общей плоскости в объемной области тела, в ультразвуковое изображение данной плоскости, например, как описано в патенте США US 6,443,896 (Detmer). Объемный преобразователь 92 преобразует эхо-сигналы набора 3D данных в такое проецируемое 3D изображение, которое наблюдается из данной исходной точки, как описано в патенте США US 6,530,885 (Entrekin et al.).
2D или 3D изображения вводятся из сканирующего преобразователя 82, блока 94 мультипланарного переформатирования и объемного преобразователя 92 в процессор 80 изображений для дополнительного повышения качества, буферизации и временного хранения с целью отображения на дисплее 90 изображений. Дополнительно к использованию для визуализации, значения кровотока, выдаваемые доплеровским процессором 78, и тканевая структурная информация, выдаваемая процессором 76 B-режима, вводятся в процессор 84 количественного анализа. Процессор количественного анализа получает показатели разных параметров кровотока, например, объемной скорости кровотока, а также результаты структурных измерений, например, размеры органов и срок беременности. Процессор количественного анализа может получать вводные данные с пользовательской панели 88 управления, например, точку в анатомических структурах в изображении, где следует выполнить измерение.
Выходные данные процессора количественного анализа вводятся в графический процессор 86 для воспроизведения графики и значений измерения вместе с изображением на дисплее 90. Графический процессор 86 может также формировать графические оверлеи для отображения вместе с ультразвуковыми изображениями. Данные графические оверлеи могут содержать стандартную идентифицирующую информацию, например, имя пациента, дату и время получения изображения, параметры визуализации и тому подобное. В данных целях графический процессор получает вводные данные из пользовательского интерфейса 88, например, имя пациента.
Пользовательский интерфейс соединен также с контроллером 68 излучения для управления формированием ультразвуковых сигналов из решетки 56 преобразователей и, следовательно, изображений, создаваемых решеткой преобразователей и ультразвуковой системой. Пользовательский интерфейс соединен также с блоком 94 мультипланарного переформатирования для выбора и управления плоскостями нескольких мультипланарно переформатированных (MPR) изображений, которые можно использовать для выполнения количественных измерений в поле изображения MPR изображений.
Как будет очевидно специалисту, вышеописанный вариант осуществления системы диагностической ультразвуковой визуализации предназначен для представления неограничивающего примера такой системы диагностической ультразвуковой визуализации. Специалист легко обнаружит, что в систему диагностической ультразвуковой визуализации можно внести различные изменения архитектуры, не отклоняющиеся от идей настоящего изобретения. Например, как также указано в вышеописанном варианте осуществления, формирователем 62 микропучков и/или доплеровский процессор 78 могут отсутствовать, ультразвуковой датчик 60 может и не иметь возможности 3D визуализации и так далее. Специалисту будут понятны и другие изменения.
Кроме того, в случае системы ультразвуковой терапии, очевидно отсутствует потребность в наличии у системы возможности принимать и обрабатывать импульсные эхо-сигналы, так что специалисту будет вполне очевидно, что вышеописанный вариант осуществления системы диагностической ультразвуковой визуализации можно адаптировать для формирования системы ультразвуковой терапии посредством исключения таких системных компонентов, которые требуются для приема или обработки таких импульсных эхо-сигналов.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления поясняют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники смогут спроектировать многочисленные альтернативные варианты осуществления, не выходящие за пределы объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, никакие позиции в скобках нельзя толковать как ограничивающие пункт формулы изобретения. Выражение «содержащий» не исключает присутствия других элементов или этапов, кроме тех, которые перечислены в пункте формулы изобретения. Признак в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратуры, содержащей несколько раздельных элементов. В формуле изобретения в пункте на устройство, перечисляющем несколько средств, некоторые из данных средств могут быть реализованы одним и тем же аппаратным элементом. Очевидное обстоятельство, что некоторые признаки перечислены во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на невозможность применения комбинации упомянутых признаков, в подходящем случае.