Кабель беспроводного ультразвукового зонда

Кабель беспроводного ультразвукового зонда

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к медицинским диагностическим ультразвуковым системам и, в частности, к кабелям для беспроводных ультразвуковых зондов.

Одним из длительных недостатков медицинского диагностического ультразвука, особенно для специалистов по ультразвуковой эхографии, является кабель, который соединяет сканирующий зонд с ультразвуковой системой. Эти кабели являются длинными и часто толстыми из-за необходимости содержать много коаксиальных жил от десятков, сотен или даже тысяч элементов преобразователей в зонде. Как следствие, эти кабели зондов могут быть громоздкими для обращения с ними и могут быть тяжелыми. Некоторые специалисты по ультразвуковой эхографии пытаются бороться с проблемой кабеля, вешая кабель на руку или плечо для поддержки во время сканирования. Это может привести к травмам от многократно повторяющихся мышечных напряжений во многих случаях. Другой проблемой является то, что кабель зонда может загрязнять стерильную область хирургического вмешательства с использованием аппаратуры формирования изображения. Кроме того, эти кабели зондов являются довольно дорогостоящими, часто самым дорогостоящим компонентом зонда. Таким образом, существует давно ощущаемое желание освободить ультразвуковую диагностику от кабелей зондов.

Патент США 6142946 (Hwang и др.) описывает ультразвуковой зонд и систему, которая осуществляет вышесказанное. Этот патент описывает питаемый от аккумулятора зонд с матричным преобразователем с интегрированным устройством формирования пучка. Приемопередатчик отправляет полученные ультразвуковые данные ультразвуковой системе, служащей в качестве его базовой станции. Обработка изображения и отображение выполняется в ультразвуковой системе.

Тогда как беспроводной ультразвуковой зонд освобождает пользователя от неудобства, вызванного кабелем, существуют ситуации, в которых кабель может быть необходим или желателен для беспроводного зонда. Например, кабель может использоваться, чтобы перезаряжать аккумулятор в зонде. Если аккумулятор истощается во время процедуры сканирования, кабель может предоставить средство питания беспроводного зонда, пока выполняется процедура. В других примерах пользователь может предпочесть иметь зонд, привязанный к ультразвуковой системе по различным причинам. Кабель может позволить выполнять процедуру, когда есть ощущение, что беспроводная линия связи работает неправильно. Соответственно, желательно иметь кабель для выполнения этих функций, когда эти ситуации или обстоятельства возникают.

В соответствии с принципами настоящего изобретения предоставлен беспроводной ультразвуковой зонд, который выборочно соединяется с главной системой кабелем. Главная система может использоваться только, чтобы питать беспроводной зонд или перезаряжать аккумулятор зонда. Главная система может также быть системой, которая обрабатывает или отображает данные изображений, созданные беспроводным зондом, и кабель может использоваться, чтобы предоставлять данные изображений главной системе по проводу в случае затруднений с беспроводной линией передачи данных. В иллюстрированном примере кабель имеет стандартизированный разъем на одном конце, такой как USB-разъем, позволяющий аккумулятору зонда перезаряжаться от любого USB-совместимого компьютера. Иллюстрированный пример использует магнитный разъем с зондом, позволяющий реализовать разъединяемое соединение и герметизированный разъем на беспроводном зонде.

На чертежах:

фиг. 1a иллюстрирует портативный беспроводной ультразвуковой зонд настоящего изобретения.

Фиг. 1b иллюстрирует беспроводной ультразвуковой зонд и присоединенный пользовательский интерфейс настоящего изобретения.

Фиг. 1c иллюстрирует беспроводной пользовательский интерфейс для беспроводного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 2a, 2b и 2c иллюстрируют различные ультразвуковые системы отображения, которые могут служить в качестве базовых станций для беспроводного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 3 иллюстрирует функциональные компоненты беспроводного 1D-матричного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 4 иллюстрирует функциональные компоненты беспроводного 2D-матричного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 5 иллюстрирует в форме блок-схемы основные электронные подсистемы между устройством формирования пучка и антенной беспроводного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 6 иллюстрирует в форме блок-схемы основные компоненты базовой станции главной системы для беспроводного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 7 иллюстрирует в форме блок-схемы подсистему сбора данных, подходящую для использования в беспроводном зонде настоящего изобретения.

Фиг. 8a и 8b иллюстрируют в поперечных разрезах облегченный беспроводной зонд настоящего изобретения.

Фиг. 9a и 9b иллюстрируют примеры пользовательского интерфейса беспроводного зонда.

Фиг. 10a и 10b иллюстрируют USB-кабель для беспроводного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 11 иллюстрирует использование зоны действия для обнаружения и нахождения беспроводного зонда настоящего изобретения.

Фиг. 12 иллюстрирует аксессуар гарнитуры отображения, подходящий для использования с беспроводным зондом настоящего изобретения.

Фиг. 13 иллюстрирует Bluetooth-аксессуар беспроводного голосового приемопередатчика, подходящий для использования с беспроводным зондом настоящего изобретения.

Фиг. 14 иллюстрирует беспроводной зонд настоящего изобретения в использовании с рядом других беспроводных устройств.

Обращаясь сначала к фиг. 1, показан беспроводной ультразвуковой зонд 10 настоящего изобретения. Зонд 10 заключен в твердую полимерную оболочку или корпус 8, который имеет дистальный конец 12 и проксимальный конец 14. Линза преобразователя или акустическое окно 12 для матричного преобразователя находится на дистальном конце 12. Через это акустическое окно ультразвуковые волны передаются посредством матрицы преобразователя и принимаются возвращающиеся эхосигналы. Антенна расположена внутри корпуса на проксимальном конце 14 зонда и передает и принимает радиоволны 16 в и от базовой станции главной системы. Зарядные клеммы аккумулятора также расположены на проксимальном конце зонда, как показано на фиг. 10a и 10b. На боковой стороне зонда 10 находится традиционная метка 18 лево/право, которая обозначает сторону зонда, соответствующую левой или правой стороне изображения. См. патент США 5255682 (Pawluskiewicz и др.). Проксимальная часть корпуса зонда выглядит более узкой, чем более широкий дистальный конец зонда. Это традиционно сделано так, чтобы пользователь мог захватывать более узкий проксимальный конец и прикладывать усилие в направлении расширенного дистального конца, когда необходим особенно прочный контакт с кожей пациента. Корпус 8 зонда герметизирован так, что его можно промыть и протереть, чтобы удалить гель, и стерилизовать после использования.

Фиг. 1b показывает другой пример беспроводного зонда 10' настоящего изобретения, который включает в себя присоединенный пользовательский интерфейс 22 с приемопередатчиком. Корпус 8' зонда этого примера содержит матричный преобразователь и может также включать в себя другие компоненты, такие как устройство формирования пучка и подсистема сбора данных. Однако эти другие компоненты могут альтернативно быть расположены в пользовательском интерфейсе 22 с приемопередатчиком, который имеет размер, который вмещает в себя пользовательские средства управления, которые показаны на его верхней поверхности и обсуждаются в связи с фиг. 1c. Средства управления предпочтительно реализованы образом, который разрешает легкую очистку в ультразвуковом окружении, где присутствует гель, например посредством герметизированной мембраны или дисплея с сенсорным экраном. Выбор местоположения вышеупомянутых других компонентов повлияет на кабель 20, который соединяет зонд 10' с пользовательским интерфейсом 22. Если только матричный преобразователь расположен в корпусе 8' зонда, кабель 20 будет включать в себя провода для всех элементов матрицы между матрицей преобразователя и устройством формирования пучка в пользовательском интерфейсе 22. Если устройство формирования пучка расположено в корпусе 8' зонда, что является предпочтительным, то кабель 20 может быть тоньше, так как кабелю нужно передавать только сформированные в виде пучка или обнаруженные (а не для каждого элемента) сигналы, электропитание для преобразователя и управляющие сигналы. См. патент США 6102863 (Pflugrath и др.). Кабель 20 может быть постоянно подключен к пользовательскому интерфейсу 22, но предпочтительно прикрепляется к отделяемому разъему, так что зонд 10' может быть отделен, очищен, помыт и стерилизован или заменен другим зондом.

В этом варианте осуществления пользовательский интерфейс 22 с приемопередатчиком включает в себя радиоприемопередатчик и антенну, которая связывается с базовой станцией главной системы. На нижней части пользовательского интерфейса 22 находится лента для запястья или ремешок 24. Этот лента или ремешок может быть эластичной или застежкой-липучкой и проходит вокруг предплечья пользователя. Праворукий пользователь, таким образом, будет носить пользовательский интерфейс 22 на правом предплечье, в то же время удерживая зонд 10' в правой руке и управляя пользовательскими средствами управления на правом предплечье с помощью пальцев левой руки.

Фиг. 1c показывает беспроводной пользовательский интерфейс 32 для беспроводного зонда настоящего изобретения. В то время как на беспроводном зонде 10, если требуется, может находится несколько простых элементов управления, как обсуждается ниже, многие пользователи предпочтут иметь пользовательские средства управления полностью отделенными от беспроводного зонда. В таком случае беспроводной зонд 10 может иметь только выключатель или не иметь средств управления вовсе, и пользовательские средства управления для управления зондом могут быть средствами управления ультразвуковой системы (42, см. фиг. 2a) или пользовательскими средствами управления беспроводного пользовательского интерфейса 32. Пример беспроводного пользовательского интерфейса 32 на фиг. 1c содержит передатчик, который передает радиочастотные, или инфракрасные, или другие беспроводные управляющие сигналы 16' либо непосредственно на беспроводной зонд 10, либо на базовую станцию главной системы для последующей ретрансляции беспроводному зонду. В иллюстрированном примере пользовательский интерфейс 32 питается от аккумулятора и включает в себя выключатель 33 для пользовательского интерфейса и/или беспроводного зонда. Основные средства управления для зонда также присутствуют, например кнопка 35 стоп-кадра и кулисный переключатель 34, чтобы перемещать курсор. Другие средства управления, которые могут быть представлены, являются средствами управления режимом и кнопкой выбора. Этот пример также включает в себя индикатор 36 заряда аккумулятора и индикатор 37 силы сигнала, которые указывают эти параметры для беспроводного зонда 10, для беспроводного пользовательского интерфейса 32 или для обоих устройств. Управление беспроводным пользовательским интерфейсом возможно при удержании его в руках или установке на место у кровати во время медицинского осмотра пациента.

Фиг. 2a-2c иллюстрируют примеры подходящих базовых станций главных систем для беспроводного ультразвукового зонда настоящего изобретения. Фиг. 2a иллюстрирует перевозимую на тележке ультразвуковую систему 40 с меньшей герметизацией электронных устройств системы и подачей электропитания. Система 40 имеет панель 42 управления, которая используется, чтобы управлять работой системы, и может использоваться, чтобы управлять беспроводным зондом. Средства управления на панели управления, которые могут использоваться для управления зондом, включают в себя шаровый манипулятор, клавишу выбора, ручку регулировки усиления, кнопку стоп-кадра, средства управления режимами и т.п. Ультразвуковые изображения, созданные из сигналов, принятых от беспроводного зонда, отображаются на дисплее 46. В соответствии с принципами настоящего изобретения перевозимая на тележке система 40 имеет одну или более антенн 44 для передачи и приема сигналов 16 между беспроводным зондом и главной системой. Могут альтернативно применяться другие технологии связи помимо радиочастотных сигналов, например инфракрасная линия передачи данных между зондом и системой.

Фиг. 2b иллюстрирует главную систему, сконфигурированную в форм-факторе портативного компьютера. Корпус 50 вмещает в себя электронные устройства главной системы, включающие в себя приемопередатчик для связи с беспроводным зондом. Приемопередатчик может быть расположен внутри корпуса 50, в отсеке для периферийных устройств корпуса, таком как отсек для мультимедийного накопителя или аккумулятора. Приемопередатчик может также быть сконфигурирован как PCMCIA-карта или подключаемый к USB аксессуар системы, как описано в международной патентной публикации WO 2006/111872 (Польша). К приемопередатчику подключена одна или более антенн 54. Беспроводной зонд может управляться с панели 52 управления системы, и ультразвуковые изображения, полученные из сигналов зонда, отображаются на дисплее 56.

Фиг. 2c иллюстрирует питающийся от аккумулятора переносной блок 60 отображения, подходящий для использования в качестве главной системы для беспроводного зонда настоящего изобретения. Блок 60 имеет ударопрочный корпус, сконструированный для использования в средах, где физическая переноска оборудования является важным фактором, например в машинах скорой помощи, реанимационном отделении или при медицинской помощи на месте происшествия. Блок 60 имеет средства 62 управления для управления зондом и блоком 60 и включает в себя приемопередатчик, который передает данные посредством антенны 64.

Фиг. 3 иллюстрирует беспроводной зонд 10 настоящего изобретения, спроектированный для создания двухмерного изображения. Для того чтобы сканировать двухмерную плоскость изображения зонд 10 использует одномерную (1D) матрицу 70 преобразователя, расположенную в дистальном конце 12 зонда в акустическом окне зонда. Матрица преобразователя может быть сформирована керамическими пьезоэлектрическими элементами преобразователя, пьезоэлектрическим полимером (PVDF) или может быть полупроводниковым микромашинным ультразвуковым преобразователем (MUT), таким как матрица элементов на основе PMUT- (пьезоэлектрического MUT) или CMUT- (емкостного MUT). 1D-матричный преобразователь 70 возбуждается, а эхосигналы обрабатываются одной или более специализированными ИС (ASIC) 72 предварительной обработки микроустройства формирования пучка. Микроустройство 72 формирования пучка принимает эхосигналы от элементов 1D-матрицы преобразователя и задерживает и объединяет эхосигналы каждого элемента в небольшое число сигналов, частично сформированных в виде пучка. Например, микроустройство 72 формирования пучка может принимать эхосигналы от 128 элементов преобразователей и объединять эти сигналы, чтобы сформировать восемь сигналов, частично сформированных в виде пучка, таким образом, уменьшая число путей прохождения сигнала со 128 до восьми. Микроустройство 72 формирования пучка может также быть реализовано, чтобы создавать сигналы, полностью сформированные в виде пучка, от всех элементов активной апертуры, как описано в вышеупомянутом патенте США 6142946. В предпочтительном варианте осуществления полностью сформированные в виде пучка и обнаруженные сигналы создаются зондом для беспроводной передачи к базовой станции главной системы с тем, чтобы уменьшить скорость передачи данных до такой, которая обеспечивает приемлемое создание изображения в реальном времени. Технология микроустройства формирования пучка, подходящая для использования в устройстве 72 формирования пучка, описана в патентах США 5299933 (Larson III); 6375617 (Fraser); 5997479 (Savord и др.). Сформированные в пучок эхосигналы передаются контроллеру зонда и подсистеме 74 приемопередатчика, которая передает сформированные в виде пучка сигналы главной системе, где они могут подвергаться дополнительному формированию пучка и затем обработке изображения и отображению. Контроллер зонда и подсистема 74 приемопередатчика также принимают управляющие сигналы от главной системы, когда зонд управляется с главной системы, и передают соответствующие управляющие сигналы микроустройству 72 формирования пучка, чтобы, например, фокусировать пучки на требуемой глубине или передавать и принимать сигналы требуемого режима (Допплера, B-режима) в и из требуемой области изображения. Не показаны на этой иллюстрации подсистема электропитания и аккумулятор для электропитания зонда, которые описаны ниже.

Приемопередатчик контроллера зонда и подсистема 74 приемопередатчика передают и принимают радиочастотные сигналы посредством штыревой антенны 76, похожей на антенну сотового телефона. Штыревая антенна предоставляет одно из таких же преимуществ, которые она предоставляет в сотовом телефоне, которое заключается в том, что ее небольшой профиль делает ее удобной для удерживания и носки и уменьшает возможность повреждения. Однако в этом варианте осуществления беспроводного зонда штыревая антенна 76 служит в дополнительных целях. Когда специалист по ультразвуковой эхографии держит традиционный кабельный зонд, зонд схватывается сбоку так, как если бы удерживался толстый карандаш. Беспроводной зонд, такой как на фиг. 1a, может удерживаться таким же образом, однако, так как зонд не имеет кабеля, он также может удерживаться посредством обхватывания за проксимальный конец зонда. Осуществить это с традиционным кабельным зондом невозможно из-за присутствия кабеля. Пользователь беспроводного зонда может захотеть удерживать беспроводной зонд за проксимальный конец для приложения большего усилия к телу для хорошего акустического контакта. Однако охват рукой вокруг проксимального конца зонда, когда антенна находится внутри проксимального конца зонда, будет экранировать антенну от передачи и приема сигнала и может быть причиной ненадежной связи. Было установлено, что использование антенны, которая выступает из проксимального конца зонда, не только расширяет поле антенны далеко за пределы корпуса зонда, но также мешает удерживанию зонда за проксимальный конец из-за дискомфорта от нажатия на штыревую антенну. Вместо этого пользователь наиболее вероятно обхватит зонд сбоку традиционным образом, оставляя поле антенны раскрытым для хорошей передачи и приема сигнала. Для хорошего приема конфигурация антенны базовой станции главной системы может вводить некоторую диверсификацию против эффектов поляризации и ориентации, создавая две комплементарные формы пучка с разными поляризациями. Альтернативно, антенна может быть одной высокопроизводительной дипольной антенной с хорошей одной диаграммой направленности поляризации. С антенной на проксимальном конце зонда диаграмма направленности зонда может простираться радиально относительно продольной оси зонда и легко пересекаться с диаграммой направленности базовой станции главной системы. Такая диаграмма направленности зонда может быть эффективной с антеннами базовой станции главной системы, расположенными в потолке, как может быть реализовано в операционной комнате. Прием, как обнаружилось, также эффективен с такой диаграммой направленности зонда за счет отражений от стен комнаты и других поверхностей, которые зачастую ближе к месту ультразвукового осмотра. Типично диапазона в десять метров достаточно для большинства медицинских осмотров, так как зонд и базовая станция главной системы находятся в непосредственной близости друг к другу. Применяемые частоты связи могут быть в диапазоне 4 ГГц, и подходящие полимеры для корпуса зонда, такие как ABS, являются относительно прозрачными для радиочастотных сигналов на этих частотах. Радиочастотная связь может быть улучшена в базовой станции главной системы, где множество антенн может применяться для улучшенной диверсификации в вариантах осуществления, где множество антенн не обременительны, какими они будут для беспроводного зонда. См., например, международную патентную публикацию WO 2004/051882, озаглавленную "Delay Diversity In A Wireless Communications System". Множество антенн могут использовать различные поляризации и местоположения, чтобы обеспечивать надежную связь даже с изменяющимися линейными и угловыми ориентациями, которые занимает зонд во время типичного ультразвукового осмотра. При типичной манипуляции зондом можно вращать зонд во всем диапазоне вращения в 360° и во всем диапазоне углов наклона через почти полусферический диапазон углов, центрированных по вертикали. Следовательно, диаграмма направленности диполя, центрированная по центру продольной оси зонда, будет оптимальной для одной антенны, и местоположение на проксимальном конце было установлено наиболее желательным. Диаграмма направленности антенны может быть выровнена точно с этой центральной осью или смещена, но все еще находясь в почти параллельном выравнивании с этой центральной осью.

Фиг. 4 является другим примером беспроводного зонда 10 настоящего изобретения. В этом примере беспроводной зонд содержит матричный преобразователь 80 с двухмерной матрицей в качестве датчика зонда, предоставляющий возможность создания двухмерного и трехмерного изображения. 2D-матричный преобразователь 80 соединен с микроустройством 82 формирования пучка, которое предпочтительно реализовано как "перевернутый кристалл". ASIC присоединена непосредственно к множеству матричных преобразователей. Как и в случае беспроводного зонда на фиг. 3, полностью сформированные в виде пучка и обнаруженные эхосигналы и сигналы управления зондом передаются между микроустройством формирования пучка и контроллером зонда и подсистемой 74 приемопередатчика.

Типичный контроллер зонда и подсистема приемопередатчика для беспроводного зонда настоящего изобретения показаны на фиг. 5. Аккумулятор 92 питает энергией беспроводной зонд и связан со схемой 90 подачи электропитания и стабилизации. Схема подачи электропитания и стабилизации преобразует напряжение аккумулятора в ряд напряжений, требуемых компонентами беспроводного зонда, включающими в себя матрицу преобразователя. Типично спроектированный зонд может требовать девять различных напряжений, например. Схема подачи электропитания и стабилизации также обеспечивает управление зарядом во время перезарядки аккумулятора 92. В спроектированном варианте осуществления аккумулятор является литиевым полимерным аккумулятором, который является призматическим и может быть сформирован в подходящей форме для доступного аккумуляторного отсека внутри корпуса зонда.

Модуль 94 сбора данных обеспечивает связь между микроустройством формирования пучка и приемопередатчиком. Модуль сбора данных предоставляет сигналы синхронизации и управления микроустройству формирования пучка, управляет передачей ультразвуковых волн и принимает, по меньшей мере, частично сформированные в виде пучка эхосигналы от микроустройства формирования пучка, которые демодулируются и обнаруживаются (и необязательно преобразуются при сканировании) и сообщаются приемопередатчику 96 для передачи к базовой станции главной системы. Детализированная блок-схема подходящего модуля сбора данных показана на фиг. 7. В этом примере модуль сбора данных сообщается с приемопередатчиком через параллельную или USB-шину, так что USB-кабель может использоваться, когда желательно, как описано ниже. Если применяется USB или другая шина, она может обеспечивать альтернативное проводное соединение с базовой станцией главной системы через кабель, таким образом, обходя часть 96 приемопередатчика, как описано ниже.

Также связанным с модулем 94 сбора данных и питаемым схемой 90 подачи электроэнергии и стабилизации является громкоговоритель 102, возбуждаемый усилителем 104, который создает слышимые тоны или звуки. В предпочтительном варианте осуществления громкоговоритель 102 является пьезоэлектрическим громкоговорителем, расположенным внутри корпуса 8, и может находиться за мембраной или стенкой корпуса для хорошей акустики и герметизации. Громкоговоритель может использоваться, чтобы создавать множество звуков, или тонов, или даже речевых сообщений. Громкоговоритель имеет множество применений. Если беспроводной зонд перемещается слишком далеко от главной системы, так, что существует ненадежный прием или даже полная потеря сигнала главной системой или зондом, громкоговоритель может пищать, чтобы предупреждать пользователя. Громкоговоритель может пищать, когда заряд аккумулятора низкий. Громкоговоритель может издавать тональный сигнал, когда пользователь нажимает кнопку или средство управления на зонде, обеспечивая слышимую обратную связь активации средства управления. Громкоговоритель может обеспечивать осязательную обратную связь при ультразвуковом исследовании. Громкоговоритель может издавать звук, когда активируется поисковое средство управления, чтобы определять местоположение зонда. Громкоговоритель может создавать акустические звуки Допплера во время исследования по Допплеру или тоны сердца, когда зонд используется в качестве звукового стетоскопа.

Приемопередатчик в этом примере является набором 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии. Выявлено, что ультраширокополосный приемопередатчик имеет такую скорость передачи данных, которая обеспечивает приемлемые частоты кадров изображений в реальном времени, также как и приемлемый диапазон для приемлемого уровня потребления энергии аккумулятора. Наборы микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, доступны от множества производителей, таких как General Atomics Сан-Диего, Калифорния; WiQuest Аллен, Техас; Sigma Designs Милпитас, Калифорния; Focus Semiconductor Хилсбро, Орегон; Aleron Остин, Техас; и Wisair Кэмпбел, Калифорния.

Фиг. 6a иллюстрирует путь сигнала беспроводного зонда в базовой станции главной системы, здесь показанной в портативной конфигурации 50. Антенна 54 связана с идентичным или совместимым набором 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, который выполняет передачу-прием в главной системе. В предпочтительном варианте осуществления для портативной конфигурации антенна 54 и набор микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, сконфигурированы как подключаемый по USB "электронный защитный ключ-заглушка" 110, как показано на фиг. 6b, который вставляется и питается через USB-порт главной системы 50.

Пример модуля сбора данных, подходящего для использования в беспроводном зонде настоящего изобретения, показан на фиг. 7. На левой стороне этого чертежа показаны сигналы, передаваемые на и от микроустройства формирования пучка и множества матриц преобразователей. Конструкция включает в себя каскад TGC-сигналов, сигналов канала, сформированных в форме пучка эхосигналов от микроустройства формирования пучка, другие данные и сигналы синхронизации для микроустройства формирования пучка, терморезистора и сигналы переключения, чтобы следить за перегревом на дистальном конце зонда, низкое напряжение, которое подается для микроустройства формирования пучка, и высокое напряжение, в этом примере +/- 30 вольт, чтобы питать элементы матрицы преобразователя. Справа на чертеже показаны соединения с приемопередатчиком и, как описано ниже, USB-проводники и напряжения от USB-провода или аккумулятора. Эти напряжения подают мощность для блоков питания, промежуточных вольтодобавочных преобразователей для преобразования постоянного тока и LDO-регуляторов 202, которые регулируют различные уровни напряжения, необходимые для беспроводного блока, включающего в себя подсистему сбора данных, и напряжение(я) питания матрицы преобразователя. Эта подсистема также отслеживает напряжение аккумулятора, которое дискретизируется последовательным ADC 214, и измеренное значение используется для отображения оставшейся мощности аккумулятора и для того, чтобы применять меры сохранения мощности, как описано ниже. Подсистема 202 выключает зонд, если напряжение аккумулятора приближается к уровню, который приведет в результате к повреждению аккумулятора. Она также отслеживает напряжения, потребляемыми зондом и электронными устройствами сбора информации, и похожим образом выключает их при каком-либо приближении к небезопасным уровням.

В ядре модуля сбора данных находится FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица) 200 контроллера сбора данных. Эта FPGA работает как конечный автомат, чтобы управлять синхронизацией, режимом и характеристиками ультразвуковой передачи и приема. FPGA 200 также управляет формированием пучка передачи и приема. FPGA 200 содержит цифровой сигнальный процессор (DSP), который может быть запрограммирован, чтобы обрабатывать принятые эхосигналы различными требуемыми путями. По существу, все аспекты ультразвуковой передачи и приема управляются посредством FPGA 200. Принятые эхосигналы передаются в FPGA 200 восьмеричной ASIC 206 предварительной обработки данных. ASIC 206 включает в себя A/D (аналогово-цифровые) преобразователи, чтобы преобразовывать принятые эхосигналы от микроустройства формирования пучка в цифровые сигналы. Усилители с переменным коэффициентом усиления ASIC используются, чтобы применять фазу TGC к принятым эхосигналам. Принятые эхосигналы фильтруются фильтрами 210 восстановления и проходят через коммутатор 208 передачи/приема к ASIC 206 предварительной обработки данных. Для передачи ультразвуковой волны передаваемые сигналы, подаваемые FPGA 200, преобразуются в аналоговые сигналы посредством DAC 211, проходят через T/R-коммутатор 208, фильтруются фильтрами 210 и подаются микроустройству формирования пучка для матричного преобразователя.

В этой реализации используется маломощный USB-микроконтроллер 204, чтобы принимать управляющую информацию по USB-шине, которая передается в FPGA 200. Эхосигналы, принятые и обработанные FPGA 200, предпочтительно включающие в себя демодуляцию и обнаружение, передаются микроконтроллеру 204 для обработки в USB-формате для USB-шины и ультраширокополосного приемопередатчика 96. Эти элементы, включающие в себя фильтры 210 восстановления, T/R-коммутатор 208, DAC 211 (при передаче), ASIC 206 предварительной обработки (при приеме), FPGA 200 контроллера сбора данных и USB-микроконтроллер 204, содержат тракт ультразвукового сигнала между приемопередатчиком 96 и микроустройством 72, 82 формирования пучка. Различные другие элементы и регистры, показанные на фиг. 7, будут без труда понятны специалисту в области техники.

Фиг. 8a и 8b иллюстрируют внешний вид созданного беспроводного зонда 10 настоящего изобретения в продольном и поперечном разрезах. Компоненты зонда в этом варианте осуществления расположены внутри корпуса 8a. Пространственный каркас внутри корпуса служит для того, чтобы устанавливать и размещать компоненты, и также служит в качестве теплоотвода, чтобы рассеивать тепло, сформированное в зонде, быстрым и равномерным образом. Электронные компоненты зонда установлены на печатных платах 121, которые соединены вместе гибкими схемными соединениями 114. В этом примере печатные платы и гибкие схемы формируют непрерывную, цельную сборку для эффективного и компактного межсоединения плат и цепи прохождения сигнала. Как может быть видно на фиг. 8b, верхняя и нижняя части электронной сборки, каждая, содержат две печатных платы 112, сложенных по направлению друг к другу параллельно и соединенных гибкой схемой 114. ASIC 206 предварительной обработки данных и FPGA 200 контроллера можно увидеть установленными на нижней стороне нижней печатной платы на чертежах. Верхние печатные платы в зонде монтируют компоненты блока питания и набора 96 микросхем приемопередатчика со своей антенной 76. В отдельной реализации может быть желательно использовать отдельную печатную плату для набора 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, который специально спроектирован для высокочастотных компонентов и сигналов приемопередатчика. В иллюстрированном примере пьезоэлектрический громкоговоритель 102 расположен на верхней печатной плате. Гибкая схема 114 на дистальных концах продольно вытянутых печатных плат соединяется с меньшей печатной платой 112, на которой расположена(ы) микросхема(ы) 72, 82 микроустройства формирования пучка. К микроустройству формирования пучка на дистальном конце 12 зонда прикреплена матрица 70, 80 преобразователя.

В иллюстрированной сборке аккумулятор 92 заполняет центральное пространство зонда между печатными платами. Использование иллюстрированного, вытянутого в длину аккумулятора распределяет вес аккумулятора почти по всей длине зонда и обеспечивает зонд лучшим балансом при обращении с ним. Корпус может быть изготовлен с отверстием так, что аккумулятор 92 может быть доступен для замены, или корпус может быть герметизирован так, что возможна только фабричная замена аккумулятора. Посредством гибкой схемы 114 на проксимальном конце корпуса 8 зонда соединяется небольшая печатная плата 112, на которой установлен USB-разъем 120. Этот разъем может быть стандартным USB-разъемом типа A или типа B. В предпочтительном варианте осуществления USB-разъем сконфигурирован, как показано на фиг. 10a и 10b.

Легковесный, компактный дизайн на фиг. 8a и 8b распределяет вес компонентов зонда следующим образом. Корпус 8 и его пространственный каркас, гибкие схемы 114, матрица 70, 80 преобразователя и микроустройство 72, 82 формирования пучка весят приблизительно 50 граммов в сконструированном варианте осуществления. Компоненты 94 модуля сбора данных, набор 96 микросхем, основанных на ультраширокополосной технологии, компоненты 90 блока питания и стабилизации, печатные платы для этих компонентов и набор микросхем весят приблизительно 40 граммов. Литиевый полимерный аккумулятор емкостью 1800 мА/ч и разъем весят приблизительно 40 граммов. Громкоговоритель весит около пяти граммов, и антенна весит около десяти граммов. USB-разъем весит около трех граммов. Таким образом, общий вес этого беспроводного зонда около 150 граммов. С уменьшением веса, возможным для пространственной рамы и сборок печатных плат, может быть получен вес в 130 граммов или менее. С другой стороны, более крупный аккумулятор для более длительного использования между перезарядками, матрица преобразователя с более крупной апертурой и/или больший корпус для большего рассеивания тепла могут удваивать вес до приблизительно 300 граммов. В то время как меньший аккумулятор может обеспечивать сканирование в течение часа (один осмотр) перед перезарядом, более крупный аккумулятор может позволить использовать беспроводной зонд весь день (8 часов) и вставлять его в гнездо для ночной перезарядки. Некоторым специалистам по ультразвуковой эхографии может требоваться самый легкий зонд, в то время как другие предпочитают более тяжелый зонд с более длительной продолжительностью сканирования между перезарядками. В зависимости от относительной важности этих соображений для проектировщика и пользователя могут быть реализованы различные зонды с различным весом.

В некоторых реализациях может требоваться создать беспроводной зонд, который не имеет физических средств управления на нем, каким является корпус большинства традиционных ультразвуковых зондов сегодня. Многим специалистам в ультразвуковой эхографии не требуются средства управления на зонде, так как может быть трудно удерживать зонд в позиции получения изображения одной рукой, в то же время манипулируя средствами управления на зонде другой рукой, при так называемой перекрестной ручной операции. В других реализациях на самом зонде находится только выключатель, таким образом, пользователь может быть уверен, что неиспользуемый зонд выключен и не истощает аккумулятор. В еще одних реализациях на зонде находится основная отображаемая информация, такая как сила сигнала и оставшееся время эксплуатации аккумулятора. Основная информация этого вида на зонде поможет пользователю диагностировать зонд, который не работает правильно. В еще одних реализациях могут требоваться некоторые минимальные средства управления. При том что пользователь больше не привязан к главной системе кабелем, системные средс