способ получения ультразвуковых изображений головного мозга

Формула изобретения

1. Способ получения ультразвуковых изображений головного мозга, включающий формирование и преобразование электрических импульсов в зондирующие ультразвуковые сигналы, сканирование структур головного мозга посредством приемопередающего многоэлементного датчика, установленного на голове пациента, прием и преобразование в электрические отраженных эхо-сигналов и формирование по ним изображения визуализации, отличающийся тем, что на противоположной относительно установленного многоэлементного датчика стороне головы пациента соосно с ним размещают юстировочный пьезопреобразователь с близкой к точечной апертурой и предварительно проводят юстировку на прием, включающую формирование зондирующих импульсов, излучение их в виде импульсного ультразвукового сигнала юстировочным пьезопреобразователем, измерение задержек и сдвигов по фазе принятых сигналов на отдельных элементах приемопередающего многоэлементного датчика и запоминание их и юстировку на передачу, включающую формирование зондирующих импульсов, поочередное излучение их отдельными элементами приемопередающего многоэлементного датчика, для каждого из которых были установлены соответствующие задержка и сдвиг по фазе сигнала, замеренные при юстировке на прием, измерение, запоминание взаимных различий по задержке и сдвигу по фазе принятых юстировочным датчиком сигналов и введение их в виде поправок при сканировании структур головного мозга.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изменении положения плоскости сканирования и взаимного положения приемопередающего многоэлементного датчика и юстировочного пьезопреобразователя юстировку на прием и передачу проводят повторно.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемопередающего многоэлементного датчика используют многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь, размер апертуры каждого элемента которого выбирают меньше пространственного радиуса корреляции акустических неоднородностей костной ткани головного мозга.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что приемопередающий многоэлементный датчик и юстировочный пьезопреобразователь размещены на криволинейной дуге держателя, установленного с возможностью перемещения и фиксации на голове пациента, при этом многоэлементный датчик смонтирован на дуге с возможностью поворота вокруг своей оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ультразвуковой медицинской диагностике и может быть использовано в нейрохирургии, невропатологии, медицине катастроф, военно-полевой хирургии и неотложной медицине для ультразвукового исследования и оценки состояния головного мозга.

Известны способы и устройства для получения ультразвуковых изображений головного мозга (А.С. №518928, А 61 В 8/14; патенты РФ №№2108063, А 61 В 8/00; 2125401, А 61 В 8/00; 2203622, А 61 В 8/14). Общим характерным недостатком известных способов и устройств получения ультразвуковых изображений головного мозга является низкое качество этих изображений, что обусловлено расфокусировкой передающих и принимаемых эхо-сигналов в процессе прохождения через черепную костную ткань пациента.

Известен также способ и устройство для получения ультразвуковых изображений структур головного мозга ( заявка №2002107969, А 61 В 8/12; публикация 20.12.2003 г.). Данный способ предусматривает использование одного или двух приемоизлучающих ультразвуковых датчиков и осуществление предварительной калибровки, для чего под каждым датчиком измеряют параметры кости, которые учитывают при формировании диаграммы направленности излучения для облучения заданной области головного мозга и получения его ультразвукового изображения. Недостатком данного способа получения ультразвукового изображения структур головного мозга является значительная сложность его реализации, обилие различных последовательно осуществляемых операций, которые не гарантируют высокого качества ультразвукового изображения головного мозга.

Общеизвестно, что при транскраниальных исследованиях головного мозга с использованием ультразвуковых сканирующих систем не удается получить достаточно хорошего качества изображения структур головного мозга вследствие расфокусирующего действия костной ткани, через которую проводится ультразвуковое сканирование. В обычных ультразвуковых диагностических системах при транскраниальных исследованиях головного мозга с использованием многоэлементного приемопередающего датчика датчик фиксируют на голове пациента на одном из участков, где костная ткань наиболее тонка, чаще всего это височная область, хотя возможна затылочная или другие области. Ультразвуковые сигналы, излучаемые элементами датчика, в процессе прохождения через костную ткань черепа претерпевают помимо существенного затухания также фазовые сдвиги или сдвиги по задержке, которые для каждого из элементов датчика различны, что приводит к расфокусировке передающего луча. Эхо-сигналы, получаемые в процессе отражения от структур головного мозга, проходя через ту же костную ткань черепа, получают дополнительные аналогичные искажения, которые вызывают расфокусировку на прием, так что в результате поперечная и толщинная разрешающая способность ухудшаются, что приводит к заметному снижению качества акустического изображения головного мозга.

Известен способ получения ультразвукового изображения, который реализуется с использованием устройства, приведенного в книге “Ультразвуковые диагностические приборы. Практическое руководство для пользователей” (Осипов Л.В.; М.; “Видар”, 1999 г.; стр.32-35, 70; см. приложение). Способ получения ультразвукового изображения, описанный в указанной книге, является наиболее близким по технической сущности к патентуемому изобретению и реализуется применительно к исследованиям головного мозга следующим образом. Формируют сначала электрический, а затем зондирующий ультразвуковой импульс, осуществляют периодическое излучение ультразвукового сигнала в пределах сфокусированного передающего луча и сканирование этим лучом структур головного мозга с использованием формирователя луча и приемопередающего многоэлементного датчика. Обеспечивают в сфокусированном приемном луче прием эхо-сигналов, отраженных от акустических неоднородностей структур головного мозга. Осуществляют преобразование этих эхо-сигналов в электрические сигналы, обеспечивают усиление электрических сигналов, преобразование, обработку, запоминание сигналов. После чего формируют изображение структур головного мозга и отображают его на устройстве визуализации, например на дисплее.

Как уже отмечалось, при транскраниальных исследованиях головного мозга ультразвуковые сигналы, излучаемые и принимаемые датчиком, в процессе прохождения костной ткани головного мозга претерпевают фазовые сдвиги и сдвиги по задержке, что вызывает расфокусировку передающего и принимаемого луча и, как следствие, низкое качество получаемого ультразвукового изображения и ошибки при диагностике и оценке состояния головного мозга.

Настоящее изобретение решает задачу повышения качества и информативности получаемых ультразвуковых изображений головного мозга, а также повышения уровня диагностики, достоверности и объективности оценки состояния головного мозга.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом.

В способе получения ультразвуковых изображений головного мозга, включающем формирование электрических импульсов, преобразование электрических импульсов в зондирующие ультразвуковые сигналы, периодическое излучение ультразвуковых сигналов и сканирование структур головного с использованием формирователя луча и приемопередающего многоэлементного датчика, прием ультразвуковых эхо-сигналов, отраженных от акустических неоднородностей, преобразование эхо-сигналов в электрические сигналы, усиление электрических сигналов, преобразование, обработку, запоминание сигналов, формирование изображения и передачу его на устройство визуализации, согласно настоящему изобретению, перед получением ультразвукового изображения головного мозга с использованием формирователя луча и приемопередающего многоэлементного датчика, установленного на голове пациента (например, на наиболее тонком участке костной ткани головы в височной области), на противоположной относительно многоэлементного датчика стороне головы пациента устанавливают соосно ему юстировочный пьезопреобразователь с малой, близкой к точечной апертурой и осуществляют юстировку устройства. Для этого сначала осуществляют юстировку устройства на прием, которая включает формирование зондирующих импульсов и подачу их на юстировочный пьезопреобразователь, с использованием которого осуществляют излучение импульсного ультразвукового сигнала. Последний, пройдя через голову пациента, поступает на отдельные элементы многоэлементного приемопередающего датчика, в каждом из которых измеряют задержки и сдвиги по фазе принятых сигналов, обусловленные костной тканью головы пациента. Измеренные для каждого элемента многоэлементного датчика задержки и сдвиги по фазе принятых сигналов запоминают.

Затем, согласно изобретению, осуществляют юстировку устройства на передачу, которая включает формирование зондирующих импульсов и их последующую поочередную подачу на отдельные элементы многоэлементного приемопередающего датчика, для каждого из которых устанавливают соответствующие задержки и фазу, которые были измерены для данного элемента в режиме юстировки на прием. Многоэлементный датчик преобразует зондирующие импульсы в ультразвуковые сигналы, после чего юстировочным пьезопреобразователем осуществляют прием ультразвуковых сигналов, которые излучаются поочередно каждым элементом многоэлементного датчика и проходят через голову пациента. Для каждого элемента многоэлементного датчика измеряют взаимные задержки и сдвиги по фазе сигналов, принятых юстировочным пьезопреобразователем. Измеренные значения взаимных фазовых сдвигов и задержек направляют в формирователь луча, в котором осуществляют компенсацию их различий для различных глубин фокусировки и вводят необходимую поправку при формировании сферического фронта на излучение и прием. После чего устройство используют в обычном режиме сканирования, осуществляют излучение ультразвуковых сигналов, прием и прием и усиление эхо-сигналов, преобразование, обработку, запоминание сигналов, формирование и отображение (визуализацию) изображения головного мозга.

Изобретение предусматривает, что каждый раз при изменении положения плоскости сканирования и взаимного положения многоэлементного датчика и юстировочного пьезопреобразователя юстировку устройства на прием и передачу осуществляют повторно.

Согласно настоящему изобретению, в качестве приемопередающего многоэлементного датчика используют многоэлементный пьезоэлектрический преобразователь, размер апертуры каждого элемента которого выбирают меньше пространственного радиуса корреляции акустических неоднородностей костной ткани головы.

Согласно изобретению, многоэлементный приемопередающий датчик и юстировочный пьезопреобразователь размещают на криволинейной дуге держателя, который фиксируют на голове пациента, с возможностью их перемещения вместе с держателем в другие фиксированные положения на голове пациента. Многоэлементный датчик смонтирован также с возможностью поворота вокруг своей оси.

Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что после осуществления предварительной юстировки устройства на прием и передачу обеспечивается фокусировка зондирующего ультразвукового импульса и принимаемого эхо-сигнала, отраженного от акустических неоднородностей головного мозга, что позволяет:

- существенно повысить разрешающую способность и качество получаемого ультразвукового изображения головного мозга;

- обеспечить повышенный уровень достоверности и объективности оценки состояния головного мозга, повысить качество диагностики и обеспечить выбор оптимальной методики лечения пациента.

Сущность настоящего изобретения поясняется примером реализации патентуемого способа получения ультразвуковых изображений и чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - блок-схема варианта устройства для реализации разработанного способа;

фиг.2 - укрупненная блок-схема алгоритма юстировки и управления, которые реализуют контроллер 6, формирователь луча 4 и приемопередатчик 5.

Патентуемый способ получения ультразвуковых изображений головного мозга осуществляют с помощью устройства, которое содержит (фиг.1) многоэлементный приемопередающий датчик 1 и юстировочный пьезопреобразователь 2, смонтированные на держателе 3, который фиксирует на голове пациента соосное положение датчика 1 и юстировочного пьезопреобразователя 2. В качестве многоэлементного датчика 1 может быть использован фазированный датчик, применяемый для транскраниальных исследований в серийно выпускаемых ультразвуковых диагностических приборах (например, производства фирм Алока, Филипс, Сименс и т.д.). В качестве юстировочного пьезопреобразователя 2 может быть применен датчик с малой апертурой, используемый в отечественном ультразвуковом офтальмологическом приборе ЭОМ-24 производства МПЗ-1 (г.Москва).

Многоэлементный приемопередающий датчик 1 соединен многожильным кабелем с формирователем луча 4, который первым многоканальным выходом подключен к первому многоканальному входу приемопередатчика электрических сигналов 5, который соединен с юстировочным пьезопреобразователем 2, а своим первым многоканальным выходом подключен к первому многоканальному входу формирователя луча 4, выход которого соединен с входом контроллера 6. Первый, второй и третий многоканальные выходы контроллера 6 подключены соответственно к второму многоканальному входу формирователя луча 4, второму многоканальному входу приемопередатчика электрических сигналов 5 и первому многоканальному входу блока обработки, преобразования и запоминания сигналов 7, второй многоканальный вход которого подключен к второму многоканальному выходу приемопередатчика электрических сигналов 5. Выход блока обработки, преобразования и запоминания сигналов 7 подключен к входу дисплея 8. Блоки 4, 5, 6, 7 и 8 подключены к источнику питающего напряжения 220 В (на фиг. не показан).

Формирователь луча 4 предназначен для установки необходимых задержек передающих сигналов, поступающих в многоэлементный датчик 1 от приемопередатчика 5, и задержек сигналов, принимаемых датчиком 1, с целью фокусировки луча на передачу и прием, а также для осуществления поворота ультразвукового луча в процессе сканирования. Формирователь луча 4 включает в себя предусилители сигналов, принимаемых многоэлементным датчиком 1, построен по аналоговой или цифровой схеме и подобен формирователям луча, используемым в серийных ультразвуковых приборах с фазовым сканированием (например, производства упомянутых выше фирм Алока или Филипс). Отличие от известных формирователей луча в предлагаемом устройстве состоит в том, что при управлении задержками в каналах, соответствующих отдельным элементам приемопередающего датчика 1, вводятся дополнительные задержки, определяемые в формирователе луча 4 в процессе юстировки путем излучения или приема сигналов юстировочным пьезопреобразователем 2, и компенсирующие сдвиги по задержке, вносимые костью черепа. Для этого на выходе предусилителей, имеющихся в каждом из каналов формирователя луча 4, соответствующих элементам многоэлементного датчика 1, имеются схемы обнаружения импульсов, излученных юстировочным пьезопреобразователем 2, а также измерители временного положения переднего фронта обнаруженных импульсов относительно переднего фронта импульса, излученного юстировочным пьезопреобразователем 2. В качестве измерителей временного положения могут использоваться счетчики числа синхроимпульсов от кварцованного генератора импульсов, находящихся на интервале между началами излученного пьезопреобразователем 2 сигнала и сигналов, принятых элементами датчика 1. Кварцованный генератор импульсов входит в состав контроллера 6 и импульсы от него поступают с первого многоканального выхода контроллера 6 на второй многоканальный вход формирователя луча 4.

Приемопередатчик электрических сигналов 5 формирует электрические импульсные сигналы на передачу, поступающие с первого многоканального выхода на первый многоканальный вход формирователя луча 4, а также принимает на первый многоканальный вход и усиливает сигналы, поступающие с первого многоканального выхода формирователя луча 4 в режиме приема эхо-сигналов.

В качестве приемопередатчика 5 может использоваться аналогичный блок из серийных ультразвуковых приборов типа упомянутых выше. Отличие состоит в том, что для реализации патентуемого способа в режиме юстировки в одном случае сигнал на передачу подается на юстировочный пьезопреобразователь 2, а в другом случае режима юстировки сигналы на передачу подаются через формирователь луча 4 поочередно на отдельные элементы многоэлементного датчика 1.

Контроллер 6 обеспечивает синхронизацию и управление работой всех блоков устройства. В качестве контроллера 6 может применяться аналогичный блок на базе процессоров и программ серийно выпускаемых ультразвуковых сканеров упомянутых выше фирм. При этом программа функционирования контроллера 6 обеспечивает дополнительно режим юстировки Укрупненная блок-схема алгоритма юстировки и управления, реализуемая контроллером 6 совместно с формирователем луча 4 и приемопередатчиком 5, приведена на фиг.2. Полная и подробная документация в части программного обеспечения работы контроллера 6 и устройства в целом содержится в технической документации заявителя (АСПИ. 469.158.004).

Блок обработки, преобразования и запоминания сигналов 7 предназначен для обработки сигналов, принятых приемопередатчиком 5, с целью вычисления глубины акустических неоднородностей и уровня соответствующих эхо-сигналов при каждом положении луча в процессе сканирования, преобразования координат и амплитуд принятых сигналов из системы координат, соответствующей способу сканирования, в систему координат, в которой строится изображение на дисплее 8, и, наконец, для запоминания кадров изображения с целью обеспечить их считывание с темпом, соответствующим частоте кадров дисплея. В качестве блока обработки преобразования и запоминания сигналов 7 может быть использован аналогичный блок, входящий в состав одного из серийно выпускаемых ультразвуковых приборов фирм Алока или Филипс.

Дисплей 8 осуществляет визуализацию изображения, сформированного блоком обработки, преобразования и запоминания сигналов 7. Применим любой стандартный телевизионный или компьютерный дисплей на электронно-лучевой трубке или жидкокристаллических индикаторах.

Конкретная схемотехническая реалицации блоков 4, 5, 6 и 7 устройства содержится в технической документации заявителя.

Разработанный способ получения ультразвукового изображения головного мозга реализуют следующим образом.

Держатель 3 с многоэлементным датчиком 1 и юстировочным пьезопреобразователем 2 устанавливают на голове пациента. Фиксируют датчик 1 и пьезопреобразователь 2, например, на височной области головы пациента соосно друг другу. Осуществляют юстировку устройства, которую проводят в два этапа. В первом из них осуществляют юстировку на прием, во втором - юстировку на передачу. Раздельное проведение юстировок устройства на прием и передачу позволяет уменьшить ошибки юстировки, возникающие вследствие переотражений сигналов в костной ткани, а также учесть взаимное различие между каналами на передачу и каналами на прием в формирователе луча 4.

Юстировку устройства на прием осуществляют следующим образом. Контроллер 6 включает юстировку на прием. При этом приемопередатчик 5 формирует электрический зондирующий импульс, поступающий на юстировочный пьезопреобразователь 2, который излучает акустический сигнал. Акустический сигнал, пройдя через кости черепа и головной мозг пациента, принимается отдельными элементами многоэлементного датчика 1. С выхода датчика 1 принятые сигналы поступают на предусилители формирователя луча 4. На выходе предусилителей формирователя луча 4, каждый из которых соответствует одному из элементов многоэлементного датчика 1, с помощью схем обнаружения принятых импульсов, а также измерителей временного положения начала этих импульсов относительно начала зондирующего импульса, измеряют значения задержки импульсов в каждом из каналов. Задержка в канале, соответствующем центральному элементу многоэлементного датчика, определяет расстояние между юстировочным пьезопреобразователем и апертурой многоэлементного датчика. В отсутствие влияния костной ткани задержки в каналах соответствуют сферическому фазовому фронту распространения сигнала, излученного юстировочным пьезопреобразователем 2. Отличие реально измеренных задержек от указанной закономерности обусловлено влиянием костной ткани в месте контакта с многоэлементным датчиком 1. Указанные отличия для каждого элемента вычисляют и запоминают.

После этого осуществляют юстировку на передачу, при которой в приемопередатчике 5 формируют периодическую последовательность зондирующих импульсов, которые через формирователь луча 4 поступают по очереди на отдельные элементы многоэлементного датчика 1. В формирователе луча 4 устанавливают для каждого элемента датчика 1 задержку, соответствующую измеренной в режиме юстировки на прием. Зондирующие импульсы преобразуются в многоэлементном датчике 1 в акустические импульсы, которые, пройдя через кости черепа и головной мозг пациента, поступают в юстировочный пьезопреобразователь 2 также в виде последовательности импульсов, которые поступают в приемную часть приемопередатчика 5, где усиливаются, и далее поступают в формирователь луча 4 на схему обнаружения и измерения задержек. В том случае, если измерения в процессе юстировки на прием были проведены корректно и отсутствуют отличия по задержке между соответствующими каналами на прием и передачу в формирователе луча 4 и приемопередатчике 5, сигналы, принятые юстировочным пьезопреобразователем 2 от каждого из элементов многоэлементного датчика 1, практически будут иметь одну и ту же величину запаздывания относительно момента излучения соответствующим элементом многоэлементного датчика. Если же величины запаздывания отличаются между собой, то их различия запоминают.

На этом режим юстировки заканчивают и ультразвуковая система переходит на обычный режим работы сканирования для получения двухмерных изображений с тем отличием, что измеренные и запомненные данные о различии задержек на прием и передачу вводят как поправочные при сканировании, а также при изменении фокусировки на передачу и прием, обычно используемом в современных ультразвуковых диагностических приборах. При формировании приемного луча вводят поправки, измеренные в режиме юстировки на прием. При формировании передающего луча вводят те же поправки, но к ним добавляют дополнительные уточняющие поправки, измеренные в режиме юстировки на передачу.

В том случае, когда при том же положении многоэлементного датчика 1 требуется изменить положение плоскости сканирования, датчик 1 может быть повернут в нужное угловое положение при неизменном положении держателя 3. При этом процедуру юстировки необходимо повторить. Точно также при любом изменении положения держателя 3 вместе с многоэлементным датчиком 1 необходимо повторять процедуру юстировки и только потом переходить в обычный режим получения изображения.

Эффективность юстировочной процедуры тем выше, чем меньше размер элемента многоэлементного датчика 1 относительно пространственного интервала корреляции задержек, вносимых костной тканью. По этой причине желательно уменьшать размер каждого элемента многоэлементного датчика 1. В частности, целесообразно уменьшать размеры элементов в направлении, перпендикулярном плоскости сканирования датчика, т.к. эти размеры в обычных датчиках, используемых для транскраниальных исследований, существенно больше, чем в другом измерении вдоль плоскости сканирования. Наиболее высокие результаты процедура юстировки даст при использовании в датчике двухмерной матрицы с малым размером каждого элемента.

Заявителем были проведены предварительные исследования возможностей реализации настоящего изобретения, которые подтвердили эффективность разработанного технического решения. Моделирование и эксперимент показали, что после осуществления предварительной юстировки устройства на прием и передачу обеспечивается лучшая фокусировка зондирующего ультразвукового импульса и принимаемого эхо-сигнала, отраженного от акустических неоднородностей головного мозга, что позволяет существенно повысить разрешающую способность и качество получаемого ультразвукового изображения головного мозга и соответственно повысить информативность и качество диагностики, обеспечить большую достоверность и объективность оценки состояния головного мозга пациента.