專利名稱：高幀速率的超聲波成像的溫度管理的制作方法
高幀速率的超聲波成像的溫度管理
對相關申請的交叉引用本申請要求2007年6月1日提交的美國臨時申請60/941， 480的優(yōu)先權。
背景技術：
監(jiān)視心臟功能的一種常規(guī)方法是經食管超聲心動圖(TEE)，在該方法中，向食管中 插入包含超聲波轉換器的探測器，并定位，以便轉換器在病人的心臟附近。然后，使用探測 器實時地捕獲心臟的視頻圖像，這些視頻圖像通常顯示在視頻監(jiān)視器上。常規(guī)TEE探測器 通常直徑在10-15mm之間(對于成人)。由于此大直徑，常規(guī)TEE常常要求進行麻醉，會嚴 重地威脅氣管，不很適合長期監(jiān)視心臟。最近，已經開發(fā)出了可以長期進行監(jiān)視并消除或降 低進行麻醉的必要性的較小的TEE探測器，如US2005/0143657(2004年11月24日提出的 申請No. 10/996,816)所公開的。 在某些情況下，以高幀速率操作TEE探測器會導致探測器的溫度增大到不希望的 程度。對于較小的探測器，此問題特別嚴重，因為小探測器只有較小的表面積可用于消散外 加的功率。

發(fā)明內容
為使超聲波探測器的溫度保持得低一些，絕大多數時間以較低的幀速率操作探測 器(相應地，產生較低的熱量)。只有在需要高時間分辨率時，探測器操作才臨時切換到高 幀速率，只在較短的時間以高幀速率操作探測器。在該時間內，獲取帶有高時間分辨率的圖 像突發(fā)。在捕獲圖像的短突發(fā)之后，降低幀速率，就會減少熱量的生成。


圖1是描述了用于降低探測器溫度的第一種方法的圖。
圖2是描述了用于降低探測器溫度的第二種方法的圖。
圖3是用于激發(fā)超聲波轉換器的合適的短脈沖的圖。
圖4是用于實現這里所描述的熱管理方法的系統(tǒng)的方框圖。 圖5描述了超聲波探測器的手柄，帶有合適的用戶界面，用于請求以較高幀速率 捕獲的數據的臨時突發(fā)。
具體實施例方式
在所有其他條件都相同的情況下，超聲波探測器的溫度上升(AT)與圖像的幀速 率成正比。因此，超聲波探測器中的熱管理可以通過在兩種模式之間切換圖像捕獲幀速率 來實現高幀速率的第一種模式，在手邊的成像任務需要高幀速率時使用，以及低幀速率的 第二種模式，當不要求高幀速率時使用?？蛇x地，可以使用幀速率更低(或幀速率為零)的 第三種模式使探測器在以第一種模式操作之后更快地冷卻。 對于心臟的TEE成像，50幀每秒(fps)的幀速率是合適的，因為該幀速率對于高速度應用(例如，可視化心臟在心臟重新同步治療應用中收縮晚了的部分)來說足夠快，對于 來自血液的"斑點"噪聲的重新隨機化足夠慢(從而降低斑點噪聲對圖像的影響)。然而， 對于小型TEE探測器(例如，利用表面積為200mm2等級的轉換器)，連續(xù)地以50fps操作探 測器會不理想地導致探測器的溫度。 然而，在這些應用中，可以通過在整個過程中定位探測器時的部分期間以較低的 幀速率(例如，25fps等級)操作探測器，來避免以高幀速率連續(xù)操作。優(yōu)選情況下，此較低 的幀速率足夠慢以使得AT下降到探測器可以連續(xù)地安全操作的點。這里，此操作模式被 稱為"連續(xù)的"模式。然后，在將探測器定位在其所希望的位置之后，在較短時間內(例如， 3秒)以較高幀速率(例如，50fps等級)捕獲圖像的剪輯。這里，此操作模式被稱為"突 發(fā)"模式。在高速度突發(fā)之后，操作返回到連續(xù)模式。在圖l中通過下掃描線12描述了此 操作模式下的變化的幀速率，通過上掃描線14描述了所產生的溫度上升AT。
可選地，可以在突發(fā)模式之后添加低幀速率"冷卻"模式，以加速探測器的冷卻，如 圖2所示。此冷卻模式可以通過將幀速率減慢到小于連續(xù)模式的幀速率(例如，10fps等 級)，或者通過完全停止圖像捕獲過程(未顯示)來實現。優(yōu)選情況下，如果圖像捕獲完全 停止，則通過適當的用戶界面顯示合適的指示，如此，操作員將不會認為系統(tǒng)工作不正常。 此外，優(yōu)選情況下，成像過程中的任何暫停應該比較短(例如，小于10秒)，以避免打擾操作 員。 一旦探測器已經充分冷卻，可以執(zhí)行另一個高速突發(fā)。在圖2中通過下掃描線22描述 了此操作模式下的變化的幀速率，通過上掃描線24描述了所產生的溫度上升AT。優(yōu)選情 況下，在同一個受檢者的同一個成像會話期間發(fā)生所有三個幀速率(例如，它們都在小于 一分鐘內發(fā)生，優(yōu)選情況下，在小于30秒內發(fā)生，更好的是，在15秒內發(fā)生)， 一個接一個 地，在各個幀速率之間沒有間斷或間斷非常短。 在一個示例中，以24fps連續(xù)操作的探測器的溫度上升大約是3. 2°C (利用組織 影像測量(tissue phantom))。由于超聲波探測器的熱時間常數相對較大，因此三秒的高 速突發(fā)不會導致溫度的顯著的瞬時增大。只要高速突發(fā)相對較短(例如，少于5秒，優(yōu)選情 況下，在3秒等級)，并且冷卻期足夠長，則A TMX決不會比與連續(xù)操作相關聯的A T高得太 多。 在所有其他條件都相同的情況下，能量以及因此相對熱量的產生與幀速率成正 比。如此，以50fps進行操作將產生50/24 = 2. 08倍于在24fps正常模式下的熱量，在 10fps冷卻模式下進行操作將產生10/24 = 0. 41倍于在24fps正常模式下的熱量。優(yōu)選 情況下，冷卻時間足夠長，并在時間上與高速突發(fā)足夠靠近，以便補償由以高幀速率進行操 作所引起的整個溫度上升。這可以通過使總的幀計數保持低于與普通的連續(xù)的幀速率相關 聯的幀計數來實現。例如，在以24fps連續(xù)操作的系統(tǒng)中，在12秒的時間間隔內，將有288 幀。相比之下，以50fps執(zhí)行三秒的脈沖，接下來是以10fps進行九秒冷卻，將導致較低的 幀計數在12秒內，(50X3) + (10X9) = 240幀。結果，在突發(fā)和冷卻周期結束時，溫度應 該低于連續(xù)模式的穩(wěn)定狀況的溫度。在另一個示例中，以50fps執(zhí)行三秒的突發(fā)，接下來是 以10fps進行七秒冷卻，接下來是另一次類似的突發(fā)和冷卻，將導致比以24fps的連續(xù)操作 20秒(產生480的幀計數)產生較低的總幀計數(440)。 上文所描述的技術對遵循發(fā)熱的FDA的ALARA("可以合理做到的最低水平")原 理特別有用處。這對于探測器安裝在病人中身體中比較長的時間(例如，超過6小時)的應用特別重要，以通過只在需要時以高幀速率捕獲短突發(fā)，否則以低幀速率運行來最小化由于長期發(fā)熱造成的負面效果。注意，當心臟以60bpm搏動時，3秒的突發(fā)對于捕獲兩個完整的心動周期足夠長。 上文所描述的技術也可用于使溫度上升保持在低于IEC60601建議的最高溫升
6t:以下，更優(yōu)選的是低于4t:。 圖4是用于實現上文所描述的熱管理方法的合適的系統(tǒng)的方框圖。超聲波成像引擎46驅動探測器48中的轉換器，從轉換器那里接收返回信號，并將那些返回信號轉換為最終顯示在合適的顯示器上的圖像。帶有數字控制各種參數的(比如幀速率、扇區(qū)角度，以及每個幀的行數)的超聲波成像引擎實現方式對本領域技術人員是已知的；并可以，例如，通過向適當的控制地址寫入適當的控制字，也以本領域技術人員所知道的方式，來實現對這樣的成像引擎的控制。 控制器44通過合適的接口 (例如，數字總線)向超聲波引擎46發(fā)送命令，以根據上文結合圖l和2所描述的方法，改變幀速率。可選地，也可以在高速突發(fā)模式期間增大圖像的分辨率(例如，通過在正常速度幀中拍攝每個幀42行，以及在高速度幀中拍攝每個幀48行或更高)。 用戶界面42允許用戶在任何希望的時間請求啟動突發(fā)模式，并可以通過使用本領域技術人員所熟知的各種方法中的任何一種方法來實現。示例包括機械開關(包括，但不僅限于按鈕和腳操作的開關)或虛擬開關(例如，位于觸摸屏上)。 用戶界面的控制面可以位于超聲波控制臺上或位于探測器本身上。圖5描述了控制按鈕101位于探測器的手柄部分80上的實施例。當控制按鈕101被按下時，系統(tǒng)通過啟動突發(fā)模式來作出響應。優(yōu)選情況下，由系統(tǒng)自動地控制突發(fā)模式的結束，并被設置為在突發(fā)模式開始之后發(fā)生固定的時間(例如，3秒)。 注意，50fps的幀速率提供了 20毫秒的時間分辨率。幀的平均值的序列也是如此，幀1與幀2平均，幀2與幀3平均，幀3與幀4平均，等等，20毫秒對于來自血液的斑點"重新隨機化"足夠長，長于斑點停留時間，將混合幀(兩個連續(xù)的幀進行混合)中的空腔中的分辨單元的集合體的平均值的變化系數(主要由瑞利分布的斑點或電子噪聲決定)降低到單一幀中的相似的變化系數的71%。 可選地，可以使用持續(xù)很少幾個周期(例如，1-3個周期)的脈沖來激發(fā)轉換器。由于(在時域中)較短的脈沖具有相對來說比較寬的(在頻率域中)帶寬，并且對于較高頻率分量組織中的衰減較高，寬帶寬脈沖的低頻分量使用6MHz等級的中心頻率可以改善穿透力(例如，10-12厘米等級)，而不會犧牲分辨率。實驗表明，使用兩個周期的脈沖30(參見圖3)是最恰當的，特別是當考慮熱量因素時(因為較短的脈沖將比相同幅度的較長的脈沖產生較少的熱量)。 也可以被用來降低功率的用于減少溫度上升的其他策略包括下列各項(a)在符合小直徑探測器的情況下，使轉換器的尺寸盡可能地大；(b)在符合足夠的分辨率的情況下，使頻率盡可能低；(c)設計熱傳導率，以將熱量擴散出去，以將探測器上的最熱點的AT，例如，如2006年9月22日提交的申請11/534,403中所描述，該申請以引用的方式并入本文中；(d)在符合可接受的圖像質量的情況下，保持低占空比；以及，(e)使用信號處理來改善圖像，例如，如2Q04年11月24日提交的申請10/997， 059所描述的，該申請以引用的方式并入本文中。 注意，盡管是在TEE的背景下說明上文所描述的技術，但是相同的技術也可以用于其他超聲波成像背景中，例如，利用插入并非食管的腔體的探測器，或適用于身體的外表面的探測器。對上文所描述的實施例的很多修改對所屬領域的技術人員是顯而易見的，它們也包括在本發(fā)明的范圍內。
權利要求
一種超聲波設備，包括具有控制進行成像的幀速率的界面的超聲波成像引擎；以及被編程為通過所述界面向所述成像引擎發(fā)送命令的控制器，其中，所述命令使所述成像引擎(a)設置用于在第一時間間隔期間進行成像的第一幀速率，(b)設置用于在所述第一間隔之后的第二時間間隔期間進行成像的第二幀速率，其中所述第二幀速率高于所述第一幀速率，以及(c)設置用于在所述第二時間間隔之后的第三時間間隔期間進行成像的第三幀速率，其中所述第三幀速率小于或等于所述第一幀速率，并且其中所述第三間隔足夠長并在時間上與所述第二間隔足夠靠近以使得補償由以所述第二幀速率進行操作所引起的溫度上升的至少一部分。
2. 根據權利要求1所述的設備，其中，所述第三間隔足夠長并在時間上與所述第二間 隔足夠靠近，以使得補償由以所述第二幀速率進行操作所引起的整個溫度上升。
3. 根據權利要求l所述的設備，其中所述第三間隔包含(i)初始間隔，在此期間，幀速 率小于所述第一幀速率，以及(ii)最后間隔，在此期間，幀速率等于所述第一幀速率。
4. 根據權利要求1所述的設備，其中響應用戶操作的控件的激活而設置所述第二幀速率。
5. 根據權利要求1所述的設備，其中所述第一幀速率大約是24fps，而所述第二幀速率 大約是50fps。
6. 根據權利要求1所述的設備，其中所述第二間隔小于5秒。
7. 根據權利要求1所述的設備，其中所述第二間隔大約是3秒，而所述第三間隔至少為 7秒。
8. 根據權利要求1所述的設備，其中所述第二間隔比所述第三間隔短。
9. 一種進行超聲波成像的方法，包括下列步驟(a) 在第一時間間隔期間獲取受檢者的第一組超聲波圖像幀；(b) 在所述第一間隔之后的第二時間間隔期間獲取所述受檢者的第二組超聲波圖像 幀，其中在所述第二間隔期間獲取的圖像的幀速率高于在所述第一間隔期間獲取的圖像的 幀速率；以及(c) 在所述第二間隔之后的第三時間間隔期間獲取所述受檢者的第三組超聲波圖像 幀，其中在所述第三間隔期間獲取的圖像的幀速率小于或等于在所述第一間隔期間獲取的 圖像的幀速率，其中，所述第三間隔足夠長并在時間上與所述第二間隔足夠靠近，以使得補償由在所 述第二間隔期間以較高幀速率進行操作所引起的溫度上升的至少一部分。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第三間隔足夠長并在時間上與所述第二間 隔足夠靠近，以使得補償在所述第二間隔期間由以所述較高幀速率進行操作所引起的整個 溫度上升。
11. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第三間隔包含(i)初始間隔，在此期間，幀 速率小于在所述第一間隔期間獲取的圖像的幀速率，以及(ii)最后間隔，在此期間，幀速 率等于在所述第一間隔期間獲取的圖像的幀速率。
12. 根據權利要求9所述的方法，其中，步驟(b)是響應用戶操作的控件的激活而開始的。
13. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第一間隔期間的幀速率大約是24fps，而所 述第二間隔期間的幀速率大約是50fps。
14. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第二間隔小于5秒。
15. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第二間隔大約是3秒，而所述第三間隔至少 為7秒。
16. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述第二間隔比所述第三間隔短。
17. —種進行超聲波成像的方法，包括下列步驟(a) 以第一幀速率獲取受檢者的超聲波圖像；(b) 隨后響應用戶操作的控件的激活，切換到高于所述第一幀速率的第二幀速率，并以 所述第二幀速率獲取所述受檢者的超聲波圖像；以及(c) 隨后切換回所述第一幀速率，并以所述第一幀速率獲取所述受檢者的超聲波圖像， 其中，步驟(a)、 (b)和(c)都是在單個成像會話期間進行的。
18. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括下列步驟(d) 以低于所述第一幀速率的幀速率獲取所述受檢者的超聲波圖像， 其中，步驟(d)在步驟(b)之后并且在步驟(c)之前進行。
19. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括下列步驟 (d)將成像臨時暫停少于10秒的時間，其中，步驟(d)在步驟(b)之后并且步驟(c)之前進行。
20. 根據權利要求17所述的方法，其中，以所述第二幀速率的操作持續(xù)少于5秒的時
全文摘要
為使超聲波探測器的溫度保持得低一些，絕大多數時間以較低的幀速率操作探測器(相應地，產生較少的熱量)。只有在需要高時間分辨率時，探測器操作才臨時切換到高幀速率，優(yōu)選情況下，在操作員控制下進行。只在較短時間期內以高幀速率操作探測器，在此期間，獲取帶有高時間分辨率的圖像的突發(fā)。在捕獲圖像的短突發(fā)之后，降低回幀速率，這減少熱量的生成。
文檔編號G01S7/52GK101743485SQ200880022187
公開日2010年6月16日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權日2007年6月1日
發(fā)明者E·P·哈亨, H·M·哈斯廷斯, N·赫倫, S·L·羅斯 申請人:艾瑪克公司