Устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки
Владельцы патента RU 2765605:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (RU)
Изобретение относится к медицине. Устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки содержит металлическую основу кольцевой ультразвуковой антенной решётки 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 основа ультразвуковой антенной решётки выполнена из N-металлических сегментов кольца с возможностью соединения в кольцо с образованием правильной окружности. На сегменты с внутренней стороны нанесён слой демпфера, в котором расположены с чередованием излучающие и принимающие антенные элементы с утоплением в демпфер на толщину антенного элемента. Каждый сегмент кольца помещен в эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью с возможностью регулирования ее количества. Применение данного изобретения позволит расширить область работы устройства за счёт обеспечения плотного ультразвукового контакта кольцевой антенной решётки с поверхностью шеи, грудинной или поясничной областями пациента. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области ближней локации на акустических волнах с зондированием окружающего пространства монохроматическим сигналом. Информация о дальности до отражающих точек объекта извлекается с помощью управляемой фокусировки. Данное предложение 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.
Аналогом предлагаемого устройства является известное устройство [патент № US 2014/0316269 A1] (FIG.1), содержащее плоскую антенную решётку (FIG.61 J.), или антенную решётку в виде сектора параболы (FIG.61 A.), или в виде параболойда (FIG.61 B.) с механическим перемещением фокуса излучаемой ультразвуковой энергии, путём изменения положения антенной решётки внутри аппликатора (FIG.1.), генератор зондирующих импульсов FIG.1., несколько приёмных пьезоэлементов, блок компьютерного управления с наведением фокуса с помощью маяка для доставки ультразвуковой энергии в область указанную маяком. (указанная нумерация рисунков относится к описанию патента US 2014/0316269 A1).
Данное устройство, содержащее плоскую антенную решётку или решётку в виде параболоида, не позволяет томографировать шейный отдел пациента из-за неподходящей формы антенной решётки не позволяющей достичь нужного контакта с поверхностью шеи, а также не позволяющей доставить ультразвуковую энергию в нужную область шейного отдела.
Также широко известны ультразвуковые импульсно-доплеровские томографы с неглубоким проникновением зондирующего сигнала для визуализации сонной артерии шейного отдела. [Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы. Практическое руководство для пользователей Москва ВИДАР 1999, https://studizba.com/files/show/djvu/1786-1-osipov-l-v--ul-trazvukovye.html]. Основной особенностью этого томографа является неглубокое зондирование, позволяющее подробно просмотреть сонную артерию, расположенную вблизи от поверхности шеи.
Известное ультразвуковое доплеровское устройство с импульсным принципом действия рассчитано на неглубокое зондирование сонной артерии не позволяет получить полную, глубокую картину шейного отдела в сечении.
Устройство по [Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы. Практическое руководство для пользователей Москва ВИДАР 1999] отличается от устройства по [патент № US 2014/0316269 A1] устройства только конструкцией ультразвукового датчика (антенной решётки) и параметрами зондирующего сигнала.
Общим недостатком обоих устройств является невозможность получения полной картины сечения тела пациента. Они позволяют визуализировать небольшой сектор, то есть часть сечения объекта в виде сектора.
В качестве прототипа устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки [патент RU2728512]. Устройство прототипа приведено на Фиг. 1. Оно содержит металлическую основу ультразвуковой антенной решетки в виде кольца 1 с попеременно чередующимися излучающими 2 и приёмными 3 антенными элементами, выполненными из полосок пьезокерамики на основе ниабата лития или титаната бария, фазовращатели 4 
в каналах излучателей, сумматор 
5 сигналов со всех принимающих элементов, источник монохроматической волны 6, запитывающий все излучающие антенные элементы через фазовращатели, устройство управления фазовращателями 
, , , ……… 7 сопряжённое с электронно-вычислительным устройством. Данное устройство 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 Δ соответствует пределу Релея, определяется формулой Δ=λ/5, где λ – длина ультразвуковой волны.
Метод томографии, основанный на управляемой фокусировке, предусматривает зондирование пациента ультразвуковой монохроматической волной, избавляет от дисперсионных искажений и позволяет получить более качественное изображение, чем при импульсной ультразвуковой томографии.
Однако, указанное устройство в виде кольца не даёт возможности томографировать шейный отдел пациента. Если диаметр кольцевой решётки выбрать из условия прохождения головы пациента, то в области шеи будет большой воздушный зазор, который не обеспечит плотный контакт кольцевой антенной решётки с поверхностью шеи. Указанный воздушный зазор препятствует прохождению ультразвуковой волны в тело пациента и лишает возможности доставки сфокусированной ультразвуковой энергии в нужную область пациента. Это в свою очередь не позволяет просканировать управляемым фокусом внутренние области шеи и построить изображение внутренней структуры в сечении.
Такая же проблема возникает при томографировании грудной или поясничной области.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является расширение области работы устройства томографии на базе кольцевой антенной решётки за счёт расширения функциональности кольца благодаря вариации его геометрии для плотного контакта излучающих и принимающих антенных элементов кольцевой решётки с поверхностью шеи, грудной или поясничной области. Ожидаемый от использования положительный эффект обеспечит плотный контакт кольцевой антенной решётки с указанными поверхностями и позволит доставить ультразвуковую энергию в нужную область тела пациента, а также даст возможность просканировать фокусом внутреннюю область тела пациента и построить её изображение в сечении.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащим металлическую основу кольцевой ультразвуковой антенной решётки 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, с целью получения плотного контакта элементов антенной решётки с телом пациента для обеспечения доставки сфокусированной ультразвуковой энергии в заданную область шеи, а также грудной и поясничной области и получения возможности томографирования указанных отделов, предусматривается технологическое изменение геометрии кольца во время установки его на пациенте для этого, при этом основа ультразвуковой антенной решётки выполнена из N-металлических сегментов кольца с возможностью соединения в кольцо с образованием правильной окружности, на сегменты с внутренней стороны нанесён слой демпфера, в котором расположены с чередованием излучающие и принимающие антенные элементы с утоплением в демпфер на толщину антенного элемента, каждый сегмент кольца помещен в эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью с возможностью регулирования ее количества. Технологическое изменение геометрии кольца во
время установки его на пациенте предусматривает разное возможное N-количество сегментов кольца основы ультразвуковой антенной решётки. Например, при N=2 основа представляет собой два полукольца. Излучающие и принимающие антенные элементы могут быть выполнены, например, в виде полосок пьезоэлементов. Соединение сегментов, и в частности, полуколец, в кольцо может осуществляется, например, посредством торцевых магнитов. В качестве электронно-вычислительной машины (ЭВМ) может быть использован, например, персональный компьютер.
На Фиг.1 представлено устройство, принятое за прототип. На Фиг. 2 представлено предлагаемое устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки при N=2. На Фиг.3 представлен пример расположения сегментов (полуколец) ультразвуковой антенной решётки на шее пациента. На Фиг. 4 представлено конструктивное исполнение полукольцевой антенной решётки.
Устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решетки (фиг.1, фиг.2, фиг.4) содержит 1 – металлическая основа ультразвуковой кольцевой антенной решетки, 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 ЭВМ, 8 – металлическая основа ультразвуковой кольцевой антенной решетки из сегментов (при N=2 металлическая основа в виде полукольца), 9 – торец соединения сегментов в кольцо, например, магнитный, 10 – демпфер, 11 – эластичный аппликатор, 12 – иммерсионная жидкость.
Предлагаемое устройство при N=2 (фиг.2) представляет собой два полукольца ультразвуковой антенной решетки. Конкретное устройство одного из полуколец приведено на Фиг.4. Полукольца выполнены из металла и представляют собой полуокружности. После соединения полуколец они должны образовывать правильную окружность, с известным радиусом. Радиус окружности, составленной из полуколец, необходим при расчёте начальных фаз, которые устанавливаются фазовращателями. На торцах полуколец предусмотрены замки, например, в виде магнитов 9, позволяющие соединить два полукольца в кольцо, охватив шею или туловище пациента на фиг.3. На металлическую основу в виде полукольца 8 с внутренней стороны нанесён слой демпфера 10 из звукопоглощающего материала. В слое демпфера 10, с небольшим утоплением располагаются излучающие 2 и принимающие 3 антенные элементы, выполненные, например, в виде полосок пьезоэлементов, которые выполняют функции излучения и приёма ультразвуковых волн. Из-за демпфера 10 антенные элементы 2 направленно излучают ультразвуковую энергию только во внутрь кольца. Принимающие антенные элементы 3 также обладают направленным приёмом ультразвуковой энергии, идущей из внутренней области кольца. Принимающие 3 и излучающие 2 элементы чередуются. Демпфер 11 позволяет сформировать диаграммы направленности отдельных антенных элементов, а также позволяет развязать принимающие элементы 3 от излучающих элементов 2. Все элементы помещены внутри аппликатора 11, заполненного иммерсионной жидкостью 12. Подкачка иммерсионной жидкости во внутрь аппликатора позволяет подобрать размеры полуколец под индивидуальные размеры пациента и обеспечить хороший ультразвуковой контакт с телом пациента. 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 томографирования с помощью кольцевой антенной решётки работает следующим образом. Сгенерированная ультразвуковая энергия источником 6 в виде монохроматической волны поступает на излучающие элементы 2 сегментов кольцевой антенной решётки через фазовращатели 4. Фазовращатели управляются напряжениями Uу, поступающими с устройства управления 7, сопряжённого с электронно-вычислительным устройством. Выше описанная часть устройства позволяет сфокусировать ультразвуковую энергию и кроме того позволяет управлять положением фокуса внутри кольца, где располагается пациент. Отражённые сигналы от точек объекта, попавших в фокус, приходит на принимающие пьезоэлементы 3 на сегментах кольцевой антенной решётки. Отражённые сигналы, пришедшие из фокуса внутри кольца, 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.
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 кольцевой антенной решётки. Излучающие и принимающие антенные элементы располагаются на демпфере с некоторым утоплением на толщину элемента. Это позволяет избавиться от всенаправленного излучения антенных элементов и ограничить излучение в нужном направлении. Таким образом, формируется диаграмма направленности антенного элемента (ультразвукового датчика). Кроме того, демпфер обеспечивает развязку между излучающими и принимающими элементами.
Эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью, адаптирует круговое кольцо антенной решётки к некруговому периметру пациента, обеспечивая плотный ультразвуковой контакт с телом пациента. Круговой характер антенного кольца требуется сделать неизменным. Иначе невозможно будет рассчитать начальные фаза излучаемых сигналов каждым антенным элементом. Поэтому требуется эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью, чтобы согласовать антенное кольцо, образованное N-сегментами кольцами с не кольцевым периметром пациента.
Техническим результатом изобретения является расширение области работы устройства за счёт обеспечения плотного ультразвукового контакта кольцевой антенной решётки с поверхностью шеи, грудинной или поясничной областями пациента. Положительный результат достигается тем, кольцевая антенная решётка заменена N разъёмными сегментами кольца с возможностью соединения в кольцо, например, посредством торцевых магнитов. Это в свою очередь позволит сфокусировано доставить ультразвуковую энергию в нужную область тела пациента, и в конце концов получить томограмму шеи, грудинной или поясничной области.
Антенные элементы сегментов колец кольцевой 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 для каждого антенного элемента.
Регулирование количества иммерсионной жидкости вовнутрь аппликатора путем, например, подкачки позволяет обеспечить хороший ультразвуковой контакт антенных элементов при большом разбросе размеров томографируемых областей, связанных с индивидуальными особенностями пациентов.
1. Устройство томографирования с помощью кольцевой антенной решётки, содержащее металлическую основу кольцевой ультразвуковой антенной решётки 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, отличающееся тем, что основа ультразвуковой антенной решётки выполнена из N-металлических сегментов кольца с возможностью соединения в кольцо с образованием правильной окружности, на сегменты с внутренней стороны нанесён слой демпфера, в котором расположены с чередованием излучающие и принимающие антенные элементы с утоплением в демпфер на толщину антенного элемента, каждый сегмент кольца помещен в эластичный аппликатор, заполненный иммерсионной жидкостью с возможностью регулирования ее количества.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основа ультразвуковой антенной решётки представляет собой два полукольца.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основа ультразвуковой антенной решётки представляет собой три сегмента кольца.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающие и принимающие антенные элементы выполнены в виде полосок пьезоэлементов.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединение сегментов колец в кольцо осуществляется посредством торцевых магнитов.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве электронно-вычислительной машины используют персональный компьютер.
