CN101743485B - 高帧速率的超声波成像的温度管理 - Google Patents

高帧速率的超声波成像的温度管理 Download PDF

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Abstract

为使超声波探测器的温度保持得低一些，绝大多数时间以较低的帧速率操作探测器(相应地，产生较少的热量)。只有在需要高时间分辨率时，探测器操作才临时切换到高帧速率，优选情况下，在操作员控制下进行。只在较短时间期内以高帧速率操作探测器，在此期间，获取带有高时间分辨率的图像的突发。在捕获图像的短突发之后，降低回帧速率，这减少热量的生成。

Description

高帧速率的超声波成像的温度管理
对相关申请的交叉引用
本申请要求2007年6月1日提交的美国临时申请60/941,480的优先权。 
背景技术
监视心脏功能的一种常规方法是经食管超声心动图(TEE)，在该方法中，向食管中插入包含超声波转换器的探测器，并定位，以便转换器在病人的心脏附近。然后，使用探测器实时地捕获心脏的视频图像，这些视频图像通常显示在视频监视器上。常规TEE探测器通常直径在10-15mm之间(对于成人)。由于此大直径，常规TEE常常要求进行麻醉，会严重地威胁气管，不很适合长期监视心脏。最近，已经开发出了可以长期进行监视并消除或降低进行麻醉的必要性的较小的TEE探测器，如US2005/0143657(2004年11月24日提出的申请No.10/996,816)所公开的。 
在某些情况下，以高帧速率操作TEE探测器会导致探测器的温度增大到不希望的程度。对于较小的探测器，此问题特别严重，因为小探测器只有较小的表面积可用于消散外加的功率。 
发明内容
为使超声波探测器的温度保持得低一些，绝大多数时间以较低的帧速率操作探测器(相应地，产生较低的热量)。只有在需要高时间分辨率时，探测器操作才临时切换到高帧速率，只在较短的时间以高帧速率操作探测器。在该时间内，获取带有高时间分辨率的图像突发。在捕获图像的短突发之后，降低帧速率，就会减少热量的生成。 
附图说明
图1是描述了用于降低探测器温度的第一种方法的图。 
图2是描述了用于降低探测器温度的第二种方法的图。 
图3是用于激发超声波转换器的合适的短脉冲的图。 
图4是用于实现这里所描述的热管理方法的系统的方框图。 
图5描述了超声波探测器的手柄，带有合适的用户界面，用于请求以较高帧速率捕获的数据的临时突发。 
具体实施方式
在所有其他条件都相同的情况下，超声波探测器的温度上升(ΔT)与图像的帧速率成正比。因此，超声波探测器中的热管理可以通过在两种模式之间切换图像捕获帧速率来实现：高帧速率的第一种模式，在手边的成像任务需要高帧速率时使用，以及低帧速率的第二种模式，当不要求高帧速率时使用。可选地，可以使用帧速率更低(或帧速率为零)的第三种模式使探测器在以第一种模式操作之后更快地冷却。 
对于心脏的TEE成像，50帧每秒(fps)的帧速率是合适的，因为该帧速率对于高速度应用(例如，可视化心脏在心脏重新同步治疗应用中收缩晚了的部分)来说足够快，对于来自血液的“斑点”噪声的重新随机化足够慢(从而降低斑点噪声对图像的影响)。然而，对于小型TEE探测器(例如，利用表面积为200mm2等级的转换器)，连续地以50fps操作探测器会不理想地导致探测器的温度。 
然而，在这些应用中，可以通过在整个过程中定位探测器时的部分期间以较低的帧速率(例如，25fps等级)操作探测器，来避免以高帧速率连续操作。优选情况下，此较低的帧速率足够慢以使得ΔT下降到探测器可以连续地安全操作的点。这里，此操作模式被称为“连续的”模式。然后，在将探测器定位在其所希望的位置之后， 在较短时间内(例如，3秒)以较高帧速率(例如，50fps等级)捕获图像的剪辑。这里，此操作模式被称为“突发”模式。在高速度突发之后，操作返回到连续模式。在图1中通过下扫描线12描述了此操作模式下的变化的帧速率，通过上扫描线14描述了所产生的温度上升ΔT。 
可选地，可以在突发模式之后添加低帧速率“冷却”模式，以加速探测器的冷却，如图2所示。此冷却模式可以通过将帧速率减慢到小于连续模式的帧速率(例如，10fps等级)，或者通过完全停止图像捕获过程(未显示)来实现。优选情况下，如果图像捕获完全停止，则通过适当的用户界面显示合适的指示，如此，操作员将不会认为系统工作不正常。此外，优选情况下，成像过程中的任何暂停应该比较短(例如，小于10秒)，以避免打扰操作员。一旦探测器已经充分冷却，可以执行另一个高速突发。在图2中通过下扫描线22描述了此操作模式下的变化的帧速率，通过上扫描线24描述了所产生的温度上升ΔT。优选情况下，在同一个受检者的同一个成像会话期间发生所有三个帧速率(例如，它们都在小于一分钟内发生，优选情况下，在小于30秒内发生，更好的是，在15秒内发生)，一个接一个地，在各个帧速率之间没有间断或间断非常短。 
在一个示例中，以24fps连续操作的探测器的温度上升大约是3.2℃(利用组织影像测量(tissue phantom))。由于超声波探测器的热时间常数相对较大，因此三秒的高速突发不会导致温度的显著的瞬时增大。只要高速突发相对较短(例如，少于5秒，优选情况下，在3秒等级)，并且冷却期足够长，则ΔTMAX决不会比与连续操作相关联的ΔT高得太多。 
在所有其他条件都相同的情况下，能量以及因此相对热量的产生与帧速率成正比。如此，以50fps进行操作将产生50/24＝2.08倍于在24fps正常模式下的热量，在10fps冷却模式下进行操作将产生10/24＝0.41倍于在24fps正常模式下的热量。优选情况下，冷却时间足够长，并在时间上与高速突发足够靠近，以便补偿由以高帧速率 进行操作所引起的整个温度上升。这可以通过使总的帧计数保持低于与普通的连续的帧速率相关联的帧计数来实现。例如，在以24fps连续操作的系统中，在12秒的时间间隔内，将有288帧。相比之下，以50fps执行三秒的脉冲，接下来是以10fps进行九秒冷却，将导致较低的帧计数：在12秒内，(50×3)+(10×9)＝240帧。结果，在突发和冷却周期结束时，温度应该低于连续模式的稳定状况的温度。在另一个示例中，以50fps执行三秒的突发，接下来是以10fps进行七秒冷却，接下来是另一次类似的突发和冷却，将导致比以24fps的连续操作20秒(产生480的帧计数)产生较低的总帧计数(440)。 
上文所描述的技术对遵循发热的FDA的ALARA(“可以合理做到的最低水平”)原理特别有用处。这对于探测器安装在病人中身体中比较长的时间(例如，超过6小时)的应用特别重要，以通过只在需要时以高帧速率捕获短突发，否则以低帧速率运行来最小化由于长期发热造成的负面效果。注意，当心脏以60bpm搏动时，3秒的突发对于捕获两个完整的心动周期足够长。 
上文所描述的技术也可用于使温度上升保持在低于IEC60601建议的最高温升6℃以下，更优选的是低于4℃。 
图4是用于实现上文所描述的热管理方法的合适的系统的方框图。超声波成像引擎46驱动探测器48中的转换器，从转换器那里接收返回信号，并将那些返回信号转换为最终显示在合适的显示器上的图像。带有数字控制各种参数的(比如帧速率、扇区角度，以及每个帧的行数)的超声波成像引擎实现方式对本领域技术人员是已知的；并可以，例如，通过向适当的控制地址写入适当的控制字，也以本领域技术人员所知道的方式，来实现对这样的成像引擎的控制。 
控制器44通过合适的接口(例如，数字总线)向超声波引擎46发送命令，以根据上文结合图1和2所描述的方法，改变帧速率。可选地，也可以在高速突发模式期间增大图像的分辨率(例如，通过在正常速度帧中拍摄每个帧42行，以及在高速度帧中拍摄每个帧48行或更高)。 
用户界面42允许用户在任何希望的时间请求启动突发模式，并可以通过使用本领域技术人员所熟知的各种方法中的任何一种方法来实现。示例包括机械开关(包括，但不仅限于按钮和脚操作的开关)或虚拟开关(例如，位于触摸屏上)。 
用户界面的控制面可以位于超声波控制台上或位于探测器本身上。图5描述了控制按钮101位于探测器的手柄部分80上的实施例。当控制按钮101被按下时，系统通过启动突发模式来作出响应。优选情况下，由系统自动地控制突发模式的结束，并被设置为在突发模式开始之后固定的时间(例如，3秒)发生。 
注意，50fps的帧速率提供了20毫秒的时间分辨率。帧的平均值的序列也是如此，帧1与帧2平均，帧2与帧3平均，帧3与帧4平均，等等，20毫秒对于来自血液的斑点“重新随机化”足够长，长于斑点停留时间，将混合帧(两个连续的帧进行混合)中的空腔中的分辨单元的集合体的平均值的变化系数(主要由瑞利分布的斑点或电子噪声决定)降低到单一帧中的相似的变化系数的71％。 
可选地，可以使用持续很少几个周期(例如，1-3个周期)的脉冲来激发转换器。由于(在时域中)较短的脉冲具有相对来说比较宽的(在频率域中)带宽，并且对于较高频率分量组织中的衰减较高，宽带宽脉冲的低频分量使用6MHz等级的中心频率可以改善穿透力(例如，10-12厘米等级)，而不会牺牲分辨率。实验表明，使用两个周期的脉冲30(参见图3)是最恰当的，特别是当考虑热量因素时(因为较短的脉冲将比相同幅度的较长的脉冲产生较少的热量)。 
也可以被用来降低功率的用于减少温度上升的其他策略包括下列各项：(a)在符合小直径探测器的情况下，使转换器的尺寸尽可能地大；(b)在符合足够的分辨率的情况下，使频率尽可能低；(c)设计热传导率，以将热量扩散出去，以将探测器上的最热点的ΔT，例如，如2006年9月22日提交的申请11/534,403中所描述，该申请以引用的方式并入本文中；(d)在符合可接受的图像质量的情况下，保持低占空比；以及，(e)使用信号处理来改善图像，例如，如2004年 11月24日提交的申请10/997,059所描述的，该申请以引用的方式并入本文中。 
注意，尽管是在TEE的背景下说明上文所描述的技术，但是相同的技术也可以用于其他超声波成像背景中，例如，利用插入并非食管的腔体的探测器，或适用于身体的外表面的探测器。对上文所描述的实施例的很多修改对所属领域的技术人员是显而易见的，它们也包括在本发明的范围内。 

Claims (18)

1.一种超声波设备，包括：
具有控制进行成像的帧速率的界面的超声波成像引擎；以及
被编程为通过所述界面向所述成像引擎发送命令的控制器，其中，所述命令使所述成像引擎：(a)设置用于在第一时间间隔期间进行成像的第一帧速率，其中所述第一帧速率足够低以使得温度上升ΔT下降到允许连续地安全操作的点，(b)响应于用户操作的控件的激活，设置用于在所述第一时间间隔之后的第二时间间隔期间进行成像的第二帧速率，其中所述第二帧速率高于所述第一帧速率，以及(c)在以第二帧速率操作第二时间间隔之后，将帧速率降低到用于在所述第二时间间隔之后的第三时间间隔期间进行成像的第三帧速率，其中所述第三帧速率小于或等于所述第一帧速率，
其中所述第二时间间隔的结束被自动控制并且被设置为在第二时间间隔开始之后固定的时间发生。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第三时间间隔足够长并在时间上与所述第二时间间隔足够靠近，以使得补偿由以所述第二帧速率进行操作所引起的整个温度上升ΔT。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第三时间间隔包含(i)初始间隔，在此期间，帧速率小于所述第一帧速率，以及(ii)最后间隔，在此期间，帧速率等于所述第一帧速率。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一帧速率是24fps，而所述第二帧速率是50fps。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二时间间隔小于5秒。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二时间间隔是3秒，而所述第三时间间隔至少为7秒。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二时间间隔比所述第三时间间隔短。
8.一种进行超声波成像的方法，包括下列步骤：
(a)在第一时间间隔期间以第一帧速率获取受检者的第一组超声波图像帧，所述第一帧速率足够低以使得温度上升ΔT下降到允许连续地安全操作的点；
(b)响应于用户操作的控件的激活，从第一帧速率切换到第二帧速率，并且在所述第一时间间隔之后的第二时间间隔期间以第二帧速率获取所述受检者的第二组超声波图像帧，其中所述第二帧速率高于所述第一帧速率；以及
(c)在第二时间间隔过去之后从第二帧速率切换到第三帧速率，并且在所述第二时间间隔之后的第三时间间隔期间以第三帧速率获取所述受检者的第三组超声波图像帧，其中所述第三帧速率小于或等于所述第一帧速率，
其中所述第二时间间隔的结束被自动控制并且被设置为在第二时间间隔开始之后固定的时间发生。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第三时间间隔足够长并在时间上与所述第二时间间隔足够靠近，以使得补偿在所述第二时间间隔期间由以所述第二帧速率进行操作所引起的整个温度上升ΔT。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第三时间间隔包含(i)初始间隔，在此期间，帧速率小于在所述第一时间间隔期间获取的图像的帧速率，以及(ii)最后间隔，在此期间，帧速率等于在所述第一时间间隔期间获取的图像的帧速率。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一时间间隔期间的帧速率是24fps，而所述第二时间间隔期间的帧速率是50fps。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二时间间隔小于5秒。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二时间间隔是3秒，而所述第三时间间隔至少为7秒。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二时间间隔比所述第三时间间隔短。
15.一种进行超声波成像的方法，包括下列步骤：
(a)以第一帧速率获取受检者的超声波图像，所述第一帧速率足够低以使得温度上升ΔT下降到允许连续地安全操作的点；
(b)随后响应用户操作的控件的激活，切换到高于所述第一帧速率的第二帧速率，并在固定的时间间隔内以所述第二帧速率获取所述受检者的超声波图像；以及
(c)切换回所述第一帧速率，并以所述第一帧速率获取所述受检者的超声波图像，
其中，步骤(a)、(b)和(c)都是在单个成像会话期间进行的并且步骤(b)的结束是被自动控制的。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括下列步骤：
(d)切换到低于所述第一帧速率的帧速率，并且以所述低于第一帧速率的帧速率获取所述受检者的超声波图像，
其中，步骤(d)在步骤(b)之后并且在步骤(c)之前进行。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括下列步骤：
(d)将成像临时暂停少于10秒的时间，
其中，步骤(d)在步骤(b)之后并且步骤(c)之前进行。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，以所述第二帧速率的操作持续少于5秒的时间。
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