CN101460094A - 多频多普勒超声波探头 - Google Patents

Abstract

提供一种利用支持多个频率而不增加探头尖端尺寸的准连续模式探头测量通过血管的血流量的方法。探头尖端内设有多个元件。每个元件利用长脉冲信号发射超声波，每一元件具有不同的共振频率。每个元件还接收连续模式的超声波能量。选择器由从业人员手动控制以选择激活的元件。输出可以采取不同的形式。例如，输出可以打印、显示、记录至存储器和/或通过扬声器或耳机播放。

Description

多频多普勒超声波探头

技术领域

[0001]本公开的主题涉及超声波探头。尤其涉及可以以多种频率运行的医学多普勒超声波探头。

背景技术

[0002]为了测量血流量，一般采用手持探头将一束超声波能通过身体组织传输至目标血管。流经该血管的血细胞使超声波能向各方向散开。所述被传输的超声波能中的一部分被反射回所述探头，其用于接收及处理所述反射能。根据公知的多普勒现象，由于血细胞的速度(数量及方向)而使接收到的信号的频率与源信号的频率不同。朝向探头的运动缩短了反射波的波长，导致频率增大。远离探头的运动延长了反射波的波长，导致频率减小。发射频率与接收频率之间的差异就是公知的多普勒频移。因此，使用超声波发射及测得的接收的信号的频移可以以无损伤方式测得血管中血液流动的速度与方向。同样的，心跳，如胎儿的心跳，可以采用超声波发射测得。

[0003]利用连续波(CW：continuous-wave)多普勒超声波探头，在探头尖端内包含的压电晶体或元件持续传输由循环的红血细胞反射的超声波束。尖端内的分离的晶体持续接收被反射的声波。发射与接收晶体常常由从中间被裁切成两个半圆形元件的圆形元件制成。两个半圆形元件以相互有微小的角度并排安装在探头尖端内以形成患者内波束图型的交叉(intersection)。可选的排列包括使用两个并排的矩形晶体或由环形元件包围的中盘。在接收到的信号上进行处理以提取多普勒频移。设计简单、使用方便及低能耗使得CW多普勒成为用于小型电池动力应用的普遍选择。同样，由于本领域技术人员所共知的不需要晶体阻尼，所以CW多普勒的灵敏度通常很高。

[0004]多普勒超声波探头有效的操作频率范围一般为2-10MHz。基于公知的作为频率的函数的衰减效应，穿透身体组织所需要的深度确定了工作频率。较低的探测频率提供较深的身体组织的穿透。因此，在医学领域，由于能更深地穿透身体组织，具有大约从2MHz至3MHz的频率的探头可用于检测深的血流量、胎儿血流量或者颅内血流量。具有大约从4MHz至5MHz的探头可用于检测脉管血流量，例如，颈内、臂内或腿内。具有大约从8MHz至10MHz的频率的探头可用于检测皮肤附近的血管内的血流量或者外科手术应用。

[0005]发射压电晶体受到电激发以在特定的频率产生超声波信号，例如2、3、4、5、8MHz等等。晶体具有限定特定共振频率的几何及材料特性。CW晶体一般以窄带宽及高Q值被使用。在其共振频率操作所述无阻尼晶体生成最有效的超声波传输器且需要最低的能源。相反地，无阻尼接收晶体在因共振频率处或附近的压力而变形时产生电压为最有效的。有效的接收晶体通过允许传输较低超声波能到组织以减少超声波暴露风险。为在使用中改变工作频率，例如从2MHz至3MHz或从5MHZ至8MHz，一般用为所期望频率设计的探头替换CW超声波探头。可选的，可将探头设计为具有阻尼的或背衬的晶体以提供工作的更宽带宽及多个频率，但是由于更宽的带宽所以效率会降低。额外的晶体可以安装在探头内。例如，两个5MHz及两个8MHz晶体可以安装在探头尖端内。然而，会导致探头尖端尺寸增加使得从业人员可能使用不便。因此，从业人员必须携带且在多个探头间手动切换，接受具有降低的灵敏度及高发射功率的探头的使用，或者使用包括多个晶体的大体积的探头以提供多个频率的血流量测量。因此，所需要的是一种为在单一探头中获得最佳信号而提供多个可选频率但不降低灵敏度且不损耗多普勒信号的系统。进一步需要的是一种具有小尺寸或不增加探头尖端尺寸且提供多个频率的系统。

发明内容

[0006]本发明的示范性实施例提供一种优于单频率CW探头的单多普勒超声波探头，其可以以多个频率工作以测量血流量而不增加探头尖端的尺寸。在所述探头尖端内设置有不同共振频率的多个元件。在示范性实施例中，每个元件为压电晶体。每个元件可以利用脉冲信号传输超声波并且连续地接收超声波。从业人员手动控制开关以根据应用选择最佳的探头频率。多普勒频移输出可以以多种形式呈现给用户。例如，输出可以打印、显示、记录至存储器和/或通过扬声器或耳机播放。手动选择器有效地连接至多个元件。

[0007]提供一种通过血管或心率确定血流速度的方法。利用选择器，从业人员手动选择元件以提供测量的输出。所述方法包括，但是不限于，接收来自手动选择器的频率选择，其中所述频率选择识别多个元件中的一个元件；生成脉冲传输信号；响应生成的脉冲信号，从所识别的元件向对象发射能量；在所述所识别的元件处接收来自对象的反射信号；处理所述接收的信号以确定所述对象的特征；并且输出所述对象的特征。例如，所述对象可以为血管且所述特征可以为血流速度或心率。

[0008]本发明另一示范性实施例包括可执行所述方法的操作且包括多个元件的超声波探头。本发明的另一示范性实施例包括包含超声波探头的超声波系统。

[0009]从下面的附图、详细描述以及所附的权利要求，本领域技术人员将明白本发明的主要特征和优点。

附图说明

[0010]下面将结合附图说明本发明的示范性实施例，附图中用相同的标记表示相同元件。

[0011]图1为根据示范性实施例的包括用于选择工作频率的手动开关的超声波探头的外部侧视图；

[0012]图2为图1的超声波探头的尖端的第一横截面视图；

[0013]图3为图2的超声波探头的尖端的第二横截面视图；

[0014]图4为根据示范性实施例的探头电路的元件框图；

[0015]图5为描述图4的探头电路输出过程中的结构与执行的操作的框图。

具体实施方式

[0016]超声波指的是超声波或频率超过20kHz的波的使用。用于多普勒医学设备时，利用探头将声波传输穿过身体组织。探头被直接放置在皮肤上，探头一般具有应用于皮肤的连结胶。声波被作为“回声”由不同的身体组织和血液反射。所述回声中的部分返回探头且经处理以确定多普勒频移。结果被发送至输出媒介。

[0017]参照图1，示出了根据本发明的具有手动可选操作频率的超声波探头20的侧视图。超声波探头20可以包括外壳22、探头颈24及探头尖端26。外壳22容纳用于操作超声波探头20的电子装置且被从业人员持握在手中。外壳22可以具有不同的尺寸与形状以适应不同的应用，且可根据所述电子装置的尺寸与布置而变化。探头颈24将外壳22连接至探头尖端26并且一般具有锥形外表面。探头颈24的尺寸与形状可根据外壳22与探头尖端26之间的相对尺寸与形状而改变。探头尖端26容纳有多个元件，其中每一个元件发射与接收不同超声波频率的脉冲能量。在示范性实施例中，每个元件都为压电晶体。探头颈24容纳将探头尖端26内的元件连接至外壳22内的电子装置的电线。外壳20可以包括不同的及额外的部件。例如，超声波探头20可以包括一个或多个电源、不同的连接器、显示器、打印机、扬声器等等。可选地，超声波探头20可以连接有容纳额外部件及任意电子装置的分离装置。

[0018]外壳22包括频率选择界面30。频率选择界面30可以安装在外壳22的任意一侧，且可以包括手动开关32、第一指示器34及第二指示器36。手动开关32可以为现在及将来的本领域技术人员所公知的任何类型的开关。手动开关32提供一种从业人员通过其选择超声波探头20的操作频率(或有源元件)的机构。在示范性实施例中，第一指示器34为发光二极管(LED)，当开关选择由第一频率37指示的元件时第一指示器34为“开”。在示范性实施例中，第二指示器36为发光二极管(LED)，当开关选择由第二频率38指示的元件时第二指示器36为“开”。如在现在及将来本领域的技术人员所公知的，在超声波探头20上可实施用于指示频率选择的其他方法。手动开关32及指示器为从业人员提供从多个具有唯一共振频率的元件中进行选择的器件。额外的手动选择器可能包括允许从三个或者更多元件中进行选择的器件。例如，为从三个或更多的元件中进行选择，可将转盘或滑动开关用作手动选择器。频率选择界面30还可位于连接至探头的分离设备上。

[0019]参照图2，示出了沿着图1的轴2-2的探头尖端26的横截面视图。探头尖端26包括彼此相邻安装的第一元件40及第二元件42。探头尖端26还可包括额外的元件。第一元件40及第二元件42为半圆形。具有改变由元件发射出的能量分布效果的可选的形状是可能的。参照图3，示出了沿着图2的线3-3的探头尖端26的横截面视图。第一电线44连接第一元件40和容纳于外壳22内的电子装置。第二电线46连接第二元件42和容纳于外壳22内的电子装置。

[0020]第一元件40与第二元件42包含压电材料以生成超声波脉冲。第一元件40与第二元件42都可用于生成超声波脉冲以及用于接收从目标对象反射回元件的能量造成的回声。当压电材料受到电压时，其会经历根据电压极性的尺寸变化。接近元件的共振频率的交流电压产生超声压力波。相反地，当反射的压力波撞击压电材料时，会导致产生电压的压电材料机械变形。压电材料包括如石英、陶瓷、聚合物等的天然的与合成的材料。压电材料可制作成不同的形状与尺寸。

[0021]压电材料一般在窄定义的频率范围内共振。在共振频率处或附近操作无阻尼元件是最有效的，因此，需要最低的操作能量。第一元件40与第二元件42具有从业人员基于临床需要所选择的独特的共振频率。第一元件40与第二元件42可以结合超过超声波谱的任何一对共振频率。在示范性实施例中，所使用的超声波谱从大约2MHz扩展到大约10MHz。在第一示范性实施例中，第一元件40具有大约5MHz的共振频率，而第二元件42具有大约8MHz的共振频率。在第二示范性实施例中，第一元件40具有大约2MHz的共振频率，而第二元件42具有大约3MHz的共振频率。共振频率可根据特定的实施例而变化。例如，共振频率可以为大约2.25MHz而不是2MHz。

[0022]为了使用相同的元件传输与接收超声波能量，使用操作的拟连续或者长脉冲模式。传输信号以50％的占空比进行是否选通(gate onand off)。为操作及设计的简便，接收到的信号没有选通，因此，处理从所有组织深度返回的能量。传输信号的脉冲重复频率(PRF：pulserepetitionfrequency)由所需的操作深度确定。由于同一元件发射与接收能量，因此传输时间必须基于目标对象的预期深度调整(且导致反射返回至元件前的延迟时间)，所述目标对象基于所选择的频率导致可能的脉冲重复率(PRF)或频率的范围。使用从大约2MHz至大约10MHz的频率范围，示范性PRF范围从大约5kHz延伸至大约125kHz。使用从大约5MHz至大约8MHz的频率范围，示范性PRF范围从大约62kHz延伸至大约63kHz。优选的，使用从大约5MHz至大约8MHz的频率范围，PRF为62.5kHz，使用从大约2MHz至大约3MHz的频率范围，示范性PRF范围从大约5kHz延伸至大约6kHz。优选的，使用从大约2MHz至大约3MHz的频率范围，PRF为5.3kHz。

[0023]在可选的实施例中，探头尖端26可包括安装在第一元件40和/或第二元件42前方的透镜以聚焦或散焦从任意一个元件发射的能量。例如，由塑性材料形成的透镜可以排列在第一元件40和/或第二元件42的前方以使发射出的能量束变窄，以便有助于定位目标血管。另外，探头尖端26可利用第一元件40与第二元件42前的单个或多层波片以减少在探头/组织界面上的不匹配的声阻抗。使用中，第一元件40与第二元件42发射穿过诸如胶质的放置在待分析的介质表面上的传递介质(coupling medium)。例如，胶质放置在患者皮肤上，探头尖端26放置在胶质的顶端。

[0024]参照图4，显示了根据示范性实施例的电子装置50。电子装置50包括电子开关52、第一元件电路55、第二元件电路57、滤波器84及输出端90。由手动开关32控制在第一位置54与第二位置56之间的电子开关52的设置。第一位置54选择第一元件电路55。第二位置56选择第二元件电路57。在图4的示范性实施例中，电子开关52只激活第一元件电路55或第二元件电路57中的一个而关闭另一个电路55或57。第一元件电路55可以包括第一振荡电路60、第一传输放大器64、第一元件40、第一接收电路72、第一混频器76及第一放大器80。第二元件电路57可以包括第二振荡电路62、第二传输放大器66、第二元件42、第二接收电路74、第二混频器78及第二放大器82。

[0025]第一振荡电路60及第二振荡电路62在预选的PRF和中心频率处产生一系列脉冲。所述中心频率近似等于各元件40、42的共振频率。第一传输放大器64及第二传输放大器66分别放大第一振荡电路60及第二振荡电路62的高频振荡输出，并且分别为第一元件40及第二元件42提供高频电压，同时在接收期间提供高阻抗。高频电压被转换成由第一元件40或第二元件42向兴趣目标发射的超声波。例如，向血管或心脏发射超声波能量。

[0026]反射的超声波的一部分由第一元件40或第二元件42接收且被分别转换成在第一接收电路72和第二接收电路74处接收的电子信号。第一接收电路72及第二接收电路74提供电匹配、限幅及信号增益。利用第一混频器76和/或第二混频器78检测反射的信号的多普勒频移。在第一混频器76及第二混频器78中，将分别接收到的信号与第一振荡电路60及第二振荡电路62的高频输入信号分别混频。通过混频两种声波，得到四种频率组份：1)传输信号的频率，2)反射信号的频率，3)两种信号的和的频率及4)两种信号之间的差的频率。差异信号包括与目标对象的相对速度成比例的多普勒频移。在图4的示范性实施例中，电子开关52选择第一混频器76或第二混频器78中的任意一个来最小化未用的元件电路的噪声。第一放大器80及第二放大器82缓冲与调整需要的混频器的输出。滤波器84可以包括低通滤波器以去除操作的脉冲模式产生的高频组分，及高通滤波器以去除低频噪声与低频多普勒组分。在可选的实施例中，可使用带通滤波器。输出端90接收过滤的差异信号。

[0027]参照图5，经过滤波的信号可以从超声波探头20以不同的形式输出。所有不同形式中的一部分可以在超声波探头20的外壳22内实现。可选的，超声波探头20可连接至包括输出介质的所有或部分不同形式的分离装置。例如，超声波探头20可利用各种有线或无线介质连接至分离装置。输出结构包括，但是不限于，扬声器94、耳机96、打印机104、显示器106，及存储器102。输出信号可被供应至音频放大器92，所述音频放大器92将其输出提供至扬声器94和/或耳机96。同时，可以将输出的过滤信号提供至模数转换器(ADC：analog-to-digitalconverter)98，模数转换器98将数字输出数据提供至处理器100，所述处理器100执行实时缓冲及信号处理、管理与用户的通讯及执行指令。

[0028]处理器100执行利用一个或多个程序设计语言、脚本语言、汇编语言等写的指令。指令可以由专用计算机、逻辑电路或硬件电路执行。因此，处理器100可以在硬件、固件、软件或任何这些方法的结合实施。短语“执行”是指运行应用程序或执行指令要求的操作的过程。来自处理器100的输出数据可被提供至打印机104、显示器106和/或存储器102。信息可以以现在及将来本领域技术人员所公知的不同形式显示在显示器106上、记录在打印机104上及存储在存储器102上。

[0029]例如，由于不是样本中的所有血细胞都以同样的速度移动，因此一定范围或频谱的多普勒频移被反射回超声波探头20。因此，可处理超声波探头20接收的信号以产生血流量的流速分布图，其在心跳期间变化以在显示器上产生逐博流谱(beat-to-beat flow pattern)。可以使用颜色编码来指示在特定的速度范围内流动的血细胞的比率。经过专门训练的观测者可以利用显示在视频屏幕上的信息确定正在被测试的个体的血管内特定位置的血流特征，以及可以检测在所述血流量中的反常，例如，可能存在的阻滞或约束，或通过动脉的血栓。

[0030]正如本领域的技术人员所公知的，电子开关52可以定位于元件电子装置50内的不同位置。例如，元件电路55、57两者可以同时传输及接收，以及电子开关52可以选择哪个元件电路来驱动输出端90。利用可选的实施例，每一元件电路包括分离的滤波器84并仅切换连接至输出端90的输出线。

[0031]上述对本发明示范性实施例的描述是为了说明和描述的目的。其并不是详尽的也不将本发明限制为其所公开的精确形式。有可能基于上述教导或从本发明实践的需要进行改动或变化。可以加入额外的电路和/或指令以改进信号质量，可使用集成芯片一起执行多个或所有的功能等等。选择并描述上述实施例是为了解释本发明的原则及作为本发明的实际应用，以便使本领域的技术人员能够以不同的实施例及所考虑的适用于特殊使用的各种变化使用本发明。这意味着本发明的范围由所附的权利要求及其等价物限定。

Claims (20)

1、一种超声波探头，所述超声波探头包括：

第一元件，其连接至第一传输电路以接收第一信号，并响应接收到的第一信号而向对象发射能量，所述第一元件接收来自所述对象的第一反射信号，所述第一信号具有第一中心频率及第一脉冲重复频率；及

第二元件，其连接至第二传输电路以接收第二信号，并响应接收到的第二信号而向对象发射能量，所述第二元件接收来自所述对象的第二反射信号，所述第二信号具有第二中心频率及第二脉冲重复频率，所述第二中心频率与所述第一中心频率不同；

由此手动选择器选择元件以可操作地连接至输出端，所述手动选择器可操作地连接至所述元件及一输出端。

2、如权利要求1所述的超声波探头，其中所述第一中心频率在大约2MHz至大约10MHz的范围内。

3、如权利要求1所述的超声波探头，其中所述第一中心频率为大约2MHz而所述第二中心频率为大约3MHz。

4、如权利要求3所述的超声波探头，其中所述第二脉冲重复频率在大约5kHz至大约6kHz的范围内。

5、如权利要求4所述的超声波探头，其中所述第一脉冲重复频率为大约5.3kHz。

6、如权利要求1所述的超声波探头，其中所述第一中心频率为大约5MHz而所述第二中心频率为大约8MHz。

7、如权利要求6所述的超声波探头，其中所述第二脉冲重复频率在大约62kHz至大约63kHz的范围内。

8、如权利要求7所述的超声波探头，其中所述第一脉冲重复频率为大约62.5kHz。

9、如权利要求1所述的超声波探头，其中所述第一元件以及所述第二元件为压电晶体。

10、如权利要求9所述的超声波探头，其中所述压电晶体的形状选自由半圆形和矩形组成的组。

11、如权利要求9所述的超声波探头，其进一步包括尖端，其中所述第一元件及第二元件相互邻近地安装在所述尖端内。

12、如权利要求11所述的超声波探头，其中所述第一元件及第二元件无背衬材料地安装。

13、一种确定对象特征的方法，所述方法包括：

接收来自超声波探头的手动选择器的频率选择，其中所述频率选择从多个元件中识别一个元件，所述手动选择器可操作地连接至所述多个元件；

生成脉冲信号；

响应所述生成的脉冲信号，从所述识别出的元件向对象发射能量；

在所述识别出的元件处接收来自所述对象的反射信号；

对所述接收到的信号进行处理以确定所述对象的特征；及

输出所述对象的所述特征。

14、如权利要求13所述的方法，其中所述对象为血管并且所述血管的特征为血流速度。

15、如权利要求13所述的方法，其中对所述反射信号的接收是连续的。

16、一种超声波系统，所述超声波系统包括：

第一传输电路，其中所述第一传输电路生成具有第一中心频率及第一脉冲重复频率的第一信号；

第二传输电路，其中所述第二传输电路生成具有第二中心频率及第二脉冲重复频率的第二信号，所述第二中心频率与所述第一中心频率不同；

超声波探头，其中所述超声波探头包括：

第一元件，其连接至所述第一传输电路以接收所述生成的第一信号，并响应所述接收到的第一信号而向对象发射能量，所述第一元件接收来自对象的第一反射信号，及

第二元件，其连接至所述第二传输电路以接收所述生成的第二信号，并响应所述接收到的第二信号而向对象发射能量，所述第二元件接收来自对象的第二反射信号；

接收电路，其连接至所述第一元件以接收来自所述第一元件的第一反射信号，并连接至所述第二元件以接收来自所述第二元件的第二反射信号；

手动选择器，其可操作地连接至所述接收电路；及

输出端，其可操作地连接至所述手动选择器，由此所述手动选择器选择元件以可操作地连接至输出端。

17、如权利要求16所述的超声波系统，其中所述输出端选自由显示器、打印机、扬声器、音频耳机及存储器组成的组。

18、如权利要求16所述的超声波系统，其中仅在所述手动选择器选择所述第一接收电路时所述第一传输电路生成第一信号。

19、如权利要求16所述的超声波系统，其中仅在所述手动选择器选择所述第一接收电路时所述第一接收电路接收所述第一反射信号。

20、如权利要求16所述的超声波系统，其中所述第一传输电路生成第一信号而所述第二传输电路基本上同时生成所述第二信号。

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