СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ ЭХОТОМОСКОПИИ Российский патент 2000 года по МПК A61B8/14 G01N29/10 

Изобретение относится к медицинской технике для проведения неинвазивных исследований объемного строения внутренних органов человека.

В медицине широко используется эхолокационная диагностика для визуализации строения внутренних органов человека - в основном с помощью ультразвука. Известен способ ультразвуковой трехмерной томографии (US 5396890, 1995), в котором снимается отраженный эхосигнал датчиком, содержащим излучатели-приемники, при этом формируется трехмерное акустическое пространство, сигнал снимается и преобразовывается в реальном времени. Трехмерное изображение формируется на экране дисплея.

Известен также ультразвуковой диагностический аппарат (ЕР 0452532, 1991), формирующий на дисплее 3-мерное изображение и содержащий ультразвуковой датчик, состоящий из излучателей-приемников, подключенный через интерфейс с мультиплексорами, коммутатором, передатчиками, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), усилителями, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) и ЭВМ.

Известные способ и устройство предполагают использование специально разработанной аппаратуры и дополнительного оснащения клиник.

Целью изобретения является снятие отраженного эхосигнала из внутренних структур человеческого организма с высокой степенью достоверности с использованием стандартной ЭВМ и в объеме биологической структуры простым способом и удобным в эксплуатации устройством.

Для достижения заявленной цели при проведении способа трехмерной эхотомоскопии, заключающегося в наложении на кожу пациента ультразвукового датчика, состоящего из пьезоизлучателей-приемников, генерации зондирующих ультразвуковых импульсов для проведения трехмерного сканирования, съеме отраженного эхосигнала и формировании трехмерного изображения, в качестве ультразвукового датчика используется датчик, состоящий из элементарных групп счетверенных пьезоизлучателей-приемников, ультразвуковые зондирующие импульсы генерируют с фазовым сдвигом и динамической фокусировкой в реальном времени с возможностью сканирования между фокальными осями счетверенных излучателей-приемников, совпадающими с основным лепестком диаграммы направленности пьезоизлучателей-приемников и являющимися линиями съема информации, а для наблюдения полученного стереоизображения используют специальные очки.

Заявляемый способ осуществляется с помощью устройства для трехмерной эхотомоскопии, содержащего ультразвуковой датчик, состоящий из излучателей-приемников, подключенный через интерфейс с мультиплексорами, коммутатором, передатчиками, аналого-цифровым преобразователем, усилителями и оперативным запоминающим устройством и ЭВМ, при этом ультразвуковой датчик выполнен в виде элементарных групп счетверенных излучателей-приемников, состоящих из пьезоэлементов с линейными размерами, значительно превышающими длину волны излучаемого ультразвукового импульса, с возможностью образования ими элементарной излучающей ячейки, подключенных с использованием динамической задержки к двухканальным усилителям с умножителем на выходе, с возможностью подачи сигнала через аналого-цифровой преобразователь в оперативное запоминающее устройство, при этом число передатчиков равно числу излучателей-приемников, а для снятия сигнала с них используются мультиплексоры, направляющие зондирующие импульсы на передатчики и мультиплексоры, выбирающие излучатель-приемник для приема эхосигнала, с обеспечением его динамической задержки, устройство снабжено специальными очками для наблюдения стереоизображения.

На фиг. 1 изображена условная схема групп счетверенных излучателей-приемников, на фиг. 2 - построение телевизионного кадра, на фиг. 3 - блок-схема интерфейса, на фиг. 4 - блок пьезоизлучателей-приемников.

Способ осуществляется посредством элементарной группы счетверенных пьезоизлучателей-приемников датчика (см. фиг.1), где каждый пьезоизлучатель-приемник имеет свою фокальную ось (С, С^I, С^II, С^III). Каждая фокальная ось является центром фокальной зоны (на фиг.1 не обозначена), которая совпадает с основным лепестком диаграммы направленности пьезоизлучателя-приемника. Фокальные оси счетверенного пьезоизлучателя-приемника образуют общую диаграмму направленности датчика. Общая диаграмма направленности датчика имеет фокальную ось, которая является в нашем случае линией съема информации. Фокальная ось датчика имеет фокальные точки, которые являются точками съема информации. Фокальные оси четырех пьезоизлучателей-приемников образуют акустическое пространство, которое содержит внутри себя исследуемую биологическую структуру, в которой при накладывании датчика на кожу пациента посредством фазового сдвига и динамической фокусировки перемещается линия съема информации (фокальная ось основного лепестка диаграммы направленности датчика) и находящиеся на ней точки съема информации - фокальные точки (элементарные единицы, составляющие исследуемую структуру).

ЭВМ по фокальным точкам в реальном времени рассчитывает в выбранном акустическом пространстве лоцируемую биологическую структуру и визуализирует ее трехмерное (объемное) строение на экране своего видеотерминала. Объемное (стерео) изображение на экране видеотерминала ЭВМ можно наблюдать с помощью специальных очков.

Устройство состоит из малоэлементного датчика в виде счетверенных элементарных групп излучателей-приемников, состоящих из пьезоэлементов определенного размера, значительно превышающего длину волны излучаемого импульса.

Интерфейс (фиг. 3) включает мультиплексоры, коммутатор, передатчики, усилители, АЦП и ОЗУ (модуля быстрой памяти).

Устройство работает следующим образом. Каждый пьезоизлучатель-приемник в момент генерации ультразвукового импульса имеет свой акустический центр (на фиг. 1 - пересечение осей "a" и "b"), который является основанием фокальной оси (С). Элементарной излучающей ячейкой ультразвукового датчика является группа из 4-х пьезоизлучателей-приемников (фиг.1). Каждый из 4-х пьезоизлучателей-приемников (1) имеет свою фокальную ось (C). Между фокальными осями собственно и происходит весь процесс 3-мерного сканирования. Рассмотрим это на примере 2-х пьезоизлучателей-приемников (фиг.2), обозначенных цифрой (1).

На фокальных осях (C) находятся фокальные точки (F), которые собственно и являются элементарными единицами, составляющими исследуемую структуру.

При отображении на видеотерминале ЭВМ эти элементарные единицы изображения имеются словом "Пиксел", который на фиг.1 обозначен цифрой (2). Из пикселов на видеотерминале ЭВМ строится телевизионный кадр, который состоит из телевизионных строк (3). Каждая конкретная фокальная точка (F) - (см. фиг.2) соответствует каждому конкретному пикселу (см. фиг. 1) - (2) в каждой конкретной телевизионной строке (см. фиг. 1) - (3). В нашем случае мы имеем возможность разбить исследуемое пространство между фокальными осями пьезоизлучателей-приемников на N - в количество осей, которые будут соответствовать на экране видеотерминала ЭВМ N-му количеству телевизионных строк. Каждая телевизионная строка будет содержать пикселы в количестве, точно соответствующем количеству фокальных точек на фокальной оси.

При таком отображении на экране видеотерминала будет сформировано двумерное изображение лоцируемой биологической структуры.

Для получения трехмерного изображения мы используем 4-е фокальные оси. При этом фокальные точки (а на видеотерминале пикселы) формируются одновременно с помощью 4-х пьезоизлучателей в реальном времени. Стереоизображение на экране видеотерминала формирует специально разработанная программа, а увидеть стереоизображение позволяют специальные очки.

Для реализации 3-мерного изображения достаточно 4-х пьезоизлучателей с линейными размерами, значительно превышающими длину волны излучаемого ультразвукового импульса. Указанная на фиг. 3 блок-схема обеспечивает фазовый сдвиг и динамическую фокусировку в реальном времени в любой точке пространства, неположенного между фокальными осями счетверенных пьезоизлучателей-приемников.

Работа устройства начинается с подачи передатчиком на пьезоэлементы зондирующих импульсов с фазовым сдвигом. Информация (эхосигнал) с датчиков (1 группа элементов и 2 группа элементов) попеременно с использованием динамической задержки поступает на двухканальный усилитель с умножителем на выходе (см. фиг. 3).

Полученный сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Далее он в цифровой форме поступает в быстрое ОЗУ (Оперативное запоминающее устройство - Быстрая память). В ОЗУ записывается попеременно информация от каждой группы элементов. Из ОЗУ (Быстрая память) данные попадают в ЭВМ. После приема информации в ОЗУ вновь вырабатываются зондирующие импульсы, фазовый сдвиг между ними обеспечивает смещение линии съема информации в объекте. Таким образом линия съема информации смещается от одного элемента к другому. Затем выбираются следующие элементы и так до последнего элемента в строке. Следующие зондирующие импульсы поступают на крайние элементы следующей строки. Процесс продолжается до последнего элемента всей группы. Затем все повторяется с самого начала. Количество передатчиков равно количеству пьезоизлучателей-приемников.

На фиг. 4 показан укрупненно блок пьезоизлучателей-приемников. Для простоты понимания обозначены 2 пьезоэлемента и их коммутация. Ф - обеспечивает фазовый сдвиг, MX - мультиплексор, который направляет зондирующие импульсы на передатчик, МХП - мультиплексор, который выбирает излучатель для приема эхосигнала, обеспечивает его динамическую задержку для выбранных двух элементов.

Использование датчика, содержащего всего лишь одну элементарную группу счетверенных пьезоизлучателей-приемников, позволяет проводить трехмерную локацию биологической структуры и визуализировать объемное изображение структуры внутренних органов человека на видеотерминале стандартной ЭВМ.

Преимуществом данного способа является возможность неинвазивного исследования в реальном времени трехмерной структуры внутренних органов человека на любой глубине его расположения.

От пользователя способом и устройством не требуется дополнительных знаний, поскольку съем информации с помощью эходатчика производится с поверхности кожи пациента традиционным способом.

Устройство позволяет производить локацию биологической структуры посредством датчика, который по своему внешнему виду не отличается от стандартного для двумерной эхоскопии и поэтому не требует дополнительного обучения. Все справочные сообщения о порядке использования выбранного устройства выводятся на экран видеотерминала ЭВМ в виде текстовой информации, а исполнение всех команд осуществляется нажатием соответствующих клавиш на клавиатуре по подсказке ЭВМ.

Устройство разработано с использованием последних достижений отечественного электронного приборостроения, с учетом требований по электробезопасности и передаваемой мощности ультразвукового излучения.

В зависимости от поставленной задачи обследования устройство может быть использовано и как простой двумерный сканер.

Проведенные анализы полученных с помощью устройства трехмерных ультразвуковых эхограмм показали, что информативность и наглядность при обследовании возрастает и значительно упрощает и облегчают работу врача при постановке диагноза пациенту.

Заявляемые способ и устройство используются в медицинской технике для проведения кеинвазивных исследований объемного строения внутренних органов человека. На кожу пациента накладывают ультразвуковой датчик, состоящий из элементарных групп счетверенных излучателей-приемников, состоящих из пьезоэлементов с линейными размерами, значительно превышающими длину волны излучаемого ультразвукового импульса. Отраженный эхосигнал снимается, и формируется трехмерное изображение. Зондирующие импульсы генерируют с фазовым сдвигом и динамической фокусировкой в дальнем времени с возможностью сканирования между фокальными осями счетверенных излучателей-приемников, совпадающими с основным лепестком диаграммы направленности излучателей-приемников и являющимися линиями съема информации. Для наблюдения получаемого стереоизображения используют специальные очки. Устройство включает также ЭВМ с интерфейсом, подключенным с мультиплексорами, коммутатором, передатчиками, АЦП, усилителями, ОЗУ и ЭВМ. Изобретение позволяет проводить трехмерную локацию биоструктуры и визуализировать ее объемное изображение на видеотерминале стандартной ЭВМ. 2. с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ трехмерной эхотомоскопии, заключающийся в наложении на кожу пациента ультразвукового датчика, состоящего из излучателей-приемников, генерации зондирующих ультразвуковых импульсов для проведения трехмерного сканирования, съеме отраженного эхосигнала и формировании трехмерного изображения, отличающийся тем, что в качестве ультразвукового датчика используется датчик, состоящий из элементарных групп счетверенных излучателей-приемников, ультразвуковые зондирующие импульсы генерируют с фазовым сдвигом и динамической фокусировкой в реальном времени с возможностью сканирования между фокальными осями счетверенных излучателей-приемников, совпадающими с основным лепестком диаграммы направленности излучателей-приемников и являющимися линиями съема информации, а для наблюдения получаемого стереоизображения используют специальные очки. 2. Устройство для трехмерной эхотомоскопии, содержащее ультразвуковой датчик, состоящий из излучателей-приемников, подключенный через интерфейс с мультиплексорами, коммутатором, передатчиками, аналого-цифровым преобразователем, усилителями и оперативным запоминающим устройством и ЭВМ, отличающееся тем, что ультразвуковой датчик выполнен в виде элементарных групп счетверенных излучателей-приемников, состоящих из пьезоэлементов с линейными размерами, значительно превышающими длину волны излучаемого ультразвукового импульса, с возможностью образования ими элементарной излучающей ячейки, подключенных с использованием динамической задержки к двухканальному усилителю с умножителем на выходе, с возможностью подачи сигнала через аналого-цифровой преобразователь в оперативное запоминающее устройство, при этом число передатчиков равно числу излучателей-приемников, а для снятия сигнала с них используются мультиплексор, направляющий зондирующие импульсы на передатчики, и мультиплексор, выбирающий излучатель-приемник для приема эхосигнала, с обеспечением его динамической задержки, устройство снабжено специальными очками для наблюдения стереоизображения.