Устройство томографирования с помощью сегмента кольцевой антенной решётки Российский патент 2025 года по МПК A61B8/00 A61B6/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемое изобретение относится к области ближней локации на акустических волнах с зондированием окружающего пространства монохроматическим сигналом и может быть использовано в медицине для томографии внутренней структуры объекта, а также для доставки ультразвуковой энергии в заданную область тела пациента с лечебной целью, например для дробления камней в почке.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки, описанное в способе по патенту РФ №2728512. Устройство, содержит ультразвуковую антенную, решётку в виде кольца с попеременно чередующимися излучающими и приёмными антенными элементами, фазовращатели в каналах излучателей, сумматор сигналов со всех принимающих элементов, источник монохроматической волны, запитывающий все излучающие антенные элементы через фазовращатели, устройство управления фазовращателями, сопряжённое с компьютером.

Главным признаком этого устройства является то, что кольцевая антенная решётка выполнена в виде неразъёмного кольца. Это ограничивает область применения кольцевой решётки в томографии, а также в доставке ультразвуковой энергии для лечения в нужную область тела пациента. Ограничения обусловлены тем, что диаметр кольца должен выбираться из условия плотного прилегания антенных элементов кольца к телу пациента без воздушного зазора. Воздушный зазор - это среда с резко отличающимися свойствами, чем тканевая среда тела пациента. Скорость распространения ультразвука в воздушной среде составляет 330 м/с, а в тканях пациента - 1300 м/с. Из-за этих различий на границе двух сред (ткань / воздух) образуются сильные отражения ультразвуковой волны, и она не проходит в тело пациента. Кроме того, жёсткое кольцо антенной решётки, с неизменной геометрией, не позволяет варьировать величину воздушного зазора. При исполнении антенного кольца, соответствующего диаметру шеи пациента, голова пациента не позволит надеть его на шею. Обволакивающий антенную решётку аппликатор с иммерсионной жидкостью не решает полностью проблему плотного контакта.

Из уровня техники также известно устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки, принятое в качестве прототипа, по патенту РФ №2765605, содержащее ультразвуковую антенную решётку в виде сегментов кольца, объединённых в кольцо с попеременно чередующимися излучающими и приёмными антенными элементами, фазовращатели $$\phi \mathrm{1,}\phi \mathrm{2,}\phi \mathrm{3,}\phi \mathrm{4,}\phi \mathrm{5,}\phi \mathrm{6,}\phi \mathrm{7,}\phi 8$$ в каналах излучателей, сумматор $${\displaystyle \sum }$$ сигналов со всех принимающих элементов, источник монохроматической волны, запитывающий все излучающие антенные элементы через фазовращатели, устройство управления фазовращателями с помощью компьютера. Данное утройство с помощью фазовращателей позволяет сфокусировать ультразвуковую энергию внутри кольца. Фазовращатели позволяют управлять положением фокуса внутри кольца. Это позволяет доставлять ультразвуковую энергию в нужную область пациента, находящегося внутри кольца. Если связать дискретные положения фокуса с дискретными элементами матрицы изображения, то можно просканировать фокусом внутренние области шейного отдела и построить изображение шейного отдела в сечении. Разрешающая способность отражающих точек внутри кольца соответствует пределу Редея и определяется формулой $$\Delta =\frac{\lambda }{5}$$ , где $$\lambda$$ - длина ультразвуковой волны.

Однако указанное устройство в виде сегментов кольца не даёт возможности томографировать другие отделы тела пациента. Манипулировать сегментами кольца для их установки их на поясе или грудной клетке пациента, практически невозможно. Это является существенным недостатком известного устройства, ограничивающим сферу его применения, то есть область применения ограничивается шеей пациента. Применить это кольцо, состоящее из нескольких сегментов к другим областям тела пациента практически невозможно. Например, для томографирования поясницы или грудной клетки потребуется кольцо из сегментов большего диаметра и возможно с другим количеством пьезоэлементов. Для сопряжения такого кольца, состоящего из сегментов большего диаметра и с другим количеством элементов антенной решётки с томографическим устройством потребуется его замена на устройство с другими техническими характеристиками. Таким образом, замена сегментов кольца представляет собой неудобную и трудоёмкую процедуру, сопряжённую с техническими проблемами.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является расширение области применения устройства томографии на основе антенных решёток, а именно, для томографирования разных участков тела пациента, упрощения операций томографирования, облегчение процесса сбора данных, удобство манипуляций при томографировании, то есть коррекция области сбора данных, облегчение создания плотного контакта излучающих и принимающих антенных элементов кольцевой решётки с поверхностью любой области тела пациента. Ожидаемый от использования положительный эффект обеспечит доступность для томографирования любых областей биологического объекта более плотный контакт антенной решётки с указанными поверхностями и позволит качественнее доставить ультразвуковую энергию в нужную область тела пациента, а также даст возможность просканировать фокусом внутреннюю область любых участков тела пациента и построить её изображение в сечении.

Поставленная задача достигается тем, что устройство томографирования с помощью сегмента кольцевой антенной решётки содержит ультразвуковую антенную решётку с попеременно чередующимися излучающими и приёмными антенными элементами, фазовращатели в каналах излучателей, сумматор сигналов со всех принимающих элементов, источник монохроматической волны, запитывающий все излучающие антенные элементы через фазовращатели, устройство управления фазовращателями, сопряжённое с электронно-вычислительной машиной, при этом антенная решётка выполнена в виде одного сегмента кольца.

В дополнительном варианте осуществления изобретения антенная решетка может представлять собой сегмент кольца размера от четверти кольца до половины кольца.

В дополнительном варианте осуществления изобретения антенная решетка может представлять собой либо сегмент в виде половины кольца, либо сегмент в виде четверти кольца.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 представлено предлагаемое устройство с антенной решёткой в виде сегмента кольца (на примере сегмента в виде полукольца).

На Фиг.2 приведены результат реконструкции изображения двухточечного и одноточечного объектов.

На Фиг.3 приведена дискретная матрица изображения, вписанная в круг, который проходит через сегмент кольца (на примере сегмента в виде полукольца).

На Фиг.4 показан вариант исполнения устройства на примере сегмента в виде полукольца.

На Фиг.1 и Фиг.4 изображено: 1 - сегментно кольцевая основа антенной решётки из металла, 2 - излучающие элементы антенной решётки, 3 - принимающие элементы антенной решётки, 4 – фазовращатели, 5 - сумматор принятых когерентных сигналов, 6 - источник монохроматической волны, 7 - устройство управления фазовращателями, сопряжённое с компьютером.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемое устройство (фиг.1, фиг.4) представляет собой сегмент кольца (приведено на примере полукольца). Полукольцо выполнены из металла и представляют собой полуокружности. На металлическое кольцо с внутренней стороны нанесён слой демпфера из звукопоглощающего материала. В слое демпфера, с небольшим утоплением располагаются полоски пьезоэлементов, выполняющих функции излучения и приёма ультразвуковых волн. Из-за демпфера элементы направленно излучают ультразвуковую энергию вовнутрь полукольца. Принимающие пьезоэлементы также обладают направленным приёмом ультразвуковой энергии, идущей из внутренней области полукольца. Принимающие и излучающие элементы чередуются. Демпфер позволяет сформировать диаграммы направленности отдельных антенных элементов, а также позволяет развязать принимающие элементы от излучающих элементов. Все элементы помещены внутри аппликатора, заполненного иммерсионной жидкостью. Такое устройство кольцевой антенной решётки позволит обеспечить согласованный обмен ультразвуковой энергии с телом пациента с малыми потерями и малыми отражениями волны от границ раздела двух сред.

Устройство работает следующим образом. Сгенерированная ультразвуковая энергия источником 6 в виде монохроматической волны поступает на излучающие элементы 2 сегмента кольцевой антенной решётки через фазовращатели 4. Фазовращатели управляются напряжениями U_y, поступающими с устройства управления 7, сопряжённого с компьютером. Выше описанная часть устройства позволяет сфокусировать ультразвуковую энергию и кроме того позволяет управлять положением фокуса внутри кольцевой области, где располагается пациент. Отражённые сигналы от точек объекта, попавших в фокус, приходят на принимающие элементы 3 (например, пьезоэлементы) сегментно кольцевой антенной решётки. Отражённые сигналы, пришедшие из фокуса внутри частично кольцевой области, синфазно складываются в сумматоре 5 и дают всплеск ультразвуковой энергии на выходе сумматора. Отражённые сигналы от точек за пределами фокуса складываются в сумматоре не синфазно и поэтому не дают всплеска мощности на его выходе.

Сегментно кольцевая антенная решётка выполнена на металлической основе в виде сегмента кольца 9. На металлическую основу нанесён демпфер 10 из поглощающего ультразвук материала. Излучающие 2 и принимающие 3 пьезоэлементы встроены в апликатор в чередующемся порядке с утоплением пьезоэлементов на толщину пьезоэлемента. Оставлена не утопленной поверхность пьезоэлемента, обращённая во внутрь воображаемого антенного кольца. Это делается для развязки излучающих и принимающих пьезоэлементов, а также для формирования направления излучения и приёма во внутрь воображаемого кольца. Сформированная антенная решётка помещена во внутрь апликатора 11, заполненного эмирсионной жидкостью 12. Аппликатор и эмирсионная жидкость устраняют воздушный зазор между пьезоэлементами и телом пациента. Воздушная прослойка может создать границу раздела двух сред, от которой появятся отражения ультразвуковой волны, и эти отражения будут препятствовать проникновению ультразвуковой волы в тело пациента. Торцы аппликатора 8 выполняют роль заглушки, предотвращают вытекание аппликатора.

Доказательство эффективности фокусировки ультразвуковой энергии с помощью сегмента кольца и возможности управления положением фокуса доказывается приведённым ниже математическим моделированием. Результаты этого моделирования представлены на Фиг.2, а методика моделирования излагается ниже.

Сегмент кольца обладает свойством фокусировки и к тому же позволяет управлять положением фокуса внутри сегмента кольца и даже за его пределами. На Фиг.2 два верхних рисунка слева a) и с ) относятся к результатам моделирования полно кольцевой решётки. Два верхних рисунка справа b), d) относятся к полукольцевой решётки. Сопоставление этих рисунков свидетельствует о том, что результаты томографирования двух точечных и одноточечных объектов по качеству почти не отличаются при томографии с помощью кольцевой или полукольцевой решётки. Кроме того, результаты томографирования двухточечных объектов свидетельствуют о том, что кольцевая и полукольцевая решётки одинаково эффективно управляют положением фокуса. Два нижних рисунка e), f) свидетельствуют о том, что и сегмент в четверть кольца также эффективно фокусирует и управляет положением фокуса.

В прототипе и в предлагаемом устройстве используется метод томографии, основанный на управляемой фокусировке, предусматривает зондирование пациента ультразвуковой монохроматической волной, что избавляет от дисперсионных искажений и позволяет получить более качественное изображение, чем при импульсной ультразвуковой томографии. Этот метод томографирования можно реализовать с помощью сегмента кольцевой антенной решётки размером в полукольцо и даже с помощью четвертькольцевой антенной решётки, то есть можно использовать часть (сегмент) кольца. Докажем это утверждение путём моделирования. Для этого возьмём математическую модель кольцевой решётки и, не изменяя диаметра кольца, сократим число элементов в два раза, в результате получим полукольцо. Можно сократить число элементов в четыре раза, получим четвёртую часть кольца. Ниже приводится математический алгоритм, позволяющий рассчитать и построить результат фокусировки для кольца, полукольца и четвертькольца.

В предлагаемом устройстве также предполагается использование монохроматического зондирующего сигнала и управление фокусом для сканирования окружающего пространства, но делается это сканирование не с помощью кольцевой, а с помощью реальной полукольцевой или четвертькольцевой антенной решётки. Энергия чётных элементарных излучателей полукольцевой антенной решётки концентрируется внутри полукольца, также как в случае кольцевой решётки. Если фазы излучаемых волн каждым элементом антенной решётки одинаковы, то фокус концентрации энергии будет в центре полукольцевой окружности. В центре полукольца пришедшие волны от отдельных антенных элементов решётки сложатся в фазе (1) в центральном фокусе и дадут всплеск амплитуды фиг.2d). Математически это можно пояснить следующим образом.

$$S_{\Sigma }={\displaystyle \sum _{i=1}^N{S}_i{e}^{j{\phi }_i}}=e^{{\phi }_i}{\displaystyle \sum _{i=1}^N{S}_i}$$ (1)

где$${\phi }_i={\phi }_1={\phi }_2={\phi }_3=\mathrm{......}$$ фазы волн (сигналов) на выходе отдельных элементов кольцевой антенной решётки, $$s_i=s_1=s_2=s_3=\mathrm{........}$$ амплитуды волн (сигналов) на выходе отдельных элементов кольцевой антенной решётки.

Предположим, что в фокусе расположена отражающая точка. Тогда сконцентрированная в фокусе волна отразится и в виде сферической волны одновременно достигнет всех нечётных элементов антенной решётки. После синфазного суммирования всех сигналов, принятых нечётными элементами мы получим всплеск амплитуды отражённого сигнала, пришедшего из фокуса.

Антенная решётка содержит чётное количество элементов. Чётные элементы антенной решётки с фазовращателями излучают волны, а нечётные - принимают отражённые сигналы от томографируемых объектов, располагаемых внутри воображаемой кольцевой области антенной решётки.

Если фазы излучаемых волн каждым элементом разные рассчитаны и установлены в соответствии с выражением (2), то фокус концентрации энергии будет смещён от центра окружности фиг.2. a) b) В этом случае фазы волн от отдельных антенных излучателей сфазируются не в центре окружности, а в другом месте фиг.2 a) b) и дадут всплеск амплитуды в смещённом от центра круга фокусе. На фиг.2 a) и b) представлена томограмма двух точечного объекта. Пи этом две точки на виде сверху удалены от центра. Это свидетельствует о том, что местоположением фокуса удается управлять. Распределение фаз в каждом i-ом элементе антенной решётки для смещённого от центра фокуса рассчитываются по формуле (2)

$$s_i=S_i\exp [-j\frac{4\pi }{\lambda }{R}_i]$$ , (2)

где $$R_i=\sqrt{R_0^2+{\delta }_k^2-2R_0{\delta }_k\cos {\theta }_i}$$ , R_i - расстояние от k-го элемента матрицы изображения до i-ro элемента кольцевой антенной решётки, s, - амплитуда волны на выходе i-ro элемента кольцевой антенной решётки, R₀ - радиус кольцевой антенной решётки, $${\delta }_k$$ - расстояние от центра кольцевой антенной решётки до k-го элемента матрицы изображения, $$\lambda$$ - длина ультразвуковой волны, $${\theta }_i$$ - меняющийся угол между $${\delta }_k$$ и R_i, при смене i - го элемента кольцевой антенной решётки.

Поясняющая геометрия для вывода формулы (2) представлена на фиг.3. На фиг.3 показана дискретная матрица изображения, вписанная в круг, который проходит через сегмент кольца (в данном случае через полукольцо). Фокусом управляют таким образом, чтобы он занимал поочерёдно положения, соответствующие расположению элементов матрицы изображения фиг.3.

Для расчёта на какой угол нужно повернуть фазу сигнала в i - ом фазовращателе $${\phi }_i$$ , чтобы фокусом попасть в нужный элемент матрицы изображения, следует отбросить целое число волн (периодов волны), определяемых по формуле

$${\phi }_i=\frac{4\pi }{\lambda }{R}_i-4\pi n_i$$ (3)

где $$n_i$$ - целое число волн $$\lambda$$ , укладывающихся на отрезке R_i , Цифра 4 означает, что волна проходит удвоенное расстояние R_i, то есть от фокуса до i-го элемента кольцевой антенной решётки и обратно.

Остаётся показать на модели двухточечного объекта, не будут ли мешать реконструкции другие отражающие точки, находящиеся в области реконструкции, то есть внутри кольцевой области антенной решётки. Результат реконструкции изображения двухточечного объекта показан на фиг.2a), b), f). Вид сверху на эти всплески амплитуды фиг.2 отображается в виде точек. На Фиг.2 показан результат реконструкции изображения как двухточечного объекта, так и одноточечного объекта. Эти результаты Фиг.2 дают представление, чем отличается томографирование с помощью кольцевой антенной решётки от полукольцевой и четвертькольцевой антенной решётки.

Таким образом, результаты моделирования подтверждают возможность сканирования пространства внутри кольцевой области управляемым фокусом. Это в свою очередь указывает на возможность реконструкции изображения объекта в сечении, то есть на возможность томографирования с помощью полукольцевой и четвертькольцевой антенной решётки.

Проблема хорошего контакта с телом пациента и доставки ультразвуковой энергии в нужную область тела пациента, без потерь и отражений от границы двух сред решается конструктивными особенностями сегмента кольцевой антенной решётки. Излучающие и принимающие пьезоэлементы располагаются на демпфере с некоторым утоплением на толщину датчика фиг.4. Это позволяет избавиться от всенаправленного излучения и ограничить излучение в нужном направлении. Таким образом, формируется диаграмма направленности антенного элемента. Кроме того, демпфер обеспечивает развязку между излучающими и принимающими элементами.

Эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью, адаптирует круговое полукольцо антенной решётки к некруговому периметру пациента, обеспечивая плотный ультразвуковой контакт с телом пациента. Круговой характер сегмента антенного кольца требуется сделать неизменным. Иначе невозможно будет рассчитать начальные фазы излучаемых сигналов каждым антенным элементом. Поэтому требуется эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью, чтобы согласовать сегментное кольцо с не кольцевым периметром пациента.

Техническим результатом предложения является расширение области работы устройства за счёт обеспечения плотного ультразвукового контакта сегмента антенной решётки с поверхностью любой области тела пациента, упрощения операций томографирования, облегчение процесса сбора данных, удобство манипуляций при томографировании, то есть коррекция области сбора данных, облегчение создания плотного контакта излучающих и принимающих антенных элементов сегмента кольцевой решётки с поверхностью тела пациента.

Положительный результат достигается тем, антенная решётка выполнена в виде сегмента кольца, например, в виде полукольца или четвертькольца (Фиг.1, Фиг.4). Это в свою очередь позволит сфокусировано доставить ультразвуковую энергию в нужную область тела пациента, и в конце концов получить томограмму нужной области тела пациента.

Пьезодатчики полукольца или четвертькольца антенной решётки помешены внутрь эластичного аппликатора, заполненного иммерсионной УЗИ жидкостью. Техническим результатом этого является обеспечение плотного контакта с телом пациента и беспрепятственного проникновения диагностической ультразвуковой волны в тело пациента без отражений на границе двух сред,

Расположение пьзоэлементов на демпфере с утоплением на толщину пьезопластины, даёт положительный технический результат, состоящий в развязке излучающих и приёмных элементов антенной решётки, и позволяет сформировать требуемую диаграмму излучения и приёма.

Изобретение относится к медицине. Устройство томографирования в виде сегмента кольцевой ультразвуковой антенной решётки выполнено в виде металлической основы, на которую нанесён демпфер с попеременно чередующимися излучающими и приёмными антенными элементами, фазовращателями в каналах излучателей, сумматор сигналов со всех принимающих элементов, источник монохроматической волны, запитывающий все излучающие антенные элементы через фазовращатели, устройство управления фазовращателями, сопряжённое с электронно-вычислительной машиной. При этом сегмент антенной решётки помещен вовнутрь апликатора, заполненного эмирсионной жидкостью, выполненного с возможностью устранения воздушного зазора между антенными элементами и телом пациента. Причем сегмент антенной решетки выполнен с возможностью фокусирования и управления положением фокуса и размером либо четверти кольца, либо половины кольца. Применение данного изобретения позволит проводить томографирование разных участков тела пациента, позволит упростить операции томографирования, облегчит процесс сбора данных, повысит удобство манипуляций при томографировании. 4 ил.

Устройство томографирования в виде сегмента кольцевой ультразвуковой антенной решётки, выполненной в виде металлической основы, на которую нанесён демпфер с попеременно чередующимися излучающими и приёмными антенными элементами, фазовращателями в каналах излучателей, сумматор сигналов со всех принимающих элементов, источник монохроматической волны, запитывающий все излучающие антенные элементы через фазовращатели, устройство управления фазовращателями, сопряжённое с электронно-вычислительной машиной, при этом сегмент антенной решётки помещен вовнутрь апликатора, заполненного эмирсионной жидкостью, выполненного с возможностью устранения воздушного зазора между антенными элементами и телом пациента, причем сегмент антенной решетки выполнен с возможностью фокусирования и управления положением фокуса и размером либо четверти кольца, либо половины кольца.