专利名称：使用窄探针的经食管的超声波的制作方法
使用窄探针的经食管的超声波本申请是申请日为2004年11月M日、申请号为200480035079. 6、发明名称为“使
用窄探针的经食管的超声波”一案的分案申请。
背景技术：
在医学界，监控心脏功能影响与患者护理有关的关键决策。一种类型的现有心脏监护是血管内的/心脏内的超声波换能器(如Accimav 换能器)。然而，这种类型的换能器不能很好地适合经食管超声波心动图，因为换能器元件的方位是纵向的而不是横向的， 这限制能够获得的图像的类型。第二种类型的现有心脏监护是经食管超声波心动图(TEE) 换能器，其方位是横向的。然而，为了反复生成可使用的图像，这些换能器的方位孔径必须相当大(例如，对于成人其直径为10_15mm)，这需要比较大的探针。由于大探针的缘故，常规TEE通常需要麻醉，这会严重威胁导气管，并且不适合心脏的长期监控。
发明内容
通过使用小型的横向取向换能器实现经食管的超声波成像，该换能器最好足够小以适合直径为7. 5mm的探针，更可取地，该换能器最好足够小以适合直径为5mm的探针。信号处理技术提供改进的透深，尽管该换能器是那么小。
图1是利用心脏的直接可视化监控心脏功能的系统的总框图；图2是图1的实施方式显示的探针的详细视图；图3是左心室的经胃短轴图(TGSAV)的显示图像的示意图；图4刻画获取TGSAV时换能器相对于心脏的定位；图5表示把心脏的经胃短轴切成薄片的平面；图6A表示可选探针接口配置；图6B是TGC放大器的增益特性的图形；图7A、7B和7C表示第一优选换能器配置；图8A和8B表示第二优选换能器配置；图9表示空间分辨率的分量；图10表示分辨三维象素的形状和边界之间的相互作用；图11表示扇区宽度；图12是超声波射束掠过扇区时超声波射束的路径的示意图；图13是与图12的某一射束的一部分相对应的采样的示意图；图14是使用反馈信号的频率特性的处理算法的流程图；图15是把增益系数映射到能量比上的函数的图形；以及图16A和16B表示两种可供选择的换能器设计。
具体实施例方式图1是利用心脏的直接可视化连续不断地长期监控心脏功能的系统的总框图。使用超声波系统200来监控患者100的心脏10，其方法是，向探针50发送驱动信号，然后通过使用下面描述的图像处理算法，把从探针那里接收的反馈信号处理成图像。接着，采用任何常规方式，在监视器210上显示那些算法生成的图像。图2表示与超声波系统200相连的探针50的详细视图。在探针50的远端是一个外壳60，超声波换能器10位于外壳60的远端64之内。下一部分是软轴62，它处于远端64 和手柄56之间。轴62应该足够软，从而远端64可以通过有关解剖结构到达所需位置，并且操作员利用手柄56来协助远端64的定位。作为选择，手柄56可以包含触发机制58，操作员使用该机制按以下方式弯曲外壳60的末端以到达所需解剖位置。在手柄56的另一端是一条电缆M，它在探针50的近端与连接器52相连。利用连接器52来连接探针50和超声波系统200，从而超声波系统200可以操纵探针。用于驱动换能器10的超声波系统200的信号经由适当线路和中间电路(未示出)通过探针50以驱动换能器10，同样，来自换能器10的反馈信号沿相反方向通过探针50到达超声波系统200， 最终把它们处理成图像。接着，以有关技术领域中的技术人员熟知的方式，在监视器210上显示该图像。在优选实施方式种，外壳60的外径小于7. 5mm。探针包含超声波换能器10和引线，并且外壳60可以经由嘴或鼻子进入食管和胃。在超声波系统200中处理反射的超声波信号，以生成心脏的图像。更可取地，正如下面描述的那样，利用附加信号处理来显著改进图像生成。图3表示左心室(LV)的经胃短轴图(TGSAV)的显示图像，它是通过使用优选实施方式成像的优选视图。所示的TGSAV图像以扇区方式出现，它包括围绕LV内的血液区域130的LV的心肌120。可以实时查看该图像，或进行记录以便稍后进行检查、分析和比较。作为选择，可以对心脏功能进行定量分析，包括但不限于心室和脉管尺寸和容积，心室功能，血流，充盈，瓣膜结构和功能以及心包病理学。与常规TEE系统不同，优选实施方式中使用的比较窄的外壳能够长时间把探针放在患者体内。正如在图4和5中看到的那样，利用探针50把换能器10引入并定位到患者体内的所需位置。胸腔内的心脏的方位是这样的，使左心室的顶点向下并在左边。此种方位导致左心室的下(底)壁刚好在左偏侧膈的上方，左偏侧膈刚好在胃的底部。手术时，换能器 10发射扇型射束90。因此，通过把换能器10放置在胃的底部，同时使得扇型射束90穿过左心室对准心脏，可以提供心脏110的经胃短轴视图。扇型射束90的平面定义图5所示的图像平面95。该图对监控心脏手术特别有用，因为医务人员可以直接查看左心室，即，心脏的主增压室。请注意，在图4和5中，AO代表主动脉，IVC代表下腔静脉，SVC代表上腔静脉， PA代表肺动脉，LV代表左心室。也可以使用其它换能器位置来获取心脏的不同视图，代表性地从食管中部到胃部，从而手术者能够直接查看大部分有关心脏解剖。例如，换能器10可以位于食管的下部， 以获取常规四室图。通常无需充分弯曲探针尖，就能把换能器放置到食管中，然后前进到胃中。在食管之内，手术者通过使用有关探针的以下动作的某些或全部动作的组合可以获得心脏的所需视图前进，后退，旋转和轻微弯曲。为了在成人中使用，外壳60的外径最好小于7. 5mm，更可取地，小于6mm，最好约为 5mm。这大大小于常规TEE探针。尺寸缩减可以降低或消除需要麻醉，并且有助于把TEE的用途扩展到心脏监控，超出其先前的专用的短期放置。当使用5mm外壳时，外壳足够窄了， 可以通过患者的鼻子，其优点是可以消除患者偶然咬一口探针的危险。作为选择，可以像常规TEE探针一样通过嘴。请注意，5mm直径的外壳类似于例如典型NG (鼻饲)管，目前无需在相同解剖位置进行麻醉，就可以长期使用NG管。因此，可以把探针放在适当位置达1小时，2小时，甚至6小时或更长时间。外壳壁最好是用与常规TEE探针壁所用的材料相同的材料制成的，因此，能够经得住胃分泌物。连接换能器和系统的其余部分的探针内的线路类似于常规TEE探针的线路 (当然，需要针对元件的数目进行调整)。外壳最好是可操纵的，从而可以用比较直的位置插入，在进入胃之后弯曲进入到适当位置。可以利用各种机制，包括但不限于转向或拉线， 使探针尖偏转。在选择性实施方式中，探针可以使用本征偏转机制，如预制元件，包括但不限于预成形材料。作为选择，探针(包括其内的换能器)可以是可置换件。为了形成LV的TGSAV图像，探针尖最好最终“前屈”(朝患者的正面弯曲)约 70-110度。例如，其实现方式是，通过组合预制元件，即，防止在插入时弯曲的设备以及在探针进入所需解剖位置后使预制元件免于插入限制的触发器，把可触发的前屈(例如，约为70度)制成探针。作为选择，可以使用拉线进行操纵，以便在换能器下降到适合深度后提供另外的0-40度弯曲。最好设计可触发的前屈组件，从而在移除探针期间，要回到非弯曲位置时几乎没有阻力。图6A表示与图1的实施方式类似的可选配置，只是与探针50相连的电路被安置到接口盒203内。超声波系统的其余部分仍然在主处理部件201内，主处理部件201经由合适电缆205与接口盒203通信。接口盒203包括对换能器10的信号进行放大和/或对这些信号进行数字化的电路。使用此种接口盒的优点是，为对电噪声非常敏感的电路的那些部分(亦即，信号弱的那些部分)提供比较短的信号通道。如果需要，也可以在接口盒203 内生成用于驱动换能器10的发射信号。通过使用多种技术，可以进一步降低电噪声。例如，在一种实施方式中，接口盒203 包含前置放大器和独立电源，前置放大器充当放大/处理链中的第一级，独立电路用于接口盒和主处理部件201，目的是减少电噪声通过。在另一个实施方式中，接口盒203包含前置放大器，后者充当放大/处理链中的第一级，并且该前置放大器用电池供电。对于两种实施方式，时间增益补偿(TGC)最好是在前置放大器中实现的。TGC补偿以下事实，来自远处的散射体的反馈信号比来自附近的散射体的信号要弱，其实现方式是，增加具有较长传播时间的信号的增益。通过使用有关技术领域中熟练技术人员熟知的常规技术，可以实现 TGC0图6B表示用于TGC的适合的增益对延迟特性的一个例子，其中χ轴表示超声波脉冲的传输和反馈信号的检测之间的延迟，与深度的对应关系如下深度(单位cm) = 0. 077cm/ μ s X 延迟(单位 μ s)。在前置放大器中实现TGC便于有效数字化。前置放大器也可以提供振幅压扩处理(一种压缩形式)，以便进一步便于有效数字化。作为选择，可以在接口盒中对前置放大器的输入进行数字化，此时，接口盒仅仅向主处理部件发送数字信号，以便进一步降低电噪声。这些数字信号甚至可以是光绝缘的，以消除反射通道上的所有可能的电气连接，以便进一步降低电噪声通过。此处描述的优选实施方式提供来自换能器的LV的TGSAV的高质量图像，其中换能器足够小以适合上面描述的狭窄外壳。图7A-7C刻画第一种优选换能器10。图7A表示位于外壳60的远端的换能器10的位置，该图还包括被外壳60的器壁围绕的换能器10的顶视图22和换能器10的正面剖视图24。正如在图7B中看到的那样，方位轴(Y轴)是水平的，仰角轴(Z轴)是垂直的，X 轴朝读者方向投射到页面外。当通过给换能器中的适当元件加电使其一直向前时，射束将沿X轴离开。采用有关领域中的熟练技术人员熟知的方式，控制信号也可以以某个角度(相对于X轴而言)发出射束。换能器10最好是用有关领域中的熟练技术人员熟知的方式，用N个压电元件 L1... Ln的堆叠、吸声衬垫12和前面的匹配层(未示出)制成的相控阵换能器。正如有关领域中的熟练技术人员理解的那样，最好能够单独地、独立地驱动相控阵换能器的元件，由于声或电耦合的缘故，不会在附近的元件中产生额外振动。另外，每个元件的性能最好尽可能相同，以形成更均勻的射束。作为选择，可以把切趾法集成到换能器中(亦即，在方位方向上，用于驱动换能器元件的功率从中部的最大值逐渐缩减到两端附近的最小值，对接收增益进行类似处理)。优选换能器使用与常规TEE换能器相同的基本工作原理向患者发射声能量射束， 并接收反馈信号。然而，尽管图7A-7C所示的第一优选换能器10与常规TEE换能器有许多共同特性，但是第一优选换能器10与常规换能器有以下不同
Tl常规TEE换能器第一优选换能器~
横向(方位方向)的大小 10-15mm约4-5mm
元件数64约32-40
仰角方向的大小约4-5mm
正面纵横比(仰角横向)~~约1 5WTTl
工作频率5MHz约6-7.2MHz表 1在图7A中，在换能器10的正面剖视图M上，把仰角标记为E，把横向孔径标记为 A。在顶视图22中，可以看到外壳60的器壁相对于换能器10的位置。图7C表示第一优选换能器10的更多细节。请注意，尽管附图中仅仅示出8个元件，但是优选换能器实际上有32-40个元件，间距P约为130 μ m。详细地，两个优选间距约为125 μ m(便于生产加工)和U8ym(0.6倍的波长，当频率为7. 2MHz时)。当32-40个元件的间距为125μπι时，换能器10的合成方位孔径A (有时简称为孔径)在4-5mm之间。 元件数的减少能够有利地减少连线数(与常规TEE换能器相比)，从而更容易把所需的全部连线装配到狭窄的外壳内。截口 K(亦即，元件之间的间隔)最好尽可能的小(例如，约 25-30 μ m或更小)。作为选择，优选换能器可以有M-48个元件，其间距约为100-150 μ m。图8A-8B表示第二优选换能器10'。换能器10'与连同图7A-7C描述的第一优选换能器10类似，只是它在仰角方向上更高。在两组附图中，使用相似的参考号数表示两个换能器的相应特征。数字上，第二换能器与常规换能器有以下不同
权利要求
1.一种用于对包含至少两种类型的组织的区域成像的系统，该系统包括超声波成像系统；以及探针，该探针包含(a)具有远端和软轴的外壳，(b)安装在该外壳的远端内的超声波换能器，以及(c)接口，用于连接该超声波换能器到超声波成像系统从而使该超声波成像系统能够驱动该超声波换能器并接收来自超声波换能器的返回信号，其中该远端具有小于约7. 5mm的外径，并且该软轴具有小于约7. 5mm的外径，并且其中该图像的透深大于该换能器的方位孔径的15倍。
2.权利要求1的系统，其中该软轴具有小于约6mm的外径，并且该远端具有小于约6mm 的外径。
3.权利要求2的系统，其中该换能器是横向取向的。
4.权利要求1的系统，其中该远端具有约为5mm的外径。
5.权利要求4的系统，其中该换能器是横向取向的。
6.权利要求1的系统，其中该软轴具有小于约6mm的外径，并且该远端具有小于约6mm 的外径，其中该换能器是横向取向的相控阵换能器，其在仰角方向上的大小至少约为6mm， 并且其中该换能器在仰角方向上的大小与该换能器在方位方向上的大小的比率至少约为 1. 5 1。
7.权利要求6的系统，其中该透深至少为该换能器的方位孔径的约20倍。
8.权利要求1的系统，其中该软轴具有在约2.5到4mm之间的外径，并且该远端具有在约2. 5到4mm之间的外径。
9.权利要求8的系统，其中该换能器是横向取向的。
10.权利要求1的系统，其中该软轴具有在约2.5到4mm之间的外径，并且该远端具有在约2. 5到4mm之间的外径，其中该换能器是横向取向的相控阵换能器，其在仰角方向上的大小至少约为3mm，并且其中该换能器在仰角方向上的大小与该换能器在方位方向上的大小的比率至少约为1.5 1。
11.权利要求10的系统，其中该透深至少为该换能器的方位孔径的约20倍。
12.一种用于患者的心脏的经食管的超声波成像的系统，包括超声波成像系统；以及探针，该探针包含(a)具有远端和软轴的外壳，(b)安装在该外壳的远端内的超声波换能器，以及(c)接口，用于连接该超声波换能器到超声波成像系统从而使该超声波成像系统能够驱动该超声波换能器并接收来自超声波换能器的返回信号，其中该远端具有小于约7. 5mm的外径，并且该软轴具有小于约7. 5mm的外径，并且其中该超声波成像系统根据接收的返回信号生成成人患者的心脏的完整的经胃短轴图。
13.权利要求12的系统，其中该软轴具有小于约6mm的外径，并且该远端具有小于约 6mm的外径。
14.权利要求13的系统，其中该换能器是横向取向的。
15.权利要求12的系统，其中该远端具有约为5mm的外径。
16.权利要求15的系统，其中该换能器是横向取向的。
17.权利要求12的系统，其中该软轴具有小于约6mm的外径，并且该远端具有小于约 6mm的外径，其中该换能器是横向取向的相控阵换能器，其在仰角方向上的大小至少约为6mm，并且其中该换能器在仰角方向上的大小与该换能器在方位方向上的大小的比率至少约为1. 5 1。
18.一种用于患者的心脏的经食管的超声波成像的系统，包括 超声波成像系统；以及探针，该探针包含(a)具有远端和软轴的外壳，(b)安装在该外壳的远端内的超声波换能器，以及(c)接口，用于连接该超声波换能器到超声波成像系统从而使该超声波成像系统能够驱动该超声波换能器并接收来自超声波换能器的返回信号，其中该远端具有小于等于约4mm的外径，并且该软轴具有小于等于约4mm的外径，并且其中该超声波成像系统根据接收的返回信号生成小儿科患者的心脏的完整的经胃短轴图。
19.权利要求18的系统，其中该软轴具有在约2.5到4mm之间的外径，并且该远端具有在约2. 5到4mm之间的外径。
20.权利要求19的系统，其中该换能器是横向取向的。
21.权利要求18的系统，其中该软轴具有在约2.5到4mm之间的外径，并且该远端具有在约2. 5到4mm之间的外径，其中该换能器是横向取向的相控阵换能器，其在仰角方向上的大小至少约为3mm，并且其中该换能器在仰角方向上的大小与该换能器在方位方向上的大小的比率至少约为1.5 1。
全文摘要
使用窄探针的经食管的超声波。通过使用小型的横向取向的换能器实现经食管的超声波成像，该换能器最好足够小以适合直径为7.5mm的探针，更可取地，该换能器最好足够小以适合直径为5mm的探针。信号处理技术改善透深，以至可以获得左心室的完整的经胃短轴图，尽管该换能器是那么小。通过缩减探针的直径(与现有技术的探针相比)，可以降低患者的风险，减少或消除需要麻醉，并且能够长期之间观察监控患者的心脏功能。
文档编号G01S7/52GK102512200SQ20111030531
公开日2012年6月27日 申请日期2004年11月24日 优先权日2003年11月26日
发明者哈罗德·M·黑斯廷斯, 斯科特·L·罗森 申请人:艾玛克公司