用于三維體內(nèi)超聲用途的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及一種用于在人體內(nèi)的超聲用途的裝置和方法，其包括用于采用超聲對脈管內(nèi)部(例如血管)進行成像的裝置和方法。美國臨時申請系列號61/713，172(2012年10月12日提交)和61/727，680 (2012年11月17日提交)的權(quán)益，這兩者通過引用而全部并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)提出了用于在血管內(nèi)使用超聲成像的裝置，以檢視脈管的情況和/或放置在脈管中的裝置的位置或條件。但是，這樣的裝置存在若干問題。例如，很多這樣的裝置最多提供組織或其它感興趣物件的橫截面的圖像，即，血管內(nèi)部的薄的、盤形的切片，并且中心部分不在超聲束的范圍內(nèi)。當(dāng)前超聲成像因此只進行二維橫截面部分的檢視。在一些其它的裝置中，超聲束指向固定的角度，所述固定的角度基本不垂直于縱向軸線(例如，以45度)。在此情況下，成像區(qū)域是靜止的，為圓錐表面部分的形式，還具有不在超聲束的范圍內(nèi)的中心部分。在其它情況下，為了使在體內(nèi)的全部重要長度顯現(xiàn)(例如，組織的表面或部分，或裝置的表面或部分)，裝置必須沿著長度移動，并且在特定位置處取得橫截面的各自的圖像。這樣的移動可能是不精確的，并且可能包括與穿過血管的裝置的盲目插入相關(guān)的風(fēng)險。這也較慢。典型的拉回(pull back)圖像大約以30s進行拍攝從而(以約0.lmm/s的速度)執(zhí)行。
[0003]可以通過連接至機械致動器的一維陣列獲得三維血管內(nèi)超聲(IVUS)圖像，以在脈管內(nèi)移動陣列。這樣的設(shè)計是昂貴的，并且通常在裝置中要求的空間大于很多脈管內(nèi)允許的空間。為了得到好的圖像質(zhì)量，這樣的陣列換能器必須在很多單獨的信道上同時傳輸和接收。這樣的條件要求許多昂貴的和體積較大的同軸電纜?？梢允褂煤苌偻S電纜，但是這會降低圖像的質(zhì)量和圖像幀率。
[0004]還有這樣的的需要，S卩，在沿著脈管或其它身體區(qū)域的基本長度的三維上超聲的準確和有效應(yīng)用，例如，為醫(yī)師提供沿著該長度的實時檢視。還有對于裝置的這樣的需要:其可以同時檢視醫(yī)療裝置和一個或更多的組織或組織部分，特別是在裝置和組織不具有任何二維平面上的可靠成像的情況下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在本發(fā)明的各個方面，公開了一種用于提供超聲束的裝置和方法，并且在患者的體內(nèi)具有兩個可控自由度。例如，這樣的裝置可以包括用于發(fā)送和/或接收超聲信號的換能器和包括基本沿著旋轉(zhuǎn)軸線延伸的可旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)電機，其中旋轉(zhuǎn)電機的運行使可旋轉(zhuǎn)軸繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。樞轉(zhuǎn)機構(gòu)(例如萬向節(jié)支架)運行性地連接至旋轉(zhuǎn)電機的可旋轉(zhuǎn)軸。樞轉(zhuǎn)機構(gòu)與可旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，并且具有基座和樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件相對于基座繞樞轉(zhuǎn)軸線可以旋轉(zhuǎn)，樞轉(zhuǎn)軸線基本垂直于旋轉(zhuǎn)軸線。壓迫構(gòu)件(forcing member)運行性地連接至所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，其中施加至所述壓迫構(gòu)件的力或通過所述壓迫構(gòu)件施加的力(其可以為縱向力)控制所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件繞樞轉(zhuǎn)軸線的樞轉(zhuǎn)。在特定的示例中，壓迫構(gòu)件為縱向構(gòu)件和/或相對于可旋轉(zhuǎn)軸可以移動。這樣的壓迫構(gòu)件的示例包括細絲，從而拉動細絲而使得樞轉(zhuǎn)構(gòu)件繞樞轉(zhuǎn)軸線樞轉(zhuǎn)。萬向節(jié)支架裝置或其它樞轉(zhuǎn)機構(gòu)具有其角速度的控制，從而預(yù)期超聲掃描線的密度更加均勻。
[0006]在一些實施方案中，可旋轉(zhuǎn)軸可以具有縱向管腔，并且壓迫構(gòu)件可以通過管腔而至少部分地延伸。示例性壓迫構(gòu)件包括縱向軸，例如，線性電機的軸，縱向軸基本沿著旋轉(zhuǎn)軸線延伸，其中線性電機的運行沿著旋轉(zhuǎn)軸線移動縱向軸?？v向軸可以為運行性地連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，從而在既有可旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動又有換能器的運行的期間，控制樞轉(zhuǎn)構(gòu)件繞樞轉(zhuǎn)軸線的樞轉(zhuǎn)。特定示例包括:旋轉(zhuǎn)電機的可旋轉(zhuǎn)軸具有貫穿其中的管腔，并且線性電機的縱向軸具有在可旋轉(zhuǎn)軸的管腔內(nèi)和管腔的遠端部分外部延伸的至少一部分?？v向軸可以直接連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，和/或可以具有與樞轉(zhuǎn)構(gòu)件接觸的圓形遠端端部?？v向軸可以通過C形連接件而連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，并且可以通過線性電機而在沿著旋轉(zhuǎn)軸線的兩個方向上移動，其中在第一線性方向上的旋轉(zhuǎn)軸的移動使樞轉(zhuǎn)構(gòu)件在第一樞轉(zhuǎn)方向上樞轉(zhuǎn)，并且在第二線性方向上的旋轉(zhuǎn)軸的移動使樞轉(zhuǎn)構(gòu)件在相對的第二樞轉(zhuǎn)方向上樞轉(zhuǎn)。另一種類型的縱向構(gòu)件可以包括形狀記憶致動器，例如當(dāng)加熱到使樞轉(zhuǎn)構(gòu)件樞轉(zhuǎn)時收縮的形狀記憶致動器。在這些和其它示例中，傳輸將線性運動(例如，軸的線性運動)轉(zhuǎn)換成樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的樞轉(zhuǎn)運動。
[0007]這樣的裝置的另外示例包括:換能器相對于樞轉(zhuǎn)構(gòu)件是固定的或至少為樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的一部分，從而換能器與旋轉(zhuǎn)電機的可旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，并且鏡相對于樞轉(zhuǎn)構(gòu)件固定或為樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部分(例如，樞轉(zhuǎn)構(gòu)件為鏡或樞轉(zhuǎn)構(gòu)件包括鏡)，所述鏡與旋轉(zhuǎn)電機的可旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，并且將來自換能器的超聲束反射。在一些實施方案中，所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件相對于基座而被彈簧偏置到初始方向，并且當(dāng)施加至壓迫構(gòu)件的力或通過壓迫構(gòu)件施加的力釋放時，樞轉(zhuǎn)構(gòu)件朝初始方向返回。
[0008]在特定的實施方案中，設(shè)置用于封裝換能器、旋轉(zhuǎn)電機、萬向節(jié)支架或其它樞轉(zhuǎn)機構(gòu)以及縱向機構(gòu)的至少一部分的管狀機構(gòu)。這樣的管狀構(gòu)件可以具有遠端腔，通過管狀構(gòu)件的壁部分而限定所述遠端腔的至少一部分，遠端腔至少封裝換能器和介質(zhì)，壁部分和介質(zhì)具有與身體部分類似的聲學(xué)阻抗，管狀構(gòu)件插入所述身體部分，從而在介質(zhì)和壁部分的邊界處和在壁部分和體內(nèi)環(huán)境的邊界處的超聲反射減小至可以通過邊界能夠進行成像的水平。樞轉(zhuǎn)構(gòu)件最好具有繞樞轉(zhuǎn)軸線至少150度幅度的運動的范圍，特別是對于實施方案，其中換能器連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件。在鏡是樞轉(zhuǎn)構(gòu)件或鏡附接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的配置下，鏡每移動樞轉(zhuǎn)構(gòu)件I度，則超聲束移動2度，并且如此更小的運動范圍可以是足夠的。例如，在鏡和換能器的設(shè)置限制超聲束向前看的能力的設(shè)計中(例如，由于換能器在鏡前方，并且因此在部分束的路徑上)由于鏡每移動I度則超聲束移動2度，并且由于鏡設(shè)計的一些實施方案由于換能器在路徑中而不能向前看，因此繞樞轉(zhuǎn)軸線的大約60度的運動范圍是足夠的。在一些實施方案中，例如換能器相對于可樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部分固定或為可樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部分，可樞轉(zhuǎn)構(gòu)件具有運動范圍，使得換能器可以定向為其基本沿著旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)送超聲信號并且遠離旋轉(zhuǎn)電機。
[0009]如下文所進一步描述的，使用兩個獨立的機械電機，可以任意設(shè)定換能器的掃動模式。這允許換能器以現(xiàn)有超聲裝置不可能實現(xiàn)的靈活的模式獲取圖像。例如，公開的換能器系統(tǒng)可以在穿過換能器的任意平面上獲得圖像。另外，換能器可以掃動通過組織的三維區(qū)域。電機平臺允許掃動模式的靈活選擇。在大多數(shù)的動態(tài)應(yīng)用中，幀率很重要，圖像將被限制在單一平面或小三維區(qū)段。在實施方案中，可旋轉(zhuǎn)軸繞旋轉(zhuǎn)軸線(旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)軸線)的旋轉(zhuǎn)和樞轉(zhuǎn)構(gòu)件繞樞轉(zhuǎn)軸線的樞轉(zhuǎn)在一個或更多的頻率處是可以單獨操作的，從而用戶可以從多種超聲掃描模式中選擇。在實施方案中，使用旋轉(zhuǎn)電機和線性電機，作為一個例證，旋轉(zhuǎn)電機和線性電機在一個或更多的頻率處是可以單獨地操作的，從而用戶可以從多種掃描模式中選擇。旋轉(zhuǎn)電機和樞轉(zhuǎn)機構(gòu)(例如，通過線性電機)可以配置為:當(dāng)樞轉(zhuǎn)機構(gòu)在使得超聲信號指向接近電機的旋轉(zhuǎn)軸線的方向(例如，更朝前看)的狀態(tài)中時，旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動得更快，并且當(dāng)樞轉(zhuǎn)機構(gòu)在使得超聲信號指向距電機的旋轉(zhuǎn)軸線更遠的方向(例如，更側(cè)向看)的狀態(tài)中時，旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)動得更慢。即，隨著信號(或超聲束)與樞轉(zhuǎn)機構(gòu)一起朝旋轉(zhuǎn)軸線移動，信號的角速度增加，并且隨著信號與樞轉(zhuǎn)機構(gòu)一起移動遠離旋轉(zhuǎn)軸線，信號的角速度減小。
[0010]如下文中進一步的討論，公開包括用于超聲過程的裝置，其包括換能器和第一和第二電機；所述換能器用于發(fā)送和/或接收超聲信號，其中第一電機運行性地連接至換能器，從而第一電機的運行使換能器繞裝置的旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動，并且其中第二電機運行性地連接至換能器，從而繞樞轉(zhuǎn)軸線的樞轉(zhuǎn)運動是第二電機的運行造成的，樞轉(zhuǎn)軸線與裝置的旋轉(zhuǎn)軸線成橫向。在特定的實施方案中，第一電機為旋轉(zhuǎn)電機并且第二電機為線性電機和旋轉(zhuǎn)電機中的一個。第一電機可以使具有管腔的第一軸轉(zhuǎn)動，并且運行性地連接至所述換能器，并且第二電機可以運行延伸通過第一軸的管腔的第二軸，并且運行性地連接至換能器。這樣的裝置還可以包括樞轉(zhuǎn)機構(gòu)，其運行性地連接至第一電機，從而樞轉(zhuǎn)機構(gòu)響應(yīng)于第一電機的運行而旋轉(zhuǎn)。示例性樞轉(zhuǎn)機構(gòu)具有基座和樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件相對于基座繞樞轉(zhuǎn)軸線是可以樞轉(zhuǎn)的，所述樞轉(zhuǎn)軸線基本垂直于旋轉(zhuǎn)軸線。壓迫構(gòu)件可以運行性地連接至所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，其中通過所述壓迫構(gòu)件施加的力控制所述樞轉(zhuǎn)構(gòu)件繞所述樞轉(zhuǎn)軸線的樞轉(zhuǎn)。換能器可以為樞轉(zhuǎn)構(gòu)件或可以為樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的至少一部分。樞轉(zhuǎn)機構(gòu)的特定實施方案包括成對的臂和滑動板，所述成對的臂從基座延伸，所述滑動板適合于沿著所述臂滑動，并且連接至所述壓迫構(gòu)件，所述滑動板螺紋連接至所述第二軸。在一些示例中，換能器和/或樞轉(zhuǎn)構(gòu)件相對于基座被彈簧偏置到初始方向，并且當(dāng)通過壓迫構(gòu)件施加的力釋放時，樞轉(zhuǎn)構(gòu)件朝初始方向返回。在特定的示例中，樞轉(zhuǎn)機構(gòu)可以描述為萬向節(jié)支架裝置。
[0011]在一些實施方案中，第二電機為線性電機，并且壓迫構(gòu)件為第二軸或包括第二軸，其基本沿著旋轉(zhuǎn)軸線延伸。第二電機的運行沿著旋轉(zhuǎn)軸線移動第二軸，第二軸運行性地連接至換能器，以控制換能器繞樞轉(zhuǎn)軸線的樞轉(zhuǎn)。第二軸可以直接連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件，或作為一個選擇，第二軸通過樞轉(zhuǎn)連接件而連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件。在一些實施方案中，壓迫構(gòu)件通過所述第二電機的運行而沿著旋轉(zhuǎn)軸線在兩個方向上是可以移動的，其中在第一線性方向上的所述壓迫構(gòu)件的移動使所述換能器在第一樞轉(zhuǎn)方向上樞轉(zhuǎn)，并且在第二線性方向上的壓迫構(gòu)件的移動使所述換能器在相對的第二樞轉(zhuǎn)方向上樞轉(zhuǎn)。
[0012]在某些實施方案中，第一和第二電機以一個或更多的速度單獨地運行，由此能夠得到期望的超聲檢查模式。第一電機可以配置為:當(dāng)所述樞轉(zhuǎn)機構(gòu)在使得超聲信號指向更接近所述第一電機的旋轉(zhuǎn)軸線的方向的狀態(tài)中時，所述第一電機更快地轉(zhuǎn)動，并且當(dāng)所述樞轉(zhuǎn)機構(gòu)在使得超聲信號指向距所述第一電機的旋轉(zhuǎn)軸線更遠的方向的狀態(tài)中時，所述第一電機更慢地轉(zhuǎn)動。
[0013]裝置的示例(例如，用于在體內(nèi)使用)，可以進一步包括管狀構(gòu)件，所述管狀構(gòu)件用于封裝換能器以及第一和第二電機。這樣的管狀構(gòu)件可以包括遠端腔，通過管狀構(gòu)件的壁部分而