УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ ЧЕЛОВЕКА

Группа изобретений относится к области медицинской техники, в частности, к области ультразвуковых методов создания объемных (3D) и четырехмерных 4D (3D во времени) изображений внутренних органов.
Подавляющее большинство ультразвуковых медицинских исследований (УЗИ) проводится на установках, дающих двумерное (плоское) изображение. Диагностика состояния органов по таким изображениям далеко не всегда соответствует действительному состоянию и вероятность ошибочной диагностики слишком велика для установления точного диагноза по данным УЗИ.
Для повышения информативности УЗИ разработаны и стали применяться в медицинской практике установки для получения объемных (3D) ультразвуковых изображений, с помощью которых значительно возросла достоверность диагнозов. Однако в настоящее время такие установки слишком дороги для оснащения ими всех лечебных учреждений, и, кроме того, в относительно не дорогих установках, имеющих опцию 3D-УЗИ, получение качественного изображения столь затруднительно для врача, что они ей практически не пользуются.
Дальнейшее развитие техники УЗИ связывается с осуществлением возможности снимать объемные изображения быстро движущихся органов, например, сердца, во времени (4D-УЗИ). Однако в существующих в настоящее время установках 3D-УЗИ получение одного объемного изображения за время меньшее 0.1 сек, что необходимо для реализации 4D-УЗИ, пока не осуществлено.
Известно устройство для получения двумерных акустических изображений структур головного мозга "по слоям" при низком уровне шумов и помех. Устройство содержит ультразвуковой зонд, блок обработки эхосигналов, блок сопряжения, вычислительное устройство с дисплеем и клавиатурой, педаль для фиксации изображения и накопитель информации. Блок сканирования ультразвуковым лучом зонда для определения его текущего положения содержит блок позиционирования с шестью датчиками углового перемещения и контроллер. УЗ-зонд установлен в держателе блока позиционирования, а контроллер подключен к вычислительному устройству. Последнее выполнено с возможностью отображения на дисплее текущего положения УЗ-зонда,
нахождения его в выбранном слое сканирования, а также текущей графической информации в режиме А-эхограммы при перемещении УЗ-зонда в выбранной плоскости сканирования (см. патент на изобретение №2203622, МПК А61В 8/14).
Однако устройство позволяет получать только "двумерные" акустические изображения структур головного мозга.
Известны установки 3D УЗИ, использующие для получения объемного изображения двумерный массив большого числа ультразвуковых преобразователей (фазированная решетка), располагающихся непосредственно на поверхности тела пациента J.A.Hossack, Y.S.Sumanaweera, S.Napel, J.S.Ha. Quantitative 3-D Diagnostic Ultrasound Imaging Using a Modified Transducer Array and an Automated Image Tracking Technique // IEEE Trans. UFFC, V.49, No.8, pp.1029-1038].
Однако такие установки имеют сложную конструкцию и высокую (по сравнению с 2D УЗИ) стоимость. Они обеспечивают получение качественного изображения только при точном задании координат рельефа поверхности тела человека в исследуемой области, что представляет значительные трудности, особенно в таких областях, где рельеф изменяется вследствие дыхания.
Наиболее близким к предполагаемому способу является способ, включающий подачу зондирующего сигнала на ультразвуковой датчик, снятие отраженных сигналов с ультразвукового датчика, получение двумерного аналогового ультразвукового изображения, его оцифровку и ввод в память компьютера, программную обработку введенной информации и получение трехмерного изображения. Данный способ может быть реализован с помощью серийно выпускаемой установки 3D УЗИ (например, марки ALOKA 3500), в которой используется прямолинейное перемещение линейного ультразвукового датчика в исследуемой области со снятием через определенные расстояния двумерных УЗИ-кадров. Затем из множества полученных кадров с помощью программного обеспечения формируется и выводится на экран компьютера объемное изображение. [A.Austeng, S. Holm. Sparse 2-D Arrays for 3-D Phased Array Imaging - Design Methods, Experimental Validation//IEEE Trans. UFFC, V.49, No.8, pp.1073-1093].
Недостатками способа и данной конструкции является трудность работы с такой установкой, которая заключается в точном задании координат рельефа поверхности тела человека в исследуемой области. Кроме того, движение датчика происходит слишком медленно для того, чтобы получить 4D УЗИ таких органов, как сердце, легкие, кишечник, так как для этого необходимо за период, например, сердечного цикла, получить не менее 10 кадров 3D УЗИ.
Изобретения предназначены для решения технической задачи обеспечения возможности получения 3D и 4D УЗИ на стандартных широко распространенных не дорогих установках двумерного (2D) УЗИ, а также для упрощения конструкции по сравнению с существующими установками 3D УЗИ, упрощения измерения координат источников ультразвука, увеличения быстродействия для получения четырехмерного УЗИ движущихся органов, например, сердца. Технический результат заключается в уменьшении количества координат источников ультразвука, подлежащих определению, увеличения быстродействия для получения трехмерного и четырехмерного УЗИ.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения трехмерного ультразвукового изображения внутренних органов человека, включающем подачу зондирующего сигнала на ультразвуковой датчик с линейным расположением ультразвуковых преобразователей, снятие отраженных сигналов с ультразвукового датчика, получение двумерного аналогового ультразвукового изображения, его оцифровку и ввод в память компьютера, программную обработку введенной информации и получение трехмерного изображения, согласно решению, для получения двумерного аналогового ультразвукового изображения последовательно поворачивают ультразвуковой датчик вокруг оси, проходящей через выбранную область исследуемого органа, снимают отраженный сигнал для выбранных значений угла поворота, измеряют угол поворота ультразвукового датчика в момент подачи зондирующего сигнала и вводят его в память компьютера.
Для построения трехмерного изображения сердца в динамике ультразвуковой датчик поворачивают со скоростью не менее 10 оборотов в секунду, формируя на каждом обороте двумерное изображение.
В устройство для получения трехмерных ультразвуковых изображений внутренних органов человека, включающее установку для получения двумерного УЗИ с ультразвуковым датчиком с линейным расположением ультразвуковых преобразователей, компьютер с интерфейсом и программой формирования трехмерного изображения, согласно решению, введен держатель датчика, содержащий концентрично расположенные неподвижный внешний и подвижный внутренний корпуса, при этом датчик размещен и жестко закреплен во внутреннем корпусе, выполненном с возможностью вращения.
Устройство может содержать прокладку для обеспечения акустического контакта с телом человека, выполненную в виде резервуара из полимерной пленки, заполненного жидкостью.
Сущность изобретений состоит в том, что вместо прямолинейного сканирования исследуемой области, как в прототипе, осуществляется азимутальное сканирование при
вращении линейного ультразвукового датчика, представляющего собой набор (линейку) элементарных ультразвуковых преобразователей, вокруг оси, совпадающей или не совпадающей с его осью симметрии. В первом случае, исследуется минимальная по объему область тела пациента, во втором случае, когда ось вращения проходит по краю
ультразвукового преобразователя, объем возрастает в два раза, но может уменьшиться быстродействие. При азимутальном сканировании расположение оси вращения фиксирует систему цилиндрических координат с телом пациента, что значительно упрощает определение в каждый момент времени координат каждого элементарного преобразователя ультразвукового датчика и, в отличие от прототипа, не требуется определять изменение во времени трех координат элементарных преобразователей, а достаточно определения только угла поворота.
Предлагаемые изобретения поясняются чертежами: на фиг.1 представлена схема получения трехмерного и четырехмерного ультразвукового изображения (УЗИ) внутренних органов человека, на фиг.2 - изображено устройство для вращения ультразвукового датчика, реализующее способ, где
1. стандартная установка для получения двумерного УЗИ;
2. компьютер;
3. устройство для вращения ультразвукового датчика;
4. электродвигатель, управляемый от компьютера;
5. прокладка для осуществления акустического контакта с телом;
6. кадр двумерного изображения;
7. синтезированное трехмерное изображение (передне-верхняя и заднее-нижняя поверхности печени);
8. ультразвуковой датчик стандартной медицинской установки двумерного УЗИ;
9. неподвижный цилиндрический корпус устройства;
10. подвижный цилиндрический корпус;
11. подшипник;
12. держатель ультразвукового датчика:
13. кабель связи со стандартной установкой двумерного УЗИ;
14. кабель связи с компьютером;
15. тело пациента;
16. исследуемый орган;
Способ получения трехмерного и четырехмерного ультразвукового изображения (УЗИ) внутренних органов человека осуществляется следующим образом: после запуска компьютерной программы ультразвукового исследования с компьютера 2, по команде
врача на управляемый от компьютера электродвигатель 4 поступает сигнал, по которому электродвигатель производит поворот на заданный угол или осуществляет непрерывное вращение (для получения 4D УЗИ) ультразвукового датчика стандартной установки 2D УЗИ. Угол поворота измеряется датчиком угла поворота. С частотой кадровой развертки установки 2D УЗИ производится подача импульсных сигналов на элементарные преобразователи линейного ультразвукового датчика и снятие временных картин отраженных сигналов, образующих кадры двумерного изображения 6, соответствующих своим углам поворота, и производится запись координатно-яркостных массивов данных в память компьютера 2, Минимально необходимый угол поворота для снятия статического 3D изображения составляет 180°, а для 4D УЗИ сердца необходимо непрерывное вращение ультразвукового датчика 8 с частотой не менее 10 оборотов в секунду в течение требуемого времени наблюдения за работой сердца. Полученные массивы данных обрабатываются программой, формирующей из отдельных плоских (2D) изображений объемное (3D) изображение, и на монитор компьютера выводится объемное изображение отражающих поверхностей органов в рассматриваемом объеме тела пациента 15, причем возможно рассмотрение какого-либо выделенного органа или его фрагмента с разных точек наблюдения. При снятии 4D УЗИ кадры объемного изображения, полученные в течение не более 0,1 сек, могут сменять друг друга с заданной скоростью, позволяя изучать работу органа (например, сердца) в динамике.
Устройство, реализующее данный способ, состоит из стандартного линейного ультразвукового датчика 8, устройства для его вращения 3 вокруг оси, проходящей через исследуемую область тела пациента 15, и прокладки 5, обеспечивающей акустический контакт и акустическое согласование вращающегося ультразвукового датчика с телом пациента 15. Неотъемлемыми частями устройства являются также стандартная установка 2D-УЗИ 1, и компьютер 2, с программой построения объемного изображения, разработанной авторами изобретения. Устройство для вращения ультразвукового датчика 8, состоит из неподвижного цилиндрического корпуса 9, подвижного цилиндрического корпуса 10, подшипника 11, держателя ультразвукового датчика 12, электродвигателя 4, управляемого от компьютера. Держатель может фиксировать ультразвуковой датчик симметрично, или асимметрично, смещая его от центра цилиндра. В последнем случае получается 3D изображение большего объема.
Решение может быть использовано в медицинских учреждениях для повышения диагностических возможностей любой имеющейся в их распоряжении аппаратуры 2D УЗИ.