無線超聲探頭電纜的制作方法

專利名稱：無線超聲探頭電纜的制作方法
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無線超聲探頭電纜
本發明涉及一種醫學診斷超聲系統，具體而言，涉及用于無線超聲探 頭的電纜。
長期以來，尤其是對于聲譜師來說，醫療診斷超聲的一個缺點是將掃 描探頭連接到超聲系統的電纜。這些電纜很長，并且由于需要包含來自探 頭中數十、數百甚至數千換能器元件的很多同軸線，常常也很粗。結果， 這些探頭電纜可能處理起來很麻煩且可能很重。 一些聲譜師試圖通過在掃 描時將電纜披在手臂或肩部上用于支持來解決電纜問題。在很多情況下這 樣可能會導致重復應力損傷。另一個問題是探頭電纜可能會污染圖像引導 的外科操作的無菌區。此外，這些探頭電纜相當昂貴，常常是探頭中最昂 貴的部件。于是，長期以來都希望擺脫探頭電纜的診斷超聲。
美國專利6,142,946 (Hwang等人)描述了一種恰恰這樣做的超聲探頭 和系統。這項專利描述了一種具有集成束形成器的電池供電的陣列換能器 探頭。收發器向充當其基站的超聲系統發送所獲取的超聲數據。在超聲系 統上進行圖像處理和顯示。
盡管無線超聲探頭使用戶免于電纜的不便，但存在一些情況對于無線 探頭而言需要或者希望有電纜。例如，電纜可用于對探頭中的電池再充電。 如果在掃描過程中電池電量耗盡，電纜可提供對無線探頭供電的途徑同時 完成該過程。在另一示例中，用戶可能出于各種原因更傾向于具有栓系至 超聲系統的探頭。當無線鏈路不正確地工作時，電纜可能能夠使過程繼續。 因此，假定這些情況或事件發生時，期望擁有一種用于執行這些功能的電 纜。
根據本發明的原理，提供一種通過電纜選擇性地耦合到主機系統的無 線超聲探頭。主機系統可僅用于向無線探頭供電或者為探頭的電池充電。 主機系統也可以是處理或者顯示由無線探頭產生的圖像數據的系統，并且電纜可用于在無線數據鏈路發生困難的事件中向主機系統提供圖像數據。 在說明的示例中，電纜在一端具有諸如USB連接器的標準化的連接器，能
夠使探頭電池從任何USB兼容的計算機處被充電。說明示例使用探頭的磁 性連接器，實現斷開(break-away)連接以及無線探頭上的密閉連接器。
在附圖中
圖la示出了本發明的手持式無線超聲探頭； 圖lb示出了本發明的無線超聲探頭和附帶的用戶接口； 圖lc示出了用于本發明的無線探頭的無線用戶接口； 圖2a、2b和2c示出了可以充當本發明無線探頭的基站的不同的超聲顯 示系統；
圖3示出了本發明的無線ID陣列探頭的功能部件； 圖4示出了本發明的無線2D陣列探頭的功能部件； 圖5以方框圖形式示出了本發明的束形成器和無線探頭天線之間的主 要電子子系統；
圖6以方框圖的形式示出了本發明的無線探頭的基站主機的主要部件；
圖7以方框圖形式示出了適用于本發明的無線探頭中的采集子系統；
圖8a和8b以截面圖示出了本發明的輕重量無線探頭；
圖9a和9b示出了無線探頭用戶接口的范例；


圖10a和10b示出了用于本發明的無線探頭的USB電纜；
圖11示出了本發明的無線探頭的探測和定位的測距用途；
圖12示出了適用于本發明的無線探頭的顯示器頭戴附件；
圖13示出了適用于本發明的無線探頭的Bluetooth無線語音收發器附
件；
圖14示出了用于若干其他無線裝置的本發明的無線探頭。
首先參考圖l，示出了本發明的無線超聲探頭IO。探頭10封裝在硬聚 合機殼或外殼8中，其具有遠端12和近端14。用于陣列換能器的換能器透 鏡或聲學窗口 12位于遠端12。正是通過這個聲學窗口，換能器陣列發射超 聲波，并接收返回的回聲信號。天線位于外殼內部探頭的近端14處，其向基站主機發射并從所述基站主機接收無線電波16。如圖10a和10b所示， 電池充電觸點也位于探頭的近端。在探頭IO—側是常規的左右標志18，表 示探頭該側對應于圖像的左側或右側。參見美國專利5,255,682 (Pawhiskiewicz等人)。看起來探頭主體的近處部分比探頭更寬的遠端要 窄。常規上這樣做，以便必需要特別緊密接觸患者皮膚時，用戶能夠握住 更窄的近端并向擴展的遠端施力。探頭外殼8是氣密密封的，從而能夠對 其清洗和揩拭以去除凝膠，并可以在使用之后進行消毒。
圖lb示出了本發明的無線探頭的另一范例10'，其包括附帶的收發器 用戶接口22。該范例的探頭外殼8'包含陣列換能器，還可以包括其他部件， 例如束形成器和采集子系統。然而，這些其他部件也可以位于收發器用戶 接口 22中，收發器用戶接口的尺寸可容納其頂表面上所示的用戶控制機構。 優選通過實現控制機構，允許在存在凝膠的超聲環境中容易地清除，例如 密封膜或觸摸屏顯示器。前述其他部件的位置選擇將影響到連接探頭10'與 用戶接口22的電纜20。只要陣列換能器位于探頭外殼8'中，電纜20就將 包括用于換能器陣列和用戶接口 22中的束形成器之間所有陣列元件的導 體。如果束形成器位于探頭外殼8'中(這是優選的)，那么電纜20可以更 細，因為電纜僅需要傳導成束的或檢測到的(不是每個元件)信號以及換 能器功率和控制信號。參見美國專利6,102,863 (Pflugrath等人)。電纜20 可以永久連接到用戶接口 22，但優選與可拆除連接器相連，從而可以獨立 地清潔、清洗和消毒探頭10'或用另一個探頭替換。
在本實施例中，收發器用戶接口 22包括與基站主機系統通信的無線電 收發器和天線。在用戶接口 22的底部是具有可調緊扣25的腕帶或綁帶24。 該腕帶或綁帶可以是彈性的或搭扣固定的，環繞用戶前臂。這樣右手用戶 就在右前臂頂部佩戴用戶接口22，同時在右手中握持探頭10'，利用左手手
指操作右前臂上的用戶控制機構。
圖lc示出了用于本發明的無線探頭的無線用戶接口32。盡管如下所述， 如果需要的話無線探頭IO可以在其上具有幾個簡單控制機構，但很多用戶 更喜歡用戶控制機構完全與無線探頭分開。在這種情況下，無線探頭10可 以僅具有加電/斷電開關或根本沒有控制機構，用于操作探頭的用戶控制機 構可以是超聲系統控制機構(42，參見圖2a)或無線用戶接口 32的用戶控制機構。圖1C中的無線用戶接口 32的范例包含發射器，所述發射器直接
向無線探頭10或向基站主機發送射頻或紅外或其他無線控制信號16'，以 接著轉發給無線探頭。在圖示的范例中，用戶接口32是電池供電的，包括 用于用戶接口和/或無線探頭的加電/斷電開關33。還為探頭提供了基本控制 機構，例如靜止按鈕35以及搖桿開關34以移動光標。可以提供的其他控 制機構是模式控制機構和選擇按鈕。該范例還包括電池電荷指示器36和信 號強度指示器37，為無線探頭IO、無線用戶接口32或兩者指示這些參數。 可以在用戶拿在手中時操作無線用戶接口，或者在患者檢査期間放在床邊。 圖2a-2c示出了用于本發明的無線超聲探頭的適當基站主機系統的范 例。圖2a示出了具有用于系統電子線路和電源的較低機殼的車載超聲系統 40。系統40具有控制面板42，用于控制系統操作，并可以用于控制無線探 頭。控制面板上可以用于控制探頭的控制機構包括跟蹤球、選擇鍵、增益 控制柄、圖像靜止按鈕、模式控制機構等。在顯示器46上顯示根據無線探 頭接收的信號所產生的超聲圖像。根據本發明的原理，車載系統40具有一 個或多個天線44，用于在無線探頭和主機系統之間發射和接收信號16。也 可以可替代地采用射頻信號之外的其他通信技術，例如探頭和系統之間的 紅外數據鏈路。
圖2b示出了配置成膝上型計算機形狀尺寸(form factor)的主機系統。 外殼50容納主機系統的電子線路，包括用于與無線探頭通信的收發器。收 發器可以位于外殼50內部、外殼的附屬隔室，例如用于介質驅動器或電池 的隔室中。如國際專利公開WO 2006/111872 (波蘭)所述，也可以將收發 器配置為系統的PCMCIA卡或USB連接的附件。連接到收發器的是一個或 多個天線54。可以從系統的控制面板52控制無線探頭，并在顯示器56上 顯示從探頭信號產生的超聲圖像。
圖2c示出了適于用作本發明的無線探頭的主機系統的電池供電的手持 式顯示單元60。單元60具有加固外殼，該外殼被設計成用于物理搬運相當 多的環境中，例如救護車、急診室或EMT服務。單元60具有用于操作探 頭和單元60的控制機構62，并包括借助天線64進行通信的收發器。
圖3示出了為二維成像構建的本發明的無線探頭10。為了掃描二維圖 像平面，探頭10使用位于探頭聲學窗口處探頭遠端12的一維(1D)換能器陣列70。換能器陣列可以由陶瓷壓電換能器元件、壓電聚合物(PVDF) 形成，或者可以是基于半導體的微機械超聲換能器(MUT)，例如PMUT (壓電MUT)或元件的CMUT (電容MUT)陣列。由一個或多個微束形 成器減小ASIC 72驅動ID陣列換能器70并處理回波。微束形成器72接收 來自1D換能器陣列的元件的回波信號，并延遲，并將每個元件的回聲信號 組合成少量的部分成束信號。例如，微束形成器72能夠從128個換能器元 件接收回聲信號并將這些信號組合形成八個部分成束的信號，由此將信號 通道的數量從128個減少到八個。如前述美國專利6,142,946所述，還可以 實現微束形成器72以從有效孔徑的所有元件產生完全成束的信號。在優選 實施例中，由探頭產生完全成束且檢測的信號，以無線方式發射到基站主 機，從而將數據率降低到提供可接受的實時成像的數據率。在美國專利 5,229,933 (Larson III)、 6,375,617 (Fraser)和5,997,479 (Savord等人)中 描述了適于用在束形成器72中的微束形成器技術。成束回聲信號耦合到探 頭控制器收發器子系統74，收發器子系統74向主機系統發送成束的信號， 在此它們可能經歷進一步的射束形成以及隨后的圖像處理和顯示。在從主 機控制探頭時，探頭控制器收發器子系統74還從主機系統接收控制信號， 并將對應的控制信號耦合到微束形成器72，以便例如將射束聚焦在期望深 度或，向和從圖像的期望區域發射和接收期望模式(多普勒B模式)的信 號。該圖中未示出的是為探頭供電的電源子系統和電池，下面會介紹它們。 探頭控制器收發器子系統74的收發器借助于類似于手機的短截線天線 76發送和接收射頻信號。短截線天線提供了與其在手機上相同的優點之一, 即，其體積小使其方便持有和攜帶并降低了損傷的可能。然而，在無線探 頭的本實施例中，短截線天線76具有額外的作用。當超聲波醫師拿著常規 的帶電纜探頭時，就如同拿著粗鉛筆那樣從一側握住探頭。不過，可以用 同樣的方式拿住諸如圖la的無線探頭，因為探頭沒有電纜，還可以通過握 住探頭近端來拿住它。由于存在電纜，不能用常規帶電纜探頭這樣做。無 線探頭用戶可能希望通過近端拿住無線探頭，以便向身體施加大量的力， 獲得良好的聲學接觸。不過，在天線處于探頭近端內部時，將手握在探頭 近端周圍將會使天線從信號發送和接收屏蔽開，可能導致通信不可靠。已 經發現，使用從探頭近端突出的天線不僅將天線場擴展到遠在探頭外殼之外，而且由于按住短截線天線不舒服，使人不愿意通過近端拿住探頭。相 反，用戶更可能以常規方式從一側握住探頭，使天線場保持暴露，實現良 好的信號發射和接收。為了有良好的接收，基站主機的天線構型可以通過 產生兩個具有不同極化的波束模式而引入一些不同的極化和取向效應。或 者，天線可以是具有良好單極化波束模式的單個高性能偶極天線。當天線 在探頭近端時，探頭波束模式可以相對于探頭縱軸放射狀延伸，容易與基 站主機的波束模式相交。對于位于頂棚的基站主機天線而言，這種探頭波 束模式可能是有效的，在手術間中可以這樣做。還發現，利用這種探頭波 束模式，從房間墻壁和其他表面的反射使得接收是有效的，墻壁和其他表 面常常靠近超聲檢査位點。通常，十米的范圍對于大部分測試而言都是足
夠的，因為探頭和基站主機彼此靠得很近。采用的通信頻率可以在4GHz 范圍內，在這些頻率，用于探頭外殼的適當聚合物，例如ABS對射頻信號 是較為透明的。可以在基站主機處改善射頻通信，在基站主機處，可以采 用多個天線在將多個天線用于無線探頭時并不麻煩的實施例中改善分集。 例如參見題為"Delay Diversity In A Wireless Communications System"的國 際專利公開WO 2004/051882。即使在典型超聲檢測期間探頭采取變化的線 性和角度取向，多個天線也能夠利用不同的極化和位置提供可靠的通信。 典型的探頭操控能夠在360。的旋轉范圍內，在以豎直方向為中心的大致半 球形角度范圍的傾斜角上轉動探頭。因此，對于單個天線而言，以探頭中 心縱軸為中心的偶極子輻射模式將是最佳的，并且發現在近端處的位置是 最合乎需要的。天線方向圖可以嚴格與該中心軸對齊，或者偏移但仍然與 該中心軸大致平行對齊。
圖4是本發明無線探頭IO的另一范例。在該范例中，無線探頭包含二 維矩陣陣列換能器80作為探頭傳感器，能實現二維和三維成像。2D陣列 換能器80耦合到微束形成器82，所述微束形成器82優選地實現為直接附 著到陣列換能器堆體的"倒裝芯片"ASIC。對于圖3的無線探頭的情況而 言，在微束形成器和探頭控制器以及收發器子系統74之間耦合完全成束以 及檢測到的回聲信號和探頭控制信號。
圖5中示出了用于本發明無線探頭的典型探頭控制器收發器 系統。 電池92為無線探頭供電并耦合到電源和調節電路90。電源和調節電路將電池電壓轉換成包括換能器陣列的無線探頭部件所需的若干電壓。例如，典 型構造的探頭可能需要九種不同電壓。電源和調節電路還在對電池92再充 電期間提供電荷控制。在構造的實施例中，電池為棱柱形鋰聚合物電池， 可以形成針對探頭外殼內部可用電池空間的適當形狀。
采集模塊94提供微束形成器和收發器之間的通信。采集模塊向微束形
成器提供定時和控制信號，指導超聲波的發射并從微束形成器接收至少部 分成束的回聲信號，對其進行解調和檢測(以及任選地進行掃描轉換)，并
發送到收發器96，以發射到基站主機。圖7中示出了適當采集模塊的詳細 方框圖。在該范例中，采集模塊通過并行或USB總線與收發器通信，從而 如下所述可以在需要時使用USB電纜。如果采用USB或其他總線，可以通 過電纜提供另一種通往基站主機的有線連接，從而如下所述繞過收發器部 分96。
耦合到采集模塊94并由電源和調節電路90供電的還有揚聲器102，其 由放大器104驅動，產生可聽的音調或聲音。在優選實施例中，揚聲器102 是位于外殼8內部的壓電式揚聲器，揚聲器可以在外殼的膜或壁后方，以 獲得良好的聲學和密封效果。揚聲器可以用于產生多種聲音或聲調乃至語 音消息。揚聲器具有多種用途。如果無線探頭移動得距主機過遠，從而有 不可靠的接收或者甚至是主機或探頭信號完全損耗，揚聲器可以發嘟嘟聲 以提醒用戶。在電池電荷低時，揚聲器能夠發嘟嘟聲。在用戶按下探頭上 的按鈕或控制機構時，揚聲器能夠發出聲調，提供控制激活的可聽反饋。 揚聲器能夠基于超聲檢查提供觸覺反饋。在激活傳呼控制機構以定位探頭 時，揚聲器能夠發出聲音。揚聲器能夠在多普勒檢查期間產生音頻多普勒 聲音或在將探頭用作音頻聽診器時產生心音。
該范例中的收發器是超寬帶芯片組96。發現超寬帶收發器的數據通信 速率提供了可接受的實時成像幀率以及電池功耗的可接受水平的可接受值 域。可以從多種來源獲得超寬帶芯片組，例如加利福尼亞州San Diego的 General Atomics;德克薩斯州Allen的WiQuest;加利福尼亞州Milpitas的 Sigma Designs; j我勒岡州Hilisboro的Focus Semiconductor; 德克薩斯州 Austin的Alereon以及加利福尼亞州Campbell的Wisair。
圖6a示出了基站主機處的無線探頭信號通道，在此將基站主機示為膝上型電腦配置50。天線54耦合到在主機處執行收發的相同或兼容的超寬帶
芯片組96。在針對膝上型電腦配置的優選實施例中，將天線54和超寬帶芯片組配置成如在圖6b中所示的可USB連接的"軟件狗"110，將其插入主機系統50的USB端口中并由所述USB端口供電。
圖7中示出了適用于本發明的無線探頭中的采集模塊范例。在該圖的左側是耦合到微束形成器和換能器陣列堆體以及來自微束形成器和換能器陣列堆體的信號。這包括TGC信號的階段、來自微束形成器的成束回波信號的信道信號、用于微束形成器的其他數據和時鐘信號、用于監測探頭遠端過熱的熱敏電阻器和開關信號、用于微束形成器的低壓電源以及用于驅動陣列的換能器元件的高電壓，在該范例中為+A30伏。在圖的右側是通往收發器的連接，以及如下所述的USB導體和來自USB導體或電池的電壓。這些電壓為電源、用于DC-DC轉換的buck/boost變換器以及調節包括采集子系統和(一個或多個)換能器陣列驅動電壓的無線單元所需不同電壓電平的LDO穩壓器202供電。該子系統還監測電池電壓和測量值，所述電池電壓由串行ADC 214進行采樣，所述測量值用于如下所述顯示剩余電池功率并調用功率節省措施。如果電池電壓接近會對電池造成損壞的水平，子系統202關閉探頭。它還監測探頭和采集電子線路消耗的電壓，如果任何一個接近不安全電平，類似地關閉它們。
在采集模塊的中心是采集控制器FPGA200。該FPGA作為狀態機工作，以控制超聲發射和接收的時刻、模式和特征。FPGA200還控制發射和接收射束形成。FPGA200包含可經編程控制來以各種期望方式處理接收到的回聲信號的數字信號處理器(DSP)。超聲發射和接收的基本所有方面都受到FPGA 200的控制。將接收到的回聲信號通過八針前端ASIC 206耦合到FPGA200。 ASIC 206包括A/D轉換器，用于將從微束形成器接收的回聲信號轉換成數字信號。ASIC的可變增益放大器用于向接收的回聲信號施加TGC的階段。接收到的回聲信號被重構濾波器210濾波，并通過發射/接收開關208到達前端ASIC 206。為了發射超聲波，由DAC 211將FPGA200供應的發射信號轉換成模擬信號，將其通過T/R幵關208傳遞，由濾波器210濾波并供應給用于陣列換能器的微束形成器。
在這種實現中，使用低功率USB微控制器204經過與FPGA 200相通的USB總線接收控制信息。由FPGA 200接收和處理的回聲信號(優選包括解調和檢測)被耦合到微控制器204，以用于USB總線和超寬帶收發器96的USB格式處理。這些元件，包括重構濾波器210、 T/R開關208、 DAC211 (在發射時)、前端ASIC 206 (在接收時)、采集控制器FPGA 200和USB微控制器204，包括收發器96和微束形成器72、 82之間的超聲信號通道。本領域的技術人員將容易理解圖7中所示的各種其他元件和寄存器。
圖8a和8b以縱向和橫向截面圖示出了本發明的構造無線探頭10的布局。本實施例中的探頭部件位于外殼8a內部。外殼內部的空間框架用于安裝和定位部件，還用作散熱器，以迅速而均勻的方式散發探頭之內產生的熱。探頭的電子部件安裝在通過柔性電路連接114結合的電路板121上。在該范例中，電路板和柔性電路形成連續而一體的組件，以實現高效而緊湊的板互連和信號流。從圖8b中可以看出，電子組件的上下部分均包括彼此平行折疊且通過柔性電路114連接的兩個電路板112 。可以看出前端ASIC206和控制器FPGA200安裝在圖中下方電路板的下側上。探頭中的上方電路板安裝有電源部件和收發器芯片組96及其天線76。在特定實施方式中，可能希望為專門為收發器的高頻部件和信號設計的超寬帶芯片組96使用獨立的電路板。在圖示的實施例中，壓電式揚聲器102位于上方電路板上。縱向延伸的電路板的遠端處的柔性電路114連接到(一個或多個)微束形成器芯片72、 82所處的更小電路板112。換能器陣列70、 80連接到探頭遠端12處的微束形成器。
在圖示的組件中，電池92填充了電路板之間的探頭中心空間。使用圖示的縱向延伸的電池將電池重量沿著探頭大部分長度分布，在握持時為探頭提供了更好的平衡。可以為外殼制造幵口，使得電池92能夠進出以進行更換，或者可以密封外殼，使得僅能夠在工廠更換電池。在探頭外殼8近端處通過柔性電路114連接的是安裝有USB連接器120的小電路板112。該連接器可以是標準型A或B型USB連接器。在優選實施例中，如圖10a和10b所示配置USB連接器。
圖8a和8b的輕重量、緊湊設計如下分布探頭部件的重量。在構想的實施例中，外殼8及其空間框架、柔性電路114、換能器陣列70、 80和微束形成器72、 82大約重50克。采集模塊部件94、超寬帶芯片組96、電源和調節部件卯以及用于這些部件和芯片組的電路板大約重40克。1800mAH的鋰聚合物電池和連接器重大約40克。揚聲器重大約五克，天線重大約十克。USB連接器重大約三克。于是，該無線探頭的總重量為大約150克。由于空間框架和電路板組件可能減輕重量，可以獲得130克或更低的重量。另一方面，再充電之間使用時間更長的更大電池、更大孔徑的換能器陣列和/或用于更大熱散發的更大外殼可能使重量加倍到大約300克。盡管較小的電池可以在再充電之前提供一小時(一次檢查)的掃描，但更大的電池可以使無線探頭全天(8小時)使用，并能夠將其放在座中再充電一夜。 一些超聲波醫師可能希望用可能最輕的探頭，而其他超聲波醫師更喜歡再充電之間掃描時間更長的較重探頭。根據設計師和用戶的這些考慮的相對重要性，可以實現不同重量的不同探頭。
在一些實施方式中，可能希望制造其上沒有物理控制機構的無線探頭，對于當今大部分常規超聲探頭就是這樣。很多超聲波醫師將不希望探頭上有控制機構，因為可能難以用一只手以成像位置拿住探頭，同時用另一只手操控探頭上的控制機構，即所謂的交叉手操作。在其他實施方式中，探頭本身上僅有加電/斷電開關，從而用戶能夠確保關閉未用探頭而不耗盡電池。在另一些實施方式中，在探頭上發現基本顯示信息，例如信號強度和剩余電池壽命。探頭上這種基本信息將幫助用戶診斷出操作不正確的探頭。在其他實施方式中，可能希望有一些最低限度的控制機構。由于用戶不再被電纜束縛到主機系統，常規上用于操作探頭的系統控制機構可以無需再觸及范圍之內，無線探頭自身上的最低限度控制機構能夠輔助其獨立操作。圖9a和9b示出了可以位于無線探頭主體上的信息顯示和控制機構的兩個范例。圖9a示出了一組沿豎直取向設置并以圖形方式標記的顯示和控制機構。圖9b示出了沿水平取向設置并以文本標記的同一組顯示和控制機構。信號強度指示器132顯示于每組顯示和控制機構的左上方，電池電荷指示器134顯示于每組顯示和控制機構的右上方。中心是一組控制機構，在該范例中，包括用于設置增益、選擇菜單項或移動光標的上下箭頭、使屏幕上實況顯示一幀靜止的靜止控制機構、獲取并保存靜止圖像或實況圖像循環的獲取控制機構以及進入用于探頭的菜單項列表的菜單控制機構。然后使用上下箭頭控制在菜單項列表中導航，并使用選擇控制機構138選擇期望的菜單項。可以使用這些控制機構來將探頭操作模式從B模式改變為彩色流，或例如在圖像上放置矢量線或M線。控制機構可以響應于不同致動圖案來控制多種功能。例如，將菜單和獲取控制機構同時按下三秒鐘可以用于打開或關閉探頭，消除了對獨立的加電/斷電開關的需要。連續迅速輕按選擇控制機構三次能夠使控制機構被致動和/或使顯示器背光亮起。致動控制機構的特殊序列是合乎需要的，因為用戶將常常會在正常掃描期間握持和操控無線探頭的同時按在控制機構上，并且希望在不希望致動控制機構時防止探頭的正常操作致動控制機構。
優選使用揚聲器或蜂鳴器102的可聽能力來補充有關無線探頭和/或控制機構致動的可視信息的顯示。例如，如果電池電荷變低，蜂鳴器可以發出聲音以警告用戶對電池再充電或使用另一個探頭。可以使用蜂鳴器的另一種聲音警告用戶低信號強度狀況，用戶可以將基站主機移動到更靠近檢查位點或小心不要如前所述用手屏蔽天線。在致動控制機構時，揚聲器或蜂鳴器能夠產生聲音或振動，由此向用戶提供反饋，告知用戶致動已經發生并被探頭和/或系統記錄。
可以為圖9a和9b的無線探頭顯示和控制布局使用各種控制和顯示技術。控制機構可以是簡單的機械接觸開關，其覆蓋有上面印刷了控制圖形的密封防液膜。更優選地，顯示器和控制機構是安裝于電路板112上的觸摸面板LED、 LCD或OLED顯示器，與外殼8的外表面平齊并氣密密封，以使周圍的外殼不漏液或可通過外殼中的窗口可見。利用手指或特殊的桿觸及控制顯示然后致動所選的觸摸面板控制操作。參見國際專利公開WO2006/038182 (Chenal等人)和美國專利6,579,237 (Knoblich)。
盡管本發明的無線探頭主要優勢是消除了笨重的電纜以及被限制到超聲系統，但有些情況下可能會需要探頭電纜。例如，對無線探頭的電池再充電的一種方便方式是在不使用探頭時將無線探頭放在充電座中，如美國專利6，117，085 (Picatti等人)所示。然而，在一些情況下使用電纜對電池再充電可能更為方便。例如，電纜可能比充電座更容易攜帶。此外，具有標準化連接器的電纜使得能夠從各種公共裝置為探頭電池再充電。在其他情況下，如果超聲波醫師正在進行超聲檢查且蜂鳴器發出聲音表明電池電量低的情況，超聲波醫師可能希望繼續使用探頭進行檢查，且可能希望從電池電源切換到電纜電源。在這種情況下，電源電纜將是合乎需要的，電 源子系統202會在電池再充電的同時自動切換到以電纜電源工作。作為又 一個范例，當在附近操作電子手術室設備時或超聲波醫師需要握持具有天 線或探頭上的其他發射器與主機屏蔽的探頭時，通往基站主機的射頻或其 他無線鏈路可能不可靠。在其他情況下，超聲波醫師可能希望有電纜連接 的探頭，從而探頭將不會變得與系統分離或在跌落時靠電纜懸掛于地板上 方。可能有一種電纜提供改善的性能的情況，例如用于發送診斷數據的更 大帶寬或探頭的固件或軟件的升級。在其他情況下，探頭可能無法成功與 主機系統配對，僅有有線連接有效。在這種情況下，可能希望有用于電力、 數據通信或兩者的電纜。
圖10a示出了適用于本發明的無線探頭的電纜。盡管可以為無線探頭 使用各種多導體電纜和連接器，本范例是一種一端具有USB A型連接器310 的多導體USB電纜300。從連接器310延伸的是A型USB適配器312。也 可以采用其他USB格式，例如數字攝像機中的B型或袖珍B型，或可以釆 用具有其他希望性質的完全定制的連接器。USB電纜可以插入幾乎任何桌 上型計算機或膝上型計算機中，使得能夠從幾乎任何計算機對無線探頭充 電。當主機系統是圖2b和6a所示的膝上型計算機式樣的超聲系統50時， 可以將USB型電纜用于往返于主機的信號通信和電源兩者。
可以在電纜300的另一端提供相同樣式的USB連接器，用于連接到無 線探頭，在這種情況下，無線探頭具有配對的USB連接器。探頭連接器可 以凹進外殼內部并在未使用時被防水帽或其他防液體可拆除密封覆蓋。在 圖示的范例中，通往探頭的連接器302包含四個USB導體308。導體308 帶彈簧載荷，因此它們將壓在無線探頭的配對導體上并具有良好接觸。導 體308位于凹入或突出的連接器端件304上，端件304在一端306上帶銷 鍵，以要求僅在一個取向上與探頭配對。
圖10b中示出了用于圖10a的電纜的配對無線探頭10。該范例中的探 頭連接器310位于近端14并完全氣密密封。連接器310的探頭觸點314位 于與電纜的突出或凹入端件304配對的凹入或突出區域316中，并且類似 地在312處帶銷鍵以進行適當連接。當把電纜連接器302插入探頭的配對 區域316中時，電纜帶彈簧載荷的導體308抵靠探頭的探頭觸點314，完成與探頭的USB連接。
根據圖10a和10b的探頭和電纜另一方面的原理，探頭的配對區域316 不突出或凹入，而是與周圍的探頭表面平齊。配對區域316由環繞觸點314 并有磁吸引力的磁性或鋼鐵材料制成。類似地，電纜連接器302的配對端 件304不需要突出或凹入，而是也可以與連接器302的端部平齊并由吸引 到探頭配對區域316的磁化材料制成。電纜連接器302的配對端件304類 似地并不需要突出或凹入，而是也可以與連接器302的末端平齊并由吸引 探頭的配對區域316的磁化材料。端件304的磁化材料可以永久磁化或電 磁化，從而能夠打開和關閉。于是，不通過物理結合插頭將電纜連接到探 頭，而是通過磁吸引力來連接，這能夠實現銷緊(通過極性)和自坐入。 這為無線探頭提供了若干優點。 一個優點是探頭的連接器310無需有突出 和凹入，所述突出和凹入可能會截留難以清洗和去除的凝膠和其他污染物。 連接器310可以是容易清洗且不會截留污染物的探頭外殼8的光滑連續表 面、配對區域316和觸點314。相同的優點適用于電纜連接器302。磁性而 不是物理連接意味著可以物理地破壞連接而不損壞探頭。習慣使用無線探 頭的超聲波醫師可能會對沒有電纜習以為常，在掃描時可能會忘記還有電 纜300。如果超聲波醫師給電纜帶來應力，例如，因為撞到電纜或被電纜絆 倒，該力將克服將電纜連接到探頭的磁吸引力，電纜300將無害地從探頭 10斷開而不會損傷它。優選地，磁吸引力強到足以在探頭從電纜懸掛時足 以支撐探頭的重量和動量，這一點得到300克或更輕的無線探頭的輔助。 于是，如果電纜連接的探頭從檢查臺上跌落，將會被磁性電纜懸掛，而不 會放任跌落并墜落到底面，保護無線探頭不受損壞。
要認識到，電纜可以是兩部分的裝置，具有可拆除地耦合到探頭的適 配器并具有用于電纜的標準化連接器。適配器以標準化連接器，例如兩端
的USB連接器連接到電纜。在這種配置中，可以將適配器用于任何期望長
度的標準化電纜。
像其他電池供電的裝置那樣，功耗是本發明無線探頭中一個關注的問 題。在無線探頭中這有兩個原因。首先，無線探頭應當最好能在必需再充 電之前成像更長時間。第二，對于患者安全和部件壽命而言，發熱是一個 關注點，希望換能器陣列處和探頭外殼8之內的溫升都是低的。可以采取幾種措施來改善無線探頭的功耗和熱特性。 一種措施是，只要如結合上面 的圖10a和10b所述將充電電纜連接到探頭，探頭就應當切換到使用電纜 的電源電壓來操作探頭。盡管此時電池可以在充電，但希望在連接充電電 纜時不使用電池電源為探頭供電。可以采取的另一項措施是在未將探頭用
于成像時將無線探頭切換到冬眠模式。參見美國專利6,527,719 (Olsson等 人)和國際專利公布WO 2005/054259 (波蘭)。可以使用幾種技術來自動 判斷何時未使用探頭成像。 一種技術是在探頭的聲學窗口未與患者接觸時 檢測來自換能器陣列前方透鏡-空氣界面的反射。參見美國專利5,517,994 (Burke等人)和美國專利65,654,509 (Miele等人)。如果這種強反射信號 持續預定秒數或分鐘數，探頭可以假設未將其用于成像并切換到冬眠模式。 另一種技術是即使不在多普勒模式下也周期性地進行多普勒掃描，以檢查 是否檢測到血流運動，這是探頭在使用的標志。可以使用斑點跟蹤和其他 圖像處理技術來檢測運動。另一種方式是在探頭外殼8內部安裝一個或多 個加速度計。參見美國專利5,529,070 (Augustine等人)。周期性地對加速 度計信號采樣，如果過去預定時間而加速度信號沒有變化，探頭可以假設 用戶未拿著探頭，并切換到冬眠模式。除了自動超時切換到冬眠模式之外， 還可以提供控制機構，用戶可以利用控制機構將探頭手工切換到冬眠模式。 兩者的組合使用戶能夠將切換到冬眠模式的超時設置在較短時間。也可以 由系統間接這樣做。例如，用戶可以設置用戶希望利用無線探頭進行成像 的剩余時間。探頭通過自動調用參數變化，例如為了實現更長成像目的的 超時和發射波束，對必需的冗長掃描時間做出響應。
如圖7所示，采集模塊94感測來自探頭換能器堆附近的熱敏電阻器的 信號，并使用外殼內部的溫度計212來測量其他探頭部件產生的熱量。當 這些溫度敏感裝置的任一個表示有過熱狀態時，探頭將切換到低功率模式。 可以改變若干參數以實現更低功率的運行模式。可以通過降低換能器陣列 的±30伏驅動電源來降低換能器陣列的發射功率。盡管這種措施會減少熱產 生，但也可能影響所產生圖像的穿透深度和清晰度。可以通過自動提高施 加到主機系統中的所接收信號的增益來提供對這種改變的補償。另一種降 低熱產生的方法是降低探頭中數字部件的時鐘速率。參見美國專利 5,142,684 (Perry等人)。另一種減少熱產生并節省功率的方法是改變成像參數。可以降低采集幀率，這樣減小了每單位時間使用的發射功率量。可 以增大相鄰發射波束之間的間距，產生分辨率較低的圖像，如果需要，可 以通過其他措施，例如內插中間圖像線來改善這種圖像。另一種方式是改 變幀占空比。另一種措施是減小有效發射孔徑、接收孔徑或兩者，由此減 少有源電路必需要作用的換能器元件數量。例如，如果在活體組織檢査或 其他侵入式操作期間對針進行成像，可以減小孔徑，因為利用超聲對大多 數針形象化不需要高分辨率。另一種方式是降低射頻發射功率，優選向用 戶發送消息，建議用戶如果可能的話減小無線探頭和主機系統之間的間距， 從而能夠繼續以減小的射頻發射功率產生高質量的圖像。射頻發射功率(聲 學的或通信的)的降低優選伴隨著主機系統施加到所接收射頻信號的增益 的增大。
無線探頭引起的一個困難在于，它可能與其主機超聲系統分開，與常 規帶電纜探頭相比更容易丟失或被盜竊。圖11示出了這個問題的解決方案， 其使用無線探頭10和/或其主機系統40的輻射射頻場來定位或跟蹤無線探
頭。圖11示出了檢査室300，其中，設置了用于利用無線探頭10檢査患者 的檢查臺312。在主機超聲系統40的顯示屏上以俯視圖的形式觀察診斷圖 像。示出了兩個射頻范圍圖案320和322，在它們的中心繪示出無線探頭 10。內部范圍320是操作無線探頭10及其主機系統40的優選范圍。當無 線探頭及其主機系統位于該范圍距離之內時，接收將會處在提供可靠探頭 控制和低噪聲診斷圖像的水平上。當無線探頭及其主機系統位于該范圍之 內時，信號強度指示器132將表示處在最大強度上或在最大強度附近。然 而，如果無線探頭及其主機系統變得超出該范圍一定距離，例如在優選范 圍320之外但在最大范圍322之內，無線探頭的操作可能變得不可靠，主 機可能不會接收到連貫高質量的實時圖像。在這種情況下，信號強度指示 器將開始顯示低或不足的信號強度，可以由探頭蜂鳴器102或主機系統上 的聽覺和/或視覺指示器發出可聽到的警告。
可以將這種檢測無線探頭何時在主機系統范圍之內的能力用于多種目 的。例如，醫療器械的目的可能是無線探頭10留在檢查室300中而不拿到 任何其他房間去。在這種情況下，如果有人試圖帶著無線探頭10出門302， 信號強度或時間(范圍)指示器將檢測到這種運動，探頭和/或主機系統可 以發出聲音或發出警報，表示無線探頭正在被拿出其授權區域之外。這種轉移可能是無意中做的。例如，無線探頭10可能被留在檢査臺312的基座 中。指派來移動或替換墊層的人員可能未看到無線探頭，可能將其包在墊 層中轉移到洗衣房或焚化爐。如果發生這種情況，探頭能夠在其被帶出門
302并超過其主機系統40的范圍時發出其警報，由此警告器械人員墊層中 有無線探頭。
這同一種能力能夠保護無線探頭以免被帶出器械。例如，如果有人試 圖將探頭帶出門302，下到門廳304并通過樓的出口 306或308，具有警報 的發射器或接收器310能夠檢測到無線探頭何時處于該探測器310的信號 區324之內。當探頭10通過信號區324時，探頭蜂鳴器102可以被觸發并 使探測器310發出警報，提示器械人員有人試圖取走無線探頭。310的系統 還能夠記錄提醒的時間和位置，從而留下未經許可的探頭移動記錄。
也可以使用探頭的板載蜂鳴器或揚聲器102定位丟失的探頭。以無線 方式發送命令信號，命令無線探頭發出其板上聲調。優選地，發射器具有 覆蓋無線探頭可能所在的整個區域的擴展范圍。在收到命令時，無線探頭 產生聲音，提示附近的人存在探頭。通過這種技術能夠容易地找到放錯地 方或被墊層覆蓋的探頭。可以使用相同的技術使醫院能夠在需要特定探頭 的醫生找不到它時對其進行定位。
圖12和13示出了可以有利地用于本發明的無線探頭的若干附件。圖 12示出了一副視頻顯示眼鏡，可以將其用于具有本發明無線探頭的頭戴顯 示器。當在手術室中使用無線探頭時尤其希望有頭戴顯示器。由于沒有電 纜，無線探頭合乎外科手術成像的需要，否則電纜會干擾手術場地，需要 大范圍的消毒并可能妨礙手術過程。無線探頭對于將患者和醫生從電纜危 害解放出來是理想的。此外，在手術室中，常常將頭戴顯示器用于顯示患 者生命體征和超聲圖像。于是，主機系統可以位于操作路線之外，其超聲 圖像顯示于頭戴顯示器上。在進行切除之前，醫生可以使用超聲辨別切除 位點下方的組織。這需要外科醫生向下看手術位點，然后以不適且破壞性 策略序列向上觀看超聲顯示器。圖12的頭戴顯示器410消除了這種不適和 注意力分散。顯示器410包括小投影儀412，其向諸如LCD顯示屏的表面 或本范例中的視頻顯示眼鏡414的鏡片上投射超聲圖像，使外科醫生能夠 看到手術部位，同時僅僅稍微偏移一下眼睛就能夠看到患者解剖結構的超 聲圖像。投影儀412可以具備其自己的視頻顯示眼鏡或能夠夾到外科醫生自己的眼鏡上。投影儀412可以以線路連接到主機系統，但優選以無線方 式與主機系統通信，從而不需要來自投影儀的電線并且不干擾手術場地。 這種圖像無需一定具有高的實時幀率，因為外科醫生將希望看到關于手術
位點的較固定超聲圖像。因此，用于與投影儀412通信的帶寬需求可以較 低。或者，可以對采集模塊的FPGA200進行編程以執行掃描轉換，并直接 從無線探頭向無線頭戴顯示器發送掃描轉換圖像。可以為類似的超聲顯示 器提供包圍式眼鏡，但由于這將妨礙醫生在觀看超聲圖像的同時容易地觀 察手術位點，允許同時觀看或迅速相繼觀看的成像技術將是優選的。 . 對于諸如外科醫生正在手術位點操作手術器具而不能也操作超聲控制 機構進行成像的上述手術操作的操作而言，優選地對無線探頭進行語音控 制。圖13示出了佩戴于用戶耳朵上的Bluetooth語音收發器420，包括麥克 風422，用戶通過麥克風能夠向無線探頭發出口頭命令。這種語音收發器可 以用于基站主機，例如由MA Andover的Philips Medical Systems生產的iU22 超聲系統，其具有板上語音識別處理。用戶能夠使用無線語音收發器420 發出口頭命令來控制iU22超聲系統的操作。根據本發明的原理，具有語音 識別能力的超聲系統還包括用于和無線探頭通信的收發器。這種主機超聲 系統能夠通過有線麥克風或利用諸如圖13所示的無線頭戴耳機以無線方式 從用戶接收口頭命令，并通過語音識別將口頭命令轉換成用于無線探頭的 命令信號。然后以無線方式將命令信號發送到無線探頭以實施命令動作。 例如，用戶可以通過發出"更深"或"更淺"命令改變所顯示圖像的深度， 主機系統和無線探頭會通過改變超聲圖像的深度來做出響應。在特定實施 例中，也可能希望向用戶發送口頭信息以表示完成了所命令的動作。繼續 前述范例，主機系統可以利用來自語音合成器和揚聲器的可聽信息"深度 變為十厘米"來做出響應。例如參見美國專利5,970,457 (Brant等人)。圖 13的無線收發器包括耳機424，用戶可以將耳機424戴到耳朵中，從而直 接將對口頭命令的可聽響應廣播到用戶耳朵中，改善了在噪聲環境中的理 解。
語音識別處理可以位于無線探頭中，使得用戶能夠直接向無線探頭發 送命令而無需通過主機系統。然而，語音識別處理需要適當的軟件和硬件， 并且為電池供電的探頭顯著增加了額外的功率需求。由于這些原因，優選 將語音識別處理定位在主機系統處，在主機系統中容易由線電壓對其供電。然后容易將解釋過的命令發送到無線探頭來實施。在如上所述的應用中， 在用戶希望探頭沒有任何無線探頭上的用戶接口裝置時，語音控制為控制 無線探頭提供了適當的手段。
一圖14示出了根據本發明的原理構造的完全集成的無線超聲系統。在系
統的中心是主機系統40、 50、 60，對其進行編程控制以和若干無線超聲成 像裝置和附件配對。(附圖標記2表示無線通信鏈路。)首先是無線探頭10， 所述無線探頭10對命令信號做出響應并向主機系統40、 50、 60發送圖像 數據。主機系統在其系統顯示器46、 56、 66上顯示超聲圖像。備選地或額 外地，將圖像發送到頭戴顯示器410，在所述頭戴顯示器處顯示超聲圖像以 供用戶更方便地使用。無線探頭10由圖9a和9b所示的探頭自身上的用戶 接口控制。備選地或額外地，用于無線探頭的控制機構可以位于主機系統 40、 50、 60上。另一種選擇是使用直接向無線探頭IO發送控制命令或向主 機系統發送控制命令以轉發給無線探頭的無線用戶接口 32。另一選擇是腳 踏開關控制機構。再一選擇是通過對麥克風420所說的單詞口頭控制探頭。 將這些命令字發送到主機系統40、 50、 60，在此可以識別它們并將其轉換 成用于探頭的命令信號。然后以無線方式將命令信號發送到探頭10以控制 無線探頭的操作。
權利要求
1、一種適于連同電纜使用的無線超聲探頭，包括探頭外殼；位于所述外殼中的陣列換能器；位于所述外殼中并耦合到所述陣列換能器的采集電路；位于所述外殼中的收發器，其用于以無線方式向主機系統發送圖像信息信號；位于所述外殼中的功率電路，其用于向所述陣列換能器、所述采集電路和所述收發器提供激勵電壓；位于所述外殼中并且耦合到所述功率電路的電池；可從所述外殼外部接近的電纜連接器；以及電纜，其可移除地連接到所述電纜連接器，用于傳送圖像信息信號或者激勵電勢中的至少一個。
2、 如權利要求l所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜傳送激勵電勢 以對所述電池充電。
3、如權利要求l所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜向主機系統傳 送圖像信息信號以進行超聲圖像的顯示。
4、 如權利要求1所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜將控制信號從 主機系統傳送到所述無線探頭。
5、 如權利要求l所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜連接器至少部 分地位于所述外殼中，并且當電纜未連接到所述連接器時所述電纜連接器 由罩覆蓋。
6、 如權利要求l所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜連接器集成到 所述探頭外殼，以防止流體進入所述外殼中，并且當電纜未與所述連接器連接時所述電纜連接器未被覆蓋。
7、 如權利要求1所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜連接器還包括 標準化的計算機連接器。
8、 如權利要求7所述的無線超聲探頭，其中，所述標準化的計算機連 接器還包括USB連接器。
9、 如權利要求1所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜可通過磁性吸 引連接到所述電纜連接器。
10、 如權利要求1所述的無線超聲探頭，其中，在使用所述探頭進行 成像期間所述電纜為所述功率電路提供激勵電勢。
11、 一種適于連同電纜使用的無線超聲探頭，包括 探頭外殼；位于所述外殼中的陣列換能器；位于所述外殼中并耦合到所述陣列換能器的采集電路； 位于所述外殼中的收發器，其用于以無線方式向主機系統發送圖像信位于所述外殼中的功率電路，其用于向所述陣列換能器、所述采集電路和所述收發器提供激勵電壓；位于所述外殼中并且耦合到所述功率電路的電池；可從所述外殼外部接近的磁性電纜連接器；以及電纜，其可通過磁性吸引連接到所述電纜連接器，用于傳送圖像信息 信號或者激勵電勢中的至少一個。
12、 如權利要求ll所述的無線超聲探頭，其中，所述磁性電纜連接器 還包括與亞鐵或者磁性材料相鄰的多個電觸頭。
13、 如權利要求12所述的無線超聲探頭，其中，所述電觸頭基本與其 周圍表面齊平。
14、 如權利要求12所述的無線超聲探頭，其中，所述電纜還包括在一端的磁性連接器，所述磁性連接器具有適于與所述磁性電纜連接器的所述電觸頭進行配對的觸頭，其中，所述磁性連接器磁性地附接到所述磁性電纜連接器的所述亞鐵 或者磁性材料。
15、 如權利要求14所述的無線超聲探頭，其中，所述磁性連接器以足 夠支持所述無線超聲探頭的重量的吸收力磁性地附連到所述磁性電纜連接 器的所述亞鐵或磁性材料。
16、 如權利要求14所述的無線超聲探頭，其中，所述磁性連接器以電 磁力磁性地附接到所述磁性電纜連接器的所述亞鐵或者磁性材料。
17、 如權利要求14所述的無線超聲探頭，還包括在所述電纜的另一端 的標準連接器，其中，所述電觸頭傳送標準連接器格式的信號。
18、如權利要求17所述的無線超聲探頭，其中，所述標準連接器還包 括USB連接器；并且其中，所述電觸頭傳送USB連接器格式的信號。
19、 如權利要求ll所述的無線超聲探頭，其中，將所述磁性電纜連接 器和所述電纜進行栓連，以僅以預先確定的關系進行連接。
20、 如權利要求19所述的無線超聲探頭，其中，將所述磁性電纜連接 器和所述電纜進行栓連，以連接USB格式信號。
全文摘要
無線超聲探頭具有探頭外殼，所述探頭外殼封入換能器陣列、采集電路、收發器、功率電路以及可再充電電池。無線探頭還具有可從探頭的外部接近的電纜連接器，用于連接提供電池充電電勢和/或提供用于與主機系統進行有線通信的成像信號導體的電纜。給出了一個磁性可附接電纜的范例，其不需要可能捕獲凝膠和其他污染物的開口或者缺口。優選地，電纜的遠程端使用標準化的連接器，使得無線探頭可由諸如計算機的標準設備進行再充電。
文檔編號A61B5/00GK101677805SQ200880017965
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月21日 優先權日2007年6月1日
發明者A·加德斯, D·加納, D·庫斯庫納, D·拉斯特, D·黑利, J·弗雷澤, M·威爾遜, M·波倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司