具有监测垫的用于医学超声的系统和方法与流程

具有监测垫的用于医学超声的系统和方法
1.相关申请
2.本专利申请要求享有于2019年8月14日提交的第62/886,638号美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开内容涉及医学超声，并且更具体地涉及pocus(point-of-care-ultrasound，床旁即时超声)以及监测。


背景技术：

4.医学超声(也被称为诊断超声波扫描术或超声波扫描术)被用来创建内部身体结构——诸如肌腱、肌肉、关节、血管和内部器官——的超声图像。超声图像——也被称为声谱图——是通过使用定位在患者身上的探头将超声脉冲发送到患者体内、记录所产生的反射并且显示基于所产生的反射的超声图像来产生的。不同的组织具有不同的反射属性，并且因此可以在超声图像中区分不同的组织。
5.医学超声过程通常涉及医学专业人员握住并且操纵探头以获得感兴趣的区域的超声图像。凝胶通常被放置在患者和探头之间，以便于超声脉冲行进到患者体内并且所产生的反射返回到探头中用于记录。凝胶还可以帮助便于医学专业人员操作在患者身上的探头。
6.遗憾的是，凝胶可能是脏乱的并且可能导致患者和探头的清理，尤其是因为探头的移动在患者的相对大的表面上涂抹凝胶。此外，探头可能被患者污染，尤其是随着探头抵靠患者的移动。因此，在每次使用之后应清洁探头，例如使用肥皂和水，或季铵盐喷雾或抹布。这可能是不方便的并且繁琐的。
7.pocus(床旁即时超声)使得无论在哪里治疗患者——无论是在现代医院、救护车或偏远的村庄——都能够对患者执行医学超声过程。例如，pocus可以通过例如在诸如心脏复苏的紧急过程期间向医学专业人员提供超声信息来改进对病的很重的患者的患者护理。例如，pocus还可以为例如具有例行检查的其他患者——诸如孕妇——改进患者护理。
8.遗憾的是，pocus依赖医学专业人员使用他们的专业技能来握住并且操纵探头。在一些情形——诸如心脏病发作——下，这可能不切实可行或不可能。例如，护理的标准是在心脏复苏期间用除颤器(defibrillator)设备监测全球范围内的心脏病发作的患者。尽管除颤器通常提供电监测，即心率和节律，但是它们不提供超声信息。因此，当使用除颤器时，可能不存在用于医学专业人员的超声信息。
9.此外，用pocus生成图像有时可能是有挑战性的并且导致决策制定、诊断或患者护理的延迟。在危急情形——诸如心脏复苏——下，尽管pocus可能带来关键信息，但是这些延迟可能禁止pocus的使用。例如，pocus可以提供关于心脏收缩力的直接信息——比人工脉搏检查——心脏复苏中的当前护理标准——可靠得多的信息。
10.因此，虽然pocus可以改进患者护理，但是它还有许多不足之处。期望的是改进
pocus以解决或缓解上述缺点中的一些或全部。


技术实现要素：

11.公开了一种超声系统，所述超声系统具有：用于应用到患者的监测垫；超声探头，其连接到所述监测垫并且具有多个超声换能器；以及超声波束成形装置，其被配置为控制所述超声换能器以将超声束聚焦到患者体内并且读取所述超声波束的所产生的反射。在一些实施方式中，所述超声波束成形装置使用三维束扫描算法来经由所述超声换能器实现(enable，使能)波束成形。波束成形使得能够在不握住或操纵可以保持固定在患者身上的超声探头和监测垫的情况下完成医学超声过程。这改进了常规方法，在常规方法中，超声换能器由医学专业人员使用他们的专业技能握住并且操纵。
12.应用到患者的监测垫具有超声凝胶垫和保持所述超声凝胶垫的支撑结构。根据本公开内容的一个实施方案，所述支撑结构在几何学上被配置为接收所述超声探头，并且保持所述超声探头处于抵靠所述超声凝胶垫的固定布置中。所述超声凝胶垫被夹在患者(即患者的皮肤)和所述超声探头之间，并且充当患者和所述超声探头之间的超声界面，而不在患者的表面上涂抹超声凝胶垫。这通过降低在执行医学超声之后的清理的量可以改进常规方法。在一些实施方式中，所述监测垫被设计为在单次使用之后或在有限次数使用之后可丢弃，这可以有助于减少在医学超声之后的清理并且可以有助于确保卫生条件。
13.还公开了一种超声波束成形装置，所述超声波束成形装置被配置为以波束成形控制超声换能器阵列，以获取超声数据、接收来自与超声无关的至少一个传感器(例如心电图电极)的读数并且同时显示基于所述超声数据的超声图像和基于来自其他传感器的读数的另一个图像(心电图)。以此方式，对心脏和/或肺功能的患者监测是可能的，这在复苏室(resuscitation bay)、手术室、危症监护病房、新生儿病房和送往医院之前的设置中具有很大价值。这改进了超声系统依赖医学专业人员使用他们的专业技能握住和操纵探头并且因此不适合用于监测患者的常规方法。
14.还公开了一种方法，所述方法涉及应用监测垫到患者、将具有超声换能器的超声探头连接到所述监测垫、以及操作超声波束成形装置以控制所述超声换能器以将超声束聚焦到患者体内并且读取所述超声束的所产生的反射。特别地，可以在不握住或操纵所述监测垫或所述超声探头的情况下操作所述超声波束成形装置。再次，由于上文所描述的类似的原因，这改进了常规方法。
15.对于本领域普通技术人员而言，在查看对本公开内容的各实施方案的以下描述后，本公开内容的其他方面和特性将变得明显。
附图说明
16.现在将参考附图描述实施方案，在附图中：
17.图1是具有监测垫、具有多个超声换能器的超声探头和超声波束成形装置的超声系统的示意图；
18.图2是在患者身上的监测垫的示意图；
19.图3是超声探头的分解视图以及监测垫的分解视图的示意图；
20.图4是监测垫的用于接收和保持超声探头的机构的详细视图；
21.图5a至图5c是描绘连接到监测垫的超声探头的示意图；
22.图6a和图6b是超声探头的超声换能器阵列的示意图；
23.图7是操作性地耦合到超声换能器阵列和与超声无关的另一个传感器的超声波束成形装置的块图；
24.图8是可以由超声波束成形装置显示的示例信息的示意图；
25.图9是示出了监测垫在除颤垫之间的示例放置的患者的示意图；以及
26.图10是使用超声系统的方法的流程图。
具体实施方式
27.首先应理解，尽管下文提供了本公开内容的一个或多个实施方案的例示性实施方式，但是所公开的系统和/或方法可以使用任何数目的技术来实施，无论是当前已知的或现有的。本公开内容决不应限于下文所例示的例示性实施方式、附图和技术——包括本文所例示和描述的示例性设计和实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内以及其等同的全范围内被修改。
28.超声系统
29.首先参考图1，示出的是超声系统100的示意图。超声系统100具有：用于应用到患者的监测垫800；超声探头700，其连接到监测垫800并且具有多个超声换能器(未示出)；以及超声波束成形装置900，其被配置为控制所述超声换能器以将超声束聚焦到患者体内并且读取所述超声束的所产生的反射。超声波束成形装置900经由电缆600耦合到超声探头700，但是在其他实施方式中可以被无线地耦合。
30.现在将通过实施例的方式描述超声系统100的操作。监测垫800可以被应用到患者。参见例如图2，其示出了在患者身上的监测垫800的示意图。尽管监测垫800被示出为在患者的胸部上应用到患者，但是应理解，监测垫800可以被应用到患者身上的任何合适的位置。在如下文进一步详细描述的一些实施方式中，监测垫800具有用于将监测垫800固定到患者的胶粘剂层。然而，其他固定方式是可能的，例如诸如条带或绑带。
31.返回参考图1，超声探头700连接到监测垫800，该监测垫800被应用到患者。在超声系统100的操作期间，超声波束成形装置900控制超声探头700的超声换能器以将超声脉冲发送到患者体内并且记录所产生的反射。在一些实施方式中，超声系统100显示基于所产生的反射的超声图像。不同的组织具有不同的反射属性，并且因此可以在超声图像中区分不同的组织。在一些实施方式中，超声波束成形装置900使用3d束扫描算法来经由超声换能器实现波束成形。波束成形使得超声束能够被聚焦到患者体内。以此方式，可以在不握住并且操纵超声探头700或监测垫800的情况下针对感兴趣的区域产生超声图像，该超声探头或监测垫可以保持固定在患者身上。这改进了常规方法，在常规方法中，超声换能器通过医学专业人员使用他们的专业技能来握住并且操纵。
32.在一些实施方式中，超声波束成形装置900具有发射电路(未示出)以控制用于激励超声探头700中的每个超声换能器的时间延迟，以生成发射到患者体内的多个超声束使得超声能量在患者体内的预定焦点处同相，并且超声波束成形装置900具有接收电路(未示出)以读取来自所述预定焦点的超声束的所产生的反射。在一些实施方式中，超声波束成形装置900被配置为将所述多个超声束重新聚焦在特定的感兴趣的区域处以提高信噪比。稍
后参考图7提供所述发射电路和所述接收电路的示例细节。
33.在一些实施方式中，超声波束成形装置900具有用于显示基于超声束的所产生的反射的超声图像的显示器。在一些实施方式中，为了协助医生诊断，超声波束成形装置900实施模式识别或人工智能以基于超声束的所产生的反射自动生成形态或组织识别(例如特定的切割平面)。作为一个具体的实施例，可以用训练数据训练多层人工神经网络以识别与目标形态或组织识别对应的模式，并且然后使用所述多层人工神经网络以针对与由所述训练数据表示的情形类似的情形自动生成形态或组织识别。然而，例如，诸如机器学习决策树算法的其他人工智能方法可以被用于模式识别和形态识别。稍后参考图7提供可以由超声波束成形装置900实施的另一些示例算法。
34.监测垫
35.现在参考图3，示出的是超声探头700的分解视图以及监测垫800的分解视图的示意图。监测垫800具有超声凝胶垫830以及保持超声凝胶垫830的支撑结构810、840、850、860。根据本公开内容的一个实施方案，支撑结构810、840、850、860在几何学上被配置为接收超声探头700并且保持其处于抵靠超声凝胶垫830的固定布置中，使得超声凝胶垫830被夹在患者(即患者的皮肤)和超声探头700之间。以此方式，超声凝胶垫830可以充当患者和超声探头700的超声换能器之间的超声界面。明显地，超声凝胶垫830涉及很少或不涉及操纵以提供良好的超声界面。此外，超声凝胶垫830不像在常规方法中那样导致脏乱，因为超声凝胶垫830通常由监测垫800包含并且不被涂抹到患者的表面上。因此，与常规方法相比，执行医学超声之后的清理的量可以被减少。在一些实施方式中，监测垫800被设计为在单次使用之后或在有限次数使用之后可丢弃，这可以进一步帮助减少医学超声之后的清理。
36.对于支撑结构810、840、850、860存在许多可能性。在一些实施方式中，支撑结构810、840、850、860具有托架810，该托架810保持超声凝胶垫830并且被配置为接收超声探头700并且保持超声探头700处于固定布置中，使得超声凝胶垫830被夹在患者和超声探头700之间。在一些实施方式中，该固定布置在超声探头700的表面和超声凝胶垫830之间提供持续压力。该持续压力有助于使得超声凝胶垫830能够充当患者和超声探头700的超声换能器之间的超声界面，因为气穴被消除或减少。
37.在所例示的实施例中，托架810被示出为具有体育场形状用于夹持(retain，保持)超声凝胶垫830。然而，应理解，其他形状是可能的，例如椭圆形形状或矩形形状。可以实施夹持超声凝胶垫830的任何合适的形状。通常，托架810在几何学上被设计成使得超声凝胶垫830可以被插入并且固定。
38.在一些实施方式中，支撑结构810、840、850、860具有支撑层860、850和结合到支撑层860、850的夹子840。在一些实施方式中，支撑层860、850具有用于结构支撑的背衬层860和框架850，并且夹子840并且被配置为将超声探头700的电缆600夹持到支撑层860、850的框架850。在其他实施方式中，当背衬层860的刚性对于结构支撑足够时，框架850被省略。
39.托架810、支撑层860、850和夹子840的组合使得超声探头700能够被固定到超声垫800。在一些实施方式中，支撑结构810、840、850、860至少包括托架810、支撑层860、850以及夹子840。在一些实施方式中，支撑结构810、840、850、860包括附加的部件，例如胶粘剂层815，该胶粘剂层将托架810黏合到被黏合到支撑层860、850。其他实施方式是可能的。
40.现在参考图4，示出的是监测垫800的用于接收和保持超声探头700的机构的详细
视图。在一些实施方式中，通过施加手动压力，超声探头700卡入托架810。在所例示的实施例中，托架810的突出部分穿入超声探头700，并且该突出部分的钩部分固定到超声探头700中的对应的凹部中。然而，应理解，这是接收和保持超声探头700的非常具体的方式并且其他实施方式是可能的并且在本公开内容的范围内。
41.对于支撑结构810、840、850、860，存在许多可能的材料。在具体的实施方式中，背衬层860是由聚氨酯形成的泡沫背衬层，夹子840是硅夹持结构(retaining structure)，并且托架810是由硅或聚合物形成的夹持结构。然而，其他实施方式是可能的。例如，金属、复合物、碳和弹性体材料是可以被用于监测垫的支撑结构810、840、850、860的材料。在一些实施方式中，刚性材料(例如金属、碳)被用于托架810和夹子840，但是不被用于支撑层860、850。在一些实施方式中，部件810、840、850、860被黏合在一起。例如，在一些实施方式中，托架810经由胶粘剂层815黏合到背衬层860。然而，可以采用将部件810、840、860组合的任何合适的方式。在另一个实施方式中，支撑结构810、840、860是单一材料而不是不同部件的组合。
42.在一些实施方式中，支撑结构810、840、850、860的支撑层860、850不被布置于在超声凝胶垫830下面的区域中。相反，支撑层860、850通常围绕超声凝胶垫830。以此方式，在超声过程期间，超声脉冲和所产生的反射不必横穿支撑层860、850。这可以实现超声凝胶垫830和患者之间的直接接触。在其他实施方式中，支撑层860、850的至少一部分——例如背衬层860——被布置在超声凝胶垫830下面。这可以帮助容纳超声凝胶垫830。对于这样的实施方式，背衬层860可以是薄聚氨酯层以使得超声束能够穿过。
43.当超声凝胶垫830据说是“被夹在患者和超声探头700之间”时，应理解，超声凝胶垫830被布置在患者和超声探头700之间，通常施加压力，即使不存在患者和超声凝胶垫830之间的直接接触是可能的。由于一个或多个介于中间的层，诸如背衬层860和/或胶粘剂层880，因此不存在患者和超声凝胶垫830之间的直接接触是可能的。然而，患者和超声凝胶垫830之间的直接接触可以改进超声界面。因此，为本文所描述的实施方式提供了直接接触。类似地，由于一个或多个介于中间的层，诸如耦合材料(coupling material)740，因此可以不存在超声探头700和超声凝胶垫830之间的直接接触是可能的。然而，超声探头700和超声凝胶垫830之间的直接接触当然是可能的。
44.尽管图3和图4描绘了用于支撑结构810、840、850、860的一个具体的实施方式，但是应理解，其他支撑结构是可能的并且在本公开内容的范围内。诸如托架810、支撑层860、850以及夹子840的部件是非常具体的并且仅作为实施例被提供。在另一个实施方式中，支撑结构(未示出)包括条带或绑带，以保持超声探头700处于抵靠超声凝胶垫830的固定布置中。更一般地，可以接收超声探头700并且保持超声探头700处于抵靠超声凝胶垫830的固定布置中的任何合适的支撑结构可以被实施。其他实施方式可以包括例如磁固定系统(未示出)或可以将超声探头700固定到监测垫800上的任何其他机械设计(未示出)。其他实施方式是可能的。
45.对于超声凝胶垫830，存在许多可能性。在一些实施方式中，超声凝胶垫830是固体超声凝胶，该固体超声凝胶用作患者和超声探头700的超声换能器之间的耦合材料。在一些实施方式中，超声凝胶垫830机械地用作用于超声换能器的阻抗匹配器。在一些实施方式中，超声凝胶垫830的厚度被设计成使得超声探头700可以与其形成合适的接触。在一些实
施方式中，超声凝胶垫830被设置有可移除层820。可移除层820用作对超声凝胶垫830的保护物以帮助确保在使用监测垫800之前超声凝胶垫830保持有活力。在附接超声探头700之前，可以移除(即剥离)可移除层820。在其他实施方式中，监测垫800不具有这样的可移除层820。
46.在一些实施方式中，监测垫800具有用于将监测垫800固定到患者的胶粘剂层880。在一些实施方式中，胶粘剂层880在几何学上被成形为与支撑结构810、840、850、860的支撑层860、850对应，并且更具体地与背衬层860对应。在一些实施方式中，胶粘剂层880包括丙烯酸酯材料。在一些实施方式中，胶粘剂层880具有化学和机械属性以在被施加到患者的经准备并且经清洁的表面时抵抗法向剪切力和撕裂力。在一些实施方式中，至少背衬层860和胶粘剂层880是由生物相容性材料制成的，并且胶粘剂层880是由促进黏附到皮肤和防止不利的皮肤反应的材料制成的。
47.在一些实施方式中，监测垫800具有覆盖胶粘剂层880的可移除层890。在一些实施方式中，可移除层890具有被称为“衬里”的两部分(即第一部分和第二部分)。可移除层890作为对胶粘剂层880的保护物以帮助确保在使用监测垫800之前胶粘剂层880保持有活力。在一些实施方式中，超声凝胶垫830由可移除层890保持就位。在将监测垫800应用到患者之前，可以移除(即剥离)可移除层890。在其他实施方式中，监测垫800不具有这样的可移除层890。
48.尽管监测垫800被示出为具有胶粘剂层880和可移除层890，但是应注意，不存在胶粘剂层880和可移除层890的其他实施方式是可能的。用于将监测垫800固定到患者的其他方式是可能的并且在本公开内容的范围内。例如，在另一个实施方式中，使用条带或绑带来代替胶粘剂层880以将监测垫800固定到患者。
49.在一些实施方式中，监测垫800具有与超声无关的至少一个传感器870。这可以使得能够获取可以补充超声图像的附加数据。对于传感器870，存在许多可能性。在一些实施方式中，传感器870包括用于感测心跳的一对心电图电极870。在具体的实施方式——如在所例示的实施例中所示出的——中，监测垫800具有铜层870或任何合适的替代物(例如铝层)，其中此层具有像心电图电极的传感器装置以及用于连接和信号传输的路由线。在具体的实施方式中，心电图电极870是使用例如碳和银/氯化银(ag/agcl)油墨经由印刷电子工艺制成的干电极，尽管湿(凝胶)电极也是可能的。附加地，或替代地，传感器870可以包括用于感测血氧饱和度的血氧饱和度传感器。其他实施方式是可能的。更一般地，可以实施与超声无关的任何合适的传感器或一组传感器。
50.在一些实施方式中，对于每个与超声无关的传感器870，监测垫800具有从传感器870到超声探头700的接线、布线和/或连接器875。这可以使得能够经由超声探头700和电缆600获取用于超声波束成形装置900的附加数据。在一些实施方式中，超声探头700具有接线、布线和/或连接器以向超声波束成形装置900提供传感器信号。在一些实施方式中，电缆600包括用于超声换能器的接线和用于与超声无关的传感器870的单独的接线。其他实施方式是可能的。
51.在一些实施方式中，超声探头700包括如所例示的底壳710和上壳720，尽管其他配置是可能的。超声换能器阵列(未示出)将被布置在超声探头700的底壳710内，使得当超声探头700被连接到监测垫800时，超声换能器阵列可以通过底壳710的开口与超声凝胶垫830
形成接触。在一些实施方式中，超声探头700还具有应变消除件730以支撑连接到超声探头700的电缆600。电缆600可以包括用于超声换能器阵列和/或其他传感器870的接线。应变消除件730可以帮助防止电缆600以及在该电缆中的其接线被意外地从超声探头700拉出。
52.现在参考图5a至图5c，示出的是描绘连接到监测垫800的超声探头700的示意图。图5a是俯视图的示意图，而图5b和图5c是侧视图的示意图。如所示出的，当超声探头700被固定在托架810上时，用于传感器870的连接器875被嵌入托架810中并且连接到超声探头700。在一些实施方式中，监测垫800具有象形图(未示出)，用于位置指示和导引、和/或传感器870的导引和定位。象形图可以出现在任何合适的表面——例如支撑结构810、840、850、860的支撑层860——上。更具体地，象形图可以出现在支撑层860、850的框架850上。其他实施方式是可能的。
53.在一些实施方式中，超声系统100在监测垫800上或附近具有灯(未示出)以向操作者提供视觉反馈。所述灯可以包括包含在监测垫800和/或超声探头700(包括例如超声探头700的应变消除件730)中的led(发光二极管)，以照亮例如托架810、超声探头700或电缆600。所述灯可以被用于用信号通知操作者超声系统的状态，例如超声系统100是可操作的、信号已经被检测到、和/或超声系统100中存在故障。
54.超声换能器阵列
55.现在参考图6a和图6b，示出的是超声探头700的超声换能器阵列750的示意图。图6a示出了超声换能器阵列750的组装视图，而图6b示出了超声换能器阵列750的分解视图。超声换能器阵列750是超声探头700的主要部件，其可以被连接到监测垫800用于上文所描述的医学超声过程。超声换能器阵列750操作性地耦合到监测垫800用于超声束发射和接收。当它们被组装到一起时它们构成“免手持超声探头”，并且可以与超声波束成形装置900一起使用以用于信号处理和实时成像。免手持超声探头与超声波束成形装置900的组装构成可以被用于成像和监测目的的超声系统。
56.超声换能器阵列750具有压电元件752阵列。在一些实施方式中，压电元件752是pmut(压电微机械超声换能器)，其是基于mems(微机电系统)的压电超声换能器。在其他实施方式中，超声换能器阵列750具有压电替代物，例如电致伸缩材料，或替代地pmut或cmut(电容式微机械超声换能器)材料。
57.在一些实施方式中，压电元件752在几何学上被布置在顶电极阵列和底电极阵列之间用于压电电压/电流激励。具体地，压电元件752具有如所例示的正交地布置的顶电极758和底电极756，尽管除了90度以外的角位置的其他实施方式是可能的。向压电元件752的顶电极758和底电极756以电脉冲施加电压导致压电元件752发射超声能量。
58.在一些实施方式中，压电元件752被嵌入复合矩阵755内。在一些实施方式中，复合矩阵755是可以包括例如聚四氟乙烯或pvdf(聚偏二氟乙烯)的聚合物复合材料。
59.在一些实施方式中，超声探头700还具有：匹配层757，例如，其可以用硅或溶胶-凝胶sio2/聚合物纳米复合物；以及阻尼块(damping block)759，例如，其可以用例如载钨环氧胶(tungsten loaded araldite)(环氧树脂)。匹配层被用来提高能量传入和传出患者的效率，并且阻尼块759吸收方向向后的超声能量并且使杂散超声信号衰减。
60.在一些实施方式中，超声换能器阵列750具有m
×
n个超声元件752，其中m和n是自然数，形成换能器的最大阵列孔径(aperture)。换句话说，超声换能器752以二维阵列的形
式定向。在一些实施方式中，超声换能器阵列750具有(m
×
n)2数目的最小孔径，其中一个最小孔径具有至少两个元件。孔径是在特定时刻发射或接收声波的有效区域(acti ve area)。在所例示的实施例中，超声换能器阵列750的形状是矩形的。然而，其他二维形状是可能的，诸如例如圆形形状或椭圆形形状。
61.在一些实施方式中，超声波束成形装置900被配置为利用二维阵列中的一个阵列作为单个线性阵列。在其他实施方式中，超声换能器750具有m个超声元件的线性阵列，其中m是形成换能器的最大线性孔径的自然数。因此，应理解，“超声换能器阵列”不必是二维阵列。在一些实施方式中，超声换能器阵列750具有m2数目的最小孔径，其中最小孔径具有至少两个元件。孔径是在特定时刻发射或接收声波的有效区域。
62.在一些实施方式中，超声元件752可以使用超声元件752的总孔径来选择或可以被单独地选择用于创建子孔径。通过使用全孔径或子孔径，超声束的发射和接收可以被单独地配置，以调整阵列的每个元件的时间延迟以用于提供超声束传播的路径长度。时间延迟校正是一种将相位控制应用于单个声束从而允许在方位角和仰角方向性上进行角超声束转向并且还允许深度聚焦的方法。
63.在一些实施方式中，超声换能器阵列750使用时间延迟相控阵列或替代的波束成形技术，用于通过提供用于在两个正交角度——方位角和仰角——上转向的方法来自动调整待被聚焦在3d检查体积中的超声束。在一些实施方式中，超声波束成形技术使得超声束的深度和方向性能够实现用于诊断目的的图像对比度增强和模式识别。
64.在一些实施方式中，超声换能器阵列750提供在媒介中声学超声束的发射和接收，并且其中使用由超声波束成形装置900实施的信号和图像处理技术来控制和监测在媒介中超声束的发射和接收。在一些实施方式中，超声波束成形装置900中的信号处理提供具有自动深度和增益调整特征的体积角扫描(volume angular scanning)以用于提高信噪比。
65.在一些实施方式中，以精简到监测垫800的固定过程的方式在几何学上配置超声换能器阵列750。传统的超声换能器被竖直地设计，以处理用于身体压力和旋转的探头，使得探头的3d角旋转能够用于几何定位和聚焦。相比之下，免手持超声探头具有元件的表面设计阵列，所述元件在几何学上被定尺寸并且在它们之间间隔开以实现超声束在检查的体积中的3d角转向。
66.超声换能器阵列750在超声探头700内被定向成使得超声换能器阵列750基本上平行于患者的表面。在一些实施方式中，超声换能器阵列750以与超声探头700的长轴成0
°
的角度定向。在其他实施方式中，超声换能器阵列750以相对于超声探头700的长轴成不同于0
°
(例如30
°
)的角度定向，以在几何学上便于束聚焦到感兴趣的区域，因此便于例如获取心脏的胸骨旁长轴切割平面。在一些实施方式中，超声换能器阵列750的角度可以由超声探头700内的马达(未示出)操纵或调整，以便于束聚焦到感兴趣的区域。在其他实施方式中，该角度可以被手动地操纵或调整。在其他实施方式中，该角度保持固定。其他实施方式是可能的并且在本公开内容的范围内。
67.下文参考图7提供超声换能器阵列750是如何可以由超声波束成形装置900操作的另一些示例细节。
68.超声波束成形装置
69.现在参考图7，示出的是操作性地耦合到超声换能器阵列750和与超声无关的另一
个传感器870的超声波束成形装置900的块图。首先应理解，超声波束成形装置900是以非常具体的部件组合示出的，并且其他部件组合是可能的。超声探头700(具有超声换能器阵列750和其他传感器870)与超声波束成形装置900的组装构成可以被用于成像和监测目的的超声系统。
70.超声波束成形装置900具有用于控制通过超声换能器阵列750发送和接收的控制硬件200、用于处理接收的数据的数据获取和信号处理电子器件400、用于处理和显示该数据的处理硬件300、以及用于实现交互性的总线500。在一些实施方式中，控制硬件200具有用于如下文所描述的信号处理的多个控制信道。
71.在一些实施方式中，控制硬件200具有用于通过超声换能器阵列750发射的部件，包括tx(发射)fpga(现场可编程逻辑门阵列)波束成形器240和cw(连续波)发射器210。在一些实施方式中，控制硬件200还具有用于通过超声换能器阵列750接收的部件，包括rx(接收)fpga波束成形器260。在一些实施方式中，控制硬件200还具有用于与传感器870交互的信号调节单元(signal conditioning unit)280。在一些实施方式中，hv(高压)控制开关tx/rx 230和hv多路复用器270例如基于来自tx fpga波束成形器240的控制来在发射模式和接收模式之间进行选择。
72.在一些实施方式中，控制硬件200被配置为选择性地将偏置电压施加到一组平面电极以用于执行切趾(apodization)和孔径选择。偏置电压可以包括来自偏置电压发生器220的正、负或零偏置电压的多个电平。偏置电压的选择性施加经由高压多路复用器270由hv控制开关tx/rx 230执行。
73.控制硬件200可以在发射模式和接收模式之间循环以用于医学超声过程。在发射模式期间，hv多路复用器270例如基于来自tx fpga波束成形器240的控制来实现连续波信号从cw发射器210的发射。基于切趾和孔径选择，通过超声换能器阵列750的发射被聚焦在空间中的焦点上。在接收模式期间，hv多路复用器270基于来自患者体内的所产生的反射来使得能够通过超声换能器阵列750接收信号。rx fpga波束成形器260经由控制开关tx/rx 230接收这些信号。
74.在一些实施方式中，控制硬件200具有fpga主控器(master)250，该fpga主控器250通过控制来自偏置电压发生器220的偏置电压的施加来作为延迟控制器起作用。以此方式，fpga主控器250可以控制超声换能器阵列750的相应的每组平面电极两端的偏置电压，以控制每个相应的可变延迟的长度。在一些实施方式中，通过偏置电压发生器220确定正、负或零偏置电压的电平，确定由cw发射器210生成的波形信号，并且选择性地将其施加到一组平面电极足以在可以生成超声焦点的空间中生成超声能量。同样地，在一些实施方式中，通过偏置电压发生器220确定正、负或零偏置电压的电平，并且选择性地将其施加到一组平面电极足以实现由空间中的时间延迟超声回波生成的声束能量的材料换能。
75.在一些实施方式中，根据特定的聚焦法则，超声脉冲被发射到超声焦点，并且超声换能器阵列750的至少两个平面电极可以构成最小的一组平面电极，如上文所描述的。在一些实施方式中，由相应的每组平面电极两端的偏置电压施加的每个可变延迟生成特定于焦点并且特定于聚焦法则的超声脉冲。在一些实施方式中，通过将每个延迟参考单独的聚焦法则的一组多个延迟分组，多个其他聚焦法则是适用的。在一些实施方式中，使用聚焦法则来控制相应的每组平面电极的时间延迟生成多组超声束，所述多组超声波束被发射到超声
能量可以与预定焦点同相的体积中，其中该焦点可以分别在方位角和仰角上提供深度和角束转向方向性。
76.在一些实施方式中，偏置电压被施加在相应的每组平面电极两端使得超声回波可以被操作性地耦合到特定的聚焦法则而被接收。在一些实施方式中，通过处理相应的每组平面电极两端的偏置电压而施加到从所述组平面电极接收的信号的每个可变延迟实现超声回波的材料声学能量换能，并且其中对给接收的信号的时间延迟的控制和处理操作性地参考特定的聚焦法则。在一些实施方式中，通过将每个延迟参考单独的聚焦法则的一组多个延迟分组，一组聚焦法则是适用的，并且其中为超声发射操作生成的聚焦法则可以但不限于相反地被用作用于接收操作的时间反演(time reversed)聚焦法则。在一些实施方式中，使用聚焦法则来控制相应的每组平面电极的时间延迟，以便将声学能量的相调整到空间中的焦点，其中该焦点可以在接收操作中分别在方位角和仰角上提供深度和角束转向方向性。
77.在一些实施方式中，fpga主控器250、tx fpga波束成形器240和rx fpga波束成形器260是同一fpga的部分。然而，利用单独的fpga的实施方式是可能的。此外，其他实施方式是可能的，其中代替fpga或除了fpga之外利用dsp(数字信号处理器)、微控制器或其他合适的硬件部件。更一般地，超声波束成形装置900可以是用硬件、软件、固件或其任何合适的组合实施的。
78.在一些实施方式中，数据获取和信号处理电子器件400具有用于信号获取缓存的存储器410，以及图像&监测处理器420。在一些实施方式中，图像&监测处理器420被设置用于感测和致动超声换能器阵列750，并且用于处理测量的信号以计算和改进图像重建。在一些实施方式中，图像&监测处理器420使得能够实现用于生成和接收超声波信号的方法、程序和算法，其可以包括基于时间延迟和波形发生器算法的标准相控阵列技术或任何其他替代时间延迟波束成形方法，而不限于与所述波束成形方法和算法匹配以动态地提高声学发射超声束能量和所述超声束回波的声学接收的换能器阵列模式，即用于提高信噪比的方法和算法。
79.在一些实施方式中，处理硬件300具有处理器320，该处理器320被配置为在发射模式期间用偏置电压发生器220限定到该组平面电极的电压电平和限定到该组平面电极的经由tx fpga波束成形器240和cw发射器210生成的波形信号，以在空间中实现超声焦点。在一些实施方式中，处理器320还被配置为在接收模式期间针对该组平面电极限定从偏置电压发生器220选择的电压电平，以接收由空间中的超声回波生成的声学束能量。在一些实施方式中，处理硬件300具有用于基于超声波信号的接收来生成超声图像的gpu(图像处理单元)330，并且其中gpu 330可以集成图像&监测处理器420和处理器320的处理特征，以及用于显示超声图像的监视器/显示器340。在一些实施方式中，处理硬件300还具有各种外围设备310，例如诸如pcle(外围部件互连高速(peripheral component interconnect express))、usb(通用串行总线)和wifi。其他实施方式是可能的。
80.在一些实施方式中，信号处理电子器件400和/或处理硬件300实施一个或多个算法。所述一个或多个算法可以包括以下中的任何一个或适当的组合：
81.·
用于询问检查的体积的3d束扫描算法，例如线性扫描、扇形扫描、b模式和m模式成像技术；
82.·
可以被用来提高信噪比和图像重建的用于询问检查的体积的3d束扫描技术，诸如全矩阵捕获和全聚焦方法；
83.·
使得能够使用3d束扫描算法来重建超声图像的图像处理算法；
84.·
用于识别图像中的对象的分割和图像模式识别算法；
85.·
用于重新编程聚焦法则以将超声束重新聚焦在特定的roi(感兴趣的区域)处的算法，其中roi可以指特定的poi(感兴趣的点)或特定的aoi(感兴趣的区域)，并且其中超声束的重新聚集提高了信噪比；
86.·
信号处理算法，例如涉及来自发射操作和接收操作的一对适时致动器/传感器组合的该组平面电极的传递函数计算、fft(快速傅里叶变换)、卷积；以及
87.·
用于比较每个致动器/传感器的计算的传递函数幅值和相位谱的算法，其中计算的传递函数幅值和相位谱包括用于识别一组致动器/传感器配对的超声能量分布的算法，其中关于幅值和相位的谱信息包括信号波形生成的频率选择和移位以及用于将超声能量重新聚焦在所询问的体积中的感兴趣的区域中的时间延迟技术。
88.在一些实施方式中，如在图7中所描绘的，超声波束成形装置900被配置为使用信号调节单元280接收来自传感器870的读数。在一些实施方式中，超声波束成形装置900被配置为当传感器870经由连接器875连接到超声探头700时，经由超声探头700例如通过电缆600或通过其他方式接收读数。在一些实施方式中，信号调节电路板和多路复用电路被使用以经由电缆600调节信号并且将信号多路复用到波束成形装置900。在一些实施方式中，超声波束成形装置900具有除了电缆600之外的单独的信号传输路径(signalling path)(未示出)用于接收来自传感器870的读数。
89.根据本公开内容的一个实施方案，超声波束成形装置900同时显示超声图像和基于来自传感器870的读数的另一个图像。例如，图8示出了对于传感器870是用于感测心跳的一对心电图电极870的情况与心电图同时显示的超声图像。其他显示是可能的，这取决于传感器870。例如，在传感器870是血氧饱和度传感器的情况下，超声波束成形装置900可以同时显示超声图像和表示血氧饱和度随时间变化的曲线图。其他实施方式是可能的。
90.在一些实施方式中，超声波束成形装置900被配置为连接到除颤器装备并且控制除颤器装备和/或显示除颤器装备的信息。例如，图8示出了与来自除颤器装备的心电图同时显示的超声图像。此外，图8示出了除颤器装备的信息(例如200焦耳等)并且提供用于经由除颤器装备递送电击的控制件。
91.在其他实施方式中，除超声探头700和监测垫800之外，超声系统100还包括全除颤系统(例如除颤电路，嵌入波束成形装置900中)并且连接到两个独立的除颤器电极。超声系统100的此实施方式既可以提供超声监测能力又可以提供除颤能力。本领域技术人员将理解，这样的系统可以允许减少诊断和干预的时间，以及增加危症监护情形下的诊断准确度。
92.为了使得能够在经由除颤器装备向患者递送电击同时或之后立即为患者由超声系统生成超声图像，超声系统100被配置为对来自除颤的电击是有适应力的(resilient)。例如超声探头700和/或超声波束成形装置900可以被设计为具有输入阻抗，所述输入阻抗足够高以避免否则可能由电击导致的损坏，而且足够低以准许超声系统100的正确操作。使超声探头700对电击有适应力的另一个装置可以包括相当于电气开关的旁路电路，其可以避免由电击导致的电流/电压损坏。监测垫800也可以由有适应力的材料制成。
93.在一些实施方式中，对于传感器集成，提供了一种用于防范除颤器脉冲的装置。该保护电路可以具有保护患者(例如通过确保除颤脉冲确实穿过患者并且不在超声波束成形装置900内丢失)和保护操作者(例如通过确保甚至在除颤期间超声波束成形装置900对操作者保持安全)的双重功能。如果超声波束成形装置900与患者不具有电接触，可能不存在对这样的保护的任何需要。然而，在具有用于ecg信号的附加传感器870的一些实施方式中，ecg和超声信号可以通过电缆600内的单独的电连接器而被路由。
94.现在参考图9，示出的是示出了监测垫800在一对除颤垫101、102之间的示例放置的患者的示意图。在一些实施方式中，超声系统100(包括监测垫800和超声探头700)对来自除颤的电击是有适应力的，如上文所描述的。尽管超声系统100被配置为对来自除颤的电击是有适应力的，但是应注意，超声系统100不必须能够与除颤同时生成超声图像。
95.在一些实施方式中，超声波束成形装置900实施模式识别或人工智能以基于超声束的所产生的反射和来自其他传感器870的读数的组合自动地生成形态或组织识别(例如特定的切割平面以帮助医生诊断)。作为一个具体的实施例，可以用训练数据训练多层人工神经网络以识别与目标形态或组织识别对应的模式，并且然后针对与由训练数据表示的情形类似的情形使用该多层人工神经网络来自动生成形态或组织识别。通过将来自超声图像的信息和与超声无关的信息(例如心电图和/或血氧饱和度)组合，可能可以精简医生诊断。
96.使用超声系统的方法
97.现在参考图10，示出的是使用超声系统100用于医学超声过程的方法的流程图。此方法可以由用户——例如由技术人员、护士、医生或护理人员——实施。
98.在步骤10-1处，用户将监测垫800应用到患者。如早前所描述的，监测垫800具有超声凝胶垫830和保持超声凝胶垫830的支撑结构810、840、850、860。在步骤10-2处，用户将超声探头700连接到监测垫800。如早前所描述的，超声探头700具有超声换能器阵列750。
99.根据本公开内容的一个实施方案，支撑结构810、840、850、860在几何学上被配置为接收超声探头700并且保持超声换能器处于抵靠超声凝胶垫830的固定布置中，使得超声凝胶垫830被夹在患者和超声换能器之间。
100.在步骤10-3处，用户操作超声波束成形装置900以控制超声换能器将超声束聚焦到患者体内并且读取超声束的所产生的反射。在一些实施方式中，在不握住或操纵保持固定到患者的监测垫800或超声探头700的情况下，用户操作超声波束成形装置900。在一些实施方式中，在步骤10-3处，用户执行临床整合和后续干预。
101.在步骤10-5处可以基于用户是否决定继续来适当地重复步骤10-3和步骤10-4。在一些实施方式中，在医学超声过程期间，用户执行除颤过程。此外，在一些实施方式中，用户通过传感器870使用超声系统100监测心跳和/或血氧饱和度。明显地，除颤过程和心跳和/或血氧饱和度的监测可以在医学超声过程期间发生。一旦在步骤10-5处用户决定停止医学超声过程，则该方法结束。
102.其他实施方案
103.另一个实施方案涉及体积超声成像，辅助危症监护中的除颤或监测过程并且辅助例如心电图诊断的多路复用床旁即时诊断，作为本发明的一个示例实施方案。
104.另一个实施方案提供了免手持超声换能器与监测凝胶垫的使用，所述监测凝胶垫包括使得能够实现ecg监测和特征的心电图电极。
105.另一个实施方案提供了使用免手持超声换能器阵列的成像超声系统和包括心电图电极的监测垫的组合，以在复苏背景中用超声信号与ecg信号的组合来提供新的监测特征。
106.另一个实施方案是使用免手持超声换能器阵列的超声成像系统和包括心电图电极的监测垫以及包括电击电极的除颤器电路的组合，以在患病的患者的复苏紧急背景中提供除颤。例如，在一些实施方式中，监测垫800具有除颤电极，例如诸如金属-金属/氯化物电极，所述电极是允许除颤的多功能电极，以及传导由心脏生成的电脉冲并且因此提供关于心率和精确心脏节律的信息，所述心率和精确心脏节律二者是在复苏中是有用的信息(参见例如us 5,080,099)。在一些实施方式中，除颤电极按照除颤器垫的指南在换能器周围提供90cm2的接触面积，每个贴片50cm2并且与患者的身体总共150cm2的接触面积，用于高效除颤并且降低诱发皮肤损伤的可能性。
107.另一个实施方案是超声监测能力与诸如外围血氧饱和度的其他形式的监测的组合。
108.另一个实施方案包括允许自动图像识别和数据组合的获取后图像处理能力，例如诸如ecg(心电图)和回波图。
109.另一个实施方案包括在没有临床医生的参与的情况下生成的回波图，例如由救护车服务员或军事人员。回波图监测以无创的方式、可能使用人工智能生成连续数据。
110.另一个实施方案提供了与其他超声部件组合的监测垫，以提供增大的超声诊断和监测能力，诸如通过将心脏、肺和ivc(下腔静脉)的可变性或大小配对的自动化egls(回波导引生命支持)，或用于监测例如提示肺中的水的b线的存在的肺监测装置。
111.另一个实施方案是如上文所描述的换能器，所述换能器在形状和格式上被适配以适合新生儿和小儿科人群或以适合成人/小儿科身体的其他部分。
112.鉴于上文的教导，本公开内容的许多改型和变化是可能的。因此应理解，在所附权利要求的范围内，可以与除本文所具体描述的方式外的方式实践本公开内容。