Устройство для ультразвукового обследования головного мозга Советский патент 1980 года по МПК A61B10/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ГОЛСВНОГО МОЗГА

изобретение относится к медицинс кой технике, а именно к диагностическим приборам для визуализации мо гового вещества, характера его изменения, координат расположения, фо мы и протяженности его отдельных участков в.трех измерениях. Известно устройство для обследования головного мозга, содержащее ультразвуковые генераторы, датчики излучения и приема и индикаторный блок 1. Однако зто устройство ; выдает информацию о состоянии головного мозг в малом объеме и не позволяет на приемлемых частотах и акустических мощностях получить достаточно качес венное изображение внутричерепного содержимого, причем получаемая при этом диагностическая информация не дает возможности визуализации струк туры мозгового вещества. Кроме того, устройство не позволяет получать количественную оценку диагностической информации. Целью изобретения является повышение качества диагностической инфо мации о состоянии головного мозга, путем визуализации структуры мозгового вещества в трех измерениях при круговом трансмиссионном сканировании ультразвуковыми лучами, получение количественной оценки диагностической информации, а также обеспечение записи и воспроизведения записанной диагностической информации. Цель достигается тем, что предлагаемое устройство имеет последовательно соединенные трансмиссионный скенирующий блок, специализированную ЭВМ, формирующий блок и блок управления, КОТО1МЛЙ имеет двустороннюю св.язь с трансмиссионным скенирующим блоком, специализированной ЭВМ и формирующим блоком, причем трансмиссионный скёнируюашй блок включает измерительный блок, скенирующий блок, блок эталонного скёнирования и координирующий записывающий блок, где измерительными блок соединен со скенирующим блоком, блоком эталонного сканирования, координируищим записывающим блоком и блоком ультразвуковых генераторов, выходы которых сое динены со входами скенирующего блока и блока эталонного скен«рования, а формирующий блок включает блок преобразования, блок установки начальной точки, блок слежения и блок связи со специализированной ЭВМ, причем

выходы е5лока преобразования непосредственно и через блок установки начальной точки соединены с индикаторным блоком, имеющим двустороннюю связь с блоком связи со специализированной ЭВМ, вход которого соединен с выходом блока слежения, соответствующие выходы которого «подключены ко входам блока преобразования, блока установки начальной точки и индикаторного блока.

Кроме того, измерительный блок содержит последовательно соединенные усилители, преобразователи, измерительные элементы и анализатор.

Координирующий записывающий блок .может содержать последовательно соединённые координатор считывания, крЪрдина ор записи, блок памяти и блок ввода , информации в- специализированну ЭВМ, а также .распределитель памяти, имеющий двустороннюю связь с координатором считывания и блоком памяти.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для обследования головного мозга; на фиг. 2 - структурная схема трансмиссионного скенирующего блока;на фиг. 3 - структурная схема измерительного блока; на, фиг, 4 - структурная схема координирующего. записывающего блокад на фиг, 5 - структурная схема формирующего блока; на фиг. 6 - схема, иллюсрирующая . взаимное положение головы пациента и шлеМа со сцентрированными ультразвуковыми датчиками излучения и приема; на фиг. 7 - схема, иллюстрирующая принцип скенирования головы пациента в виде серии томографических срезов.

Устройство содержит трансмиссионный сканирующий блок 1, специализированную ЭВМ 2,. формирующий блок 3 и блок 4 управления . Блок Г включает блок ультразвуковых генераторов, содержащий генераторы 5 импульсов высокой частоты и генераторы 6 отметок времени, а также скенирующий блок 7, блок 8 для эталонного скенирования, измерительный блок 9 и координирующий записывающий блок 10, Причем блок 9 содержит усилители 11, преобразователи 12, измерительный элемент 13 и анализатор 14, а блок 10 - координатор 15 считывания, координатор 16 записи, блок 17 памяти, распределитель 18 памяти и блок 19 ввода информации

Кроме того, блок 3 содержит блок 20 преобразования, электронно-лучевой индикатор 21, блок слежения 22, блок 23 установки начальной точки и блок 24 связи с ЭВМ 2.

Блок 7 включает головной шлем со сцентрированными ультразвуковыми датчиками излучения и приема, соединенными соответственно с ультразвуковыми генераторами и усилителем.

Генераторы 5 представляют собой управляемые схемы, диапазон рабочих частот которых 0,8-2,5 МГц и в этом диапазоне переход с одной частоты на другую осуществляется плавно.

Выбо{э рабочей частоты для исследуемого участка головы производится автоматически по командам блока и .такой, чтобы исследования вести в ближнем поле (зоне Френеля) с тем, чтобы не было потери интенсивности ультразвукового луча, связанной с его расхождением.

Кроме того, если наблюдаются большие потери интенсивности ультразвуковой энергии в костях черепа, помимо изменения частоты предусмотрено автоматическое изменение мощности - генерируемых импульсов переменного тока высокойчастоты по командам с блока 4. , ,, . 0 Импульсный режим работы генераторов 5 выбран таким, что получаемый в рез.ультате импульсный -ультразвук обладает значительно меньшей силой воздействия на биологические объекты, что позволяет применять его не только при малых и средних, но и больших интенсивностях.

Автоматическое изменение режимов

Q работы генераторов 5, направленное на изменение частоты и мощности генерируемых импульсов по командам блока 4, предназначено для обеспечения точности и эффективности исслес дования всех структур мозга.

Генераторы 6 подчинены задаче получения временных отметок для определения расстояния, проходимого ультразвуковым лучом от излучающего ультразвук датчика до жестко сцентрированного с ним приемного датчика скенирующего устройства при известной . скорости распространения ультразвука. Это необходимо для определения режима паботы генераторов 5 анализатором 14

5 блока 9 (фиг. 4). И, если измеренное расстояние равно протяженности зоны Френеля, частотный режим работы генераторов His меняется.

Высокочастотные импульсы, генери0 РУемые блоком генераторов по высокочастотному .кабелю, подаются на блок 7 (фиг. 4) и блок 8.

Блок 7 представляет собой систему, состоящую из преобразующих устройств, расположенных в си -нирующем узле, и устройства слежения за перемещением скенирующего узла.

Преобразующие устройства выполнены в виде пар жестко сцентрированных по линии одной оси датчиков, один из

0 которых работает в режимегенерации, преобразуя поступающие высокочастотные импульсы переменного тока с генераторов 5 в узкие пучки ультразвуковых лучей , а другой - в режиме

5 приема, преобразуя ультразвуковые

импульсы в высокочастотные импуйьсы

переменного тока.

Применяемый в скенирующем блоке узкий пучок ультразвуковых лучей предназначен для скенирования головы пациента в виде срезов (фиг. 7). При чем два прилежащих среза могутбыть получены одновременно, так как пары датчиков расположены одни над другими параллельно по отношен ию друг к другу и работают одновременнсэ.

Конструктивно скенирующий узел выполнен в виде шлема (фиг. 6), плотно облегающего голову пациента, и так, что излучающий и принимающий датчики, находящиеся на его внешней поверности, совершают линейное перемеще±ние поперек головы пациента и перпендикулярно к поверхности исследуемого участка головы, сохраняя неизменным расстояние между датчиками на данном участке, снимая показания от прохожДания пучка ультразвуковых лучей на каждом шаге линейного:перемещения (фиг. 7). - .

. После снятия показаний таким образом на определенном участке головы скенирующий .блок поворачивается вокруг головы на строго заданный угол и весь процесс повторяется.

По окончании кругового перемещенискенирующего блока, производящего при каждом повороте снятие показан,ий на каждом шаге линейного перемещения датчиков, осуществляется передаижение пар датчиков на новый уровень с шагом, равным двойной ширине ультразвукового луча, если пары датчиков расположены одни над другими, для получения данных со следующего уровня. Управление поворотом скенирующего блока, линейное перемещение датчиков и передвижение пар датчиков на новый уровень осуществляются устройством контроля за перемещениями, которое производит жесткий контроль и управление работой скенирующего блока..

Устройство контроля заперемеще-, ниями вырабатывает импульсы в блок 4 сигнализирующие о выполнении каждого этапа скенирования.

Блок 8, содержащий пыры датчиков по числу расположенных в .скенйрукядЕм блоке, предназначен для скенировани эталона, соответствующего по структуре костям черепа пациента, с целью определения поглощения ультразвуковой энергии костями черепа. Если происходит значительное рассеивание ультразвуковой энергии в костях чеperia, анализатором 14 блока 9 производится предварительная оценка про-г хождения ультразвуковой энергии и, если интенсивность ультразвука не- , достаточна для уверенного приема её датчиком,анализатором 14 вырабатывается импульс в блок 4, по которому поеледний йзмёняёт режим работы генераторов 5, увеличивая выходную мощность генерируемых импульсов.

Высокочастотные импульсы переменного токау педШ1Ш нгГ-Жа Ш11 :йгу торые генерируют ультразвуковые импульсы переменного тока, полученные преобразованием улавливаемых ультразвуковых импульсов, подаются на блок 9.

: Этот блок предназначен для разделIHOFO измерения поступающих с блока 7 предварительно преобразованных в код высокочастотных ийпуЛЬсов переменного тока - непосредственно с излучающего датчика и после усиления и преобразования с приемного, а также для автоматического контроля за получением ультразвуковых импульсов в виде узкого пучка в ближнем поле, не превышающем расстояние излучающим и приемным датчиками, с интенсивностью, обеспечивающей уверенный прием. Эта.цель достигается с помощью анализатора 14.

Анализатор 14 по времени, прбшедшему с момента выхода ультразвуковог сигнала с излучающего датчика до момента фиксирования его приегиным датчиком, производит вычисление расстоя ния по известной скорости распространения ультразвукового сигнала.

Измеренное расстояние сравнивается с протяженност:ью зоны Френеля на данном участке, вычисляемой по формуле

- С

S

4Cf

где D - диаметризлучения; i f - частота ультразвуковых сигналов на данном участке; i С - скорость распространения

ультразвука в данной среде. Если протяженность зоны Френеля меньше или больше расстояния между датчиками, то анализатором 14 выдается импульс в блок 4, по которому последний (фиг. 1) меняет режим работы генераторов 5, заставляя их изменять частоту ультразвуковых сигналов до величины, наиболее оптимальной для данного участка скенирования.

Если протяженность зоны Френеля равна расстоянию от излучающего зонда до принимающего, то анализатор 14 формирует импульс в блок 4, по которому он разрешает скенирование данного участка головы пациента при этой частоте, .

Кроме того, анализатор 14 осуществляет предварительную оценку ультразвукового сигнала, фиксируемого приемными датчиками скенирующе О блока 7 (фиг. 4), сравнивая его с величиной сигнала, поступающего с блока 8. ЕСЛИ интенсивность ультразвукового сигнала недостаточна для четкого приема за счет большего поглощения ультразвуковой энергии костями череп анализатор 14 формирует импульс в блок 4, который меняет режим работы генераторов 5 с целью увеличения выходной мощности генерируемых импульсов. С началом скенирования головы пациента серией управляющих импульсов с блока 4 включается блок 10, Этот блок (фиг. 4) предназначен для записи и воспроизведения записан ной .диагностической информации, поступающей с элемента 13 (фиг, 3) бло ка 9, с последующим вводом ее в специализированную ЭВМ 2, причем информация может вводиться в ЭВМ 2 неодн кратно после записи в память на заменяемый магнитный носитель информации, который также служит документом сохраняющимся в -истории болезни обсл дуемого пациента, Координатор 15 (фиг. 4) - информацию, поступающую с элемента 13 (фиг. 3) блока 9 по каждому срезу (фиг. 8), выполненному на основе томографического метода,; разделяет на два массива значений, подготавливая ее к записи. Координатор 16 (фиг. 4) производит раздельную запись в память значений интенсивности в виде двух мас сивов значений:. 3) - значение интенсивности ультразвуковых импульсов излучающего датчика; значение интенсивности ультразвуковых импульсов зафиксированных 1прием)ным датчиком. Запись информации блоком 17 производится на магнитный носитель, ра бивка которого осуществляется распр делителем 1& (фиг. 4). По окончании скенирования головы пациента и раздельной записи в память, значений интенсивности для каж дого среза -блок управления 4 серией импульсов включает блок 19 (фиг. 4) координирующего записывающего блока 10 и специализированную ЭВМ 2, блок 19 (фиг. 4) начинает упорядоченный ввод в ЭВМ 2 значений интенсивносте последовательно по каждому срезу. Эти значения обрабатываются ЭВМ которая производит,построение систе мы управлений, описывающих строго определенный срез (фиг. 7), решение которыз позволяет найти значение коэффициентов поглощения ультразвук вых лучей мозговым веществом в сколь угодно малой точке двумер ного среза. Расчет ведется так, что получаемая информация дает подробные сведе ния о тканях мозга, позволяя различать очень небольшие изменения в их плотности.

ggatsagaEga sbJi -ri На основании производимых расчетов ЭВМ 2 строит посрезно матрицы, составленные из коэффициентов поглощения, точно характеризующих каждую точку двумерных срезов (фиг. 7), которые выполнены на основе томографического метода, не допускающего взаимное наложение одних участков на другие, с последующей записью значений каждой матрицы в память, выполненную на магнитных носителях информации. Одновременно с записью в память ЭВМ 2 выводит на печать строчно-печатающим устройством цифровые значения рассчитанных коэффициентов поглощения в каждой точке двумерного среза. Информация о рассчитанных коэффициентах поглощения по каждому срезу, полученному на основе томографического метода, сформированных в виде . матриц, записывается в память ЭВМ 2 с целью неоднократного обращения к ней (информации) при синтезе, направленном на формирование объемной матрицы, составляемой из коэффициентов поглощения, которые характерны только для выбранного участка (или участков) головного мозга, и предназначенной для получения объемного изображения любого выбранного участка (или участков) головного мозга, а также с целью неоднократного воспроизведения для детального изучения картинки получаемых двумерных срезов. По окончании обработки данных и записи рассчитанных значений коэффициентов поглощения в память ЭВМ 2 формируетимпульс в блоке 4, по которому последний включает блок 3 и разрешает прием сформированных в виде, матриц данных из ЭВМ 2. Блок 3 служит для двусторонней оперативной связи с ЭВМ 2 с целью преобразования кодовых посылок цифровой информации, следующей из ЭВМ 2, в визуальный эквивалент элементов изображения и для задания специализированной ЭВМ области синтеза с целью получения объемного изображения выбранного участка мозга. Блок 20 предназначен для преобразования кодовых посылок, следующих из ЭВМ 2, в визуальный эквивалент в виде точек элементов изображения.,на экране электронно-лучевого индикатора 21 . . . Блок 22 предназначен для распределения информаций т5Геаду всеми функциональными узлами, для формирования команд в ЭВМ 2, задающихскорость ввода даняьох, а также выработки импульсов в блоке 4, сигнализирующих о начале и конце обработки поступающей информации с ЭВМ 2 по определенному срезу.. После фотографирования картинки среза с экрана индикатора, если не требуется более длительное излучение

или выделение непосредственно на экрне области синтеза, блок 4 формирует сигнал в блок 22, по которому производятся сброс полученного изображения и формирование следующей картинки.

Блок 23 предназначен для преобразования кода координат начальной точки в аналоговую величину и обеспечивает формирование соответствующего тока отклонения.

Блок 24 содержит световое перо, предназначен для оперативной связи с ЭВМ 2 с целью передачи команд блока 22, которые сигнализируют о приеме данных для построения картинки на индикаторе в режиме синтеза и передачи информации в области синтеза, отмеченной световым пером непосред,ственно на экране электронно-лучевого индикатора на любой из получаемых картинок, изображающих определенный срез.

Последовательность кодов с ЭВМ 2, соответствующих значениям коэффициентов поглощения, пЪступает на блок 20 (фиг, 5). Блок 22 (фиг. 5) распределяет поступающую информацию между функциональными генераторами устройства, которые по жестко заданной програмг е сформируют токовые аналоги того или иного коэффициента поглощения

С выходов этих генераторов сигналы поступают на вход мощных высокочастотных усилителей отклонения, формирующих токовые сигналы в малоиндуктивных отклоняющих системах, поля которых непосредственно управляют перемещением луча.

Блок 4 связан со всеми устройствами и предназначен для оперативного приема, обработки и запоминания информации, поступающей от них, и выдачи управляющих воздействий в виде параллельного двоичного кода на объект управления.

Блок 4 задает следующие виды работ:

скенирования при следующем исследовании. .

В за висимости от вида выполняемой работы блок 4 производит формирование управляющих импульсов в виде дв

ичного кода и подает их по шинам на объект управления.

: При приеме информации о выполняемой работе от устройств первоначально производится установка регистров блока 4 в исходное состояние, а затем запись.

После записи информации осуществляются анализ принятой информации и контроль нормальной работы блоков устройств. Результат контроля при наOличии ошибки или сбоя блокирует схему формирования управляющих импуль- сов.

Блок 4 производит анализ возникновения ошибки или сбоя и принимает ме5ры, направленные на их устранение.

Если сбой произошел в результате отказа аппаратуры, производятся оста.нов работы устройств и выдача на тгульт световых сигналов, указывающих блок, в котором отказала аппаратура.

0

Если ошибки или сбоя нет, осуществляется деблокировка сигналов и подготовка к сбросу триггера ошибки, продолжается дальнейшая работа устройств по выбранному виду.

5

По окончании выполнения каждой команды блок 4 формирует команду для анализа завершения выполнения предыдущей команды.

Предлагаемое устройство работает

0 следующим образом.

Голову пациента помещают в эластичный шлем скенирующего блока, плотно облегающего голову и обеспечивающего определенное ее положение для

5 исследования в нужной плоскости.

На пульте блока 4 згщается вид работы, согласно которому формируются управляющие импульсы, обеспечивающие работу блоков по заданной программе. Блок 4 первым в работу включает блок

0 1. Генераторы 5 начинают генерировать . высокочастотные импульсы, которые по высокочастотному кабелю подводятся к излучающим датчикам блока 7 и блока 8. Одновременно с преобразованием

5 высокочастотных импульсов переменного тока в пучки узконаправленных ультразйуковых лучей производится измерение блоком 9 частоты и интенсивное- ти генерируемого ультразвука по зна0чению преобразованного в код высокочастотного напряжения переменного тока и ультразвука, уловленного принимающими датчиками и предварительно усиленного после преобразования в

5 импульсы высокой частоты переменного тока, и также преобразованного в. код. .

Импульсы с генератора б, включенного вместе с генератором 5, и значения частоты и интенсивности ультразвука, поступившие С элемента 13,

0 блока 9, поступают на анализатор 14.

Происходят предварительная оценка результатой скенирования на данном участке головы пациента и формирование импульсов в блоке 4, по которым

этот блок задает устойчивый режим работы устройствам блока 1 на данном участке и разрешает раздельную запись значений исследования блоку 10,

Блоком 10 прЬйз водйт ся раздельная запись в блок 17резу льтатов циркулярного сканирования, поступающих с блока 9 на Каждом шаге линейного перемещения пар датчиков по каждому йЪслёдуемому срезу и работающих одновременно.

По окончании записи значений для Каждого среза координатором 16(фиг,4) формируется в блоке 4 импулъс, свидетельствующий об окончании записи данных скенирования на определенйбм исследуемом уровне головы пациента, по KOTOpiOMy блок 4 посылает управляющие импульсы в устройства слежения за перемещением для выполнения перемещения пар датчиков на новый уровень для скенирования следующего участка головы.

Пр окончании скенирования головы пациента блок 4 включает ЭВМ 2 и разрешает блоку 10 упорядоченный ввод данных по каждому двумерному срезу

в ЭВМ 2. . . .

По мере поступления информации ЭВМ 2 производит пбстроение системы уравнений7 По которым производится расчет коэффициентов прглощёнй я ультразвуковых лучей мозговым веществом

В каЛдой, сколь угодно м&лой точке

ДвумёрнЬгб среза. - .

На основе коэффициентов поглощения, найденных в результате вычислений, ЭВМ 2 строит матрицы по каждому двумерному срезу, составленные из коэффициентов поглощения мозговым веществом ультразвука в каждой точке двумерного среза, с последующей за- . Писью их (матриц) в память.

Одноврёмейно с записью ЭВМ 2 выводит на печать строчно-печатающим устройством цифровые значения коэффициентов поглощения, строго повто-

. ряющие их место нахождения в матрице. По окойчании записи матриц по каждому срезу в память ЭВМ 2 формируются в 1блоке 4 импульсы об окончании вычислений, по которым этот блок включает блок 3 и разрешает ЭВМ 2 последЬ ватеЛьный ввод данных по каждому;

срезу. :-;. : , . гПоступающая информаЦйя блоком 3 преобразуется из коэффициентов поглощения вВизуальный эквивалент эле- - ; ментов изображения в виде точек, создающих ,изображение riByMejpHoro среза на экране электронно-лучевого индикатора.

.- - - Если двумерный ср езсфотографйрован и не требует длительного изуче,ния ИЛИ задания области синтеза ЭВМ 2, то блоком 4 формируются управляющие импульсы, п6 кЬт6рымблок 3 Производит сброс изображения и начало формирования следующего.

Если на двумерном срезе, полученном на экране электронно-лучевого индикатора, необходио выделить учас- , ток головного мозга и задать область синтеза специализированной ЭЁМ 2, направленного на получение объемного, изoбI5ajжeния только выбранного участка головного мозга, тосветовым пером блока 24 производится выделение нужного участка с одновременным сообщением областиСинтеза ЭВМ 2.

ЭВМ 2 прекращает передачу информации в блок 3 по срезам и начинает работать в режиме синтеза, направленного на формирование объемной матрицы, которая составлена из характерных для выделенного участка коэффициентов поглощения по каждому срезу, занимаемому выделенным участком.

Как только объемная матрица синтезирована и записана в память машины на свободное место, без вывода результатов -на печать, ЭВМ 2 производится, передача объемной матрицы блоку 3, создающему объемное изображение выделенного участка на экране электронно-лучевого индикатора.

После фотографирования и узученКя непосредственно на экране полученного объемного изображения блоком 4 производится его сброс и, если не требуется дальнейшее получение картин , изображающих последук)щие двумерные срезы, осуществляется выключение устройства.

Предлагаемое устройство обеспечивает повьшение качества диагностической информации о состоянии головного мозга, причем результат одного исследования может многократно и с любых возможных точек зрения подвергаться как количественной, так и качественной обработке без повторного . исследования больного.

Формула изобретения

;|блок, блок эталонного скенирования координирующий записывающий блок, где измерительный блок соединен со сканирующим блоком, блоком эталонного скенирования, координирующим задисывсцощим блоком и блоком ультразвуковых генераторов, выходы которых соединены со входами сканирующего блока и блока эталонного скенирования, а формирующий блок включает бло преобразования, блок установки на.чальной точки, блок слежения и блок 1СВЯЗИ со специализированной ЭВМ, причем выходы блока преобразования непосредственно и через блок установки начальной точки соединены с индикаторным блоком, имеющим.двустороннюю связь с блоком связи со специализированной ЭВМ, вход которого соединен с выходом блока слежения, соответствующие выходы которого, подключены ко входам блока Преобразования, блока установки начальной точки и индикаторного блока.

количественной оценки диагностической информации, измерительный блок содержит последовательно соединенные усилители, преобразователи, измерительные элементы и анализатор,

Q блок содержит последовательно соедйненные координатор считывания, координатор записи, блок памяти и блок ввода информации в специализированную ЭВМ, а также распределитель памяти, имеющий двустороннюю связь с координатором считывания и блоком памяти .

Источники информации, 0 принятые во внимание при экспертизе

0Ut.l

с Мяв 7

Smtiei/itKi

luteic {лвмТ

ГА

cufHtjitt 1т.

iHtti На хв

e яaяa влtl a

ви.3

Фиг.2

./г:- л ... ,, л;

- f,i.-.. . . n/ Viv-V./

i . TiQcin

738610

Выходе блока9

На8ход ЗВМг ФиаЛ