CN105025800B - 超声换能器方向控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于对例如血管的人体部分的内部进行成像的装置和方法的实施方案。在特定的实施方案中，导管具有腔，在该腔内有换能器、电机以及线圈，所述换能器安装至枢转机构，所述电机用于带动所述换能器转动，所述线圈用于为所述换能器提供枢转力。磁体附接至所述换能器，并且磁体接纳由通电线圈产生的磁场所施加的扭矩。

Description

超声换能器方向控制

相关申请的引用

本申请要求2013年1月4日提交的美国临时专利申请第61/748,774号的优先权，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种在人体内使用的超声装置与方法，包括利用超声来对人体区域(例如血管内部)进行成像的装置与方法。

背景技术

超声技术已被用于治疗的和诊断的医疗过程中，该技术可以包括提供人体内部的成像。例如，已经提出了这样的装置：其利用血管内的超声成像来观察血管的情况和/或放置在血管内的装置的位置或情况。然而，这种装置还存在有许多问题。例如，许多这种装置最多提供一幅组织横截面或其他目标内容的图像，即血管内部的薄盘状切片，并且中间部分不在超声束的范围之内。在另外的一些装置中，超声束对准一个基本上不垂直于纵向轴线的固定角(例如对准45度)。在这种情况下，成像区域以圆锥表面的部分的形式静止，并且中央部分也不在超声束的范围之内。无论哪种情况，为了使在人体内的显著长度(例如组织或装置的表面或部分)的整体可视，装置必须沿着该长度移动，在特定的位置采集横截面各自的图像。这种移动可能不太精准，并且可能包括与装置通过血管的盲目插入有关的风险。这种移动也较缓慢。通常需要大约30秒钟来执行退回(pull back)图像(以大约0.1mm/s的速度)。

三维信息提供了这样的附加值：其可以用于帮助装置在脉管系统内的导航和装置位置的确认。在脉管内的示例中，为了生成三维信息，导管可以在血管内上下移动，并且可以结合或者处理利用超声获取的图像数据。然而，为了生成精确并可用的数据，必须获知导管尖端的运动与角度。三维图像可以通过连接至机械致动器的一维阵列获得，使阵列在导管或其他装置内移动。这种设计较为昂贵，并且通常在装置中需要比许多血管所容许的空间还要大的空间。为了获得优良的图像质量，这种阵列换能器必须同时在许多单独的频道上进行传输与接收。上述情况需要许多昂贵且体积庞大的同轴电缆。可以使用较少的同轴电缆，但是这样做会降低图像质量和图像帧频。

下列超声装置已经被提出：其包括换能器相对于两个轴线的运动以提供三维信息。但是，提供这种运动的机械机构倾向于体积庞大，并且其所要求的尺寸不适合在小身体区域内应用。此外，为换能器提供运动的问题亟待解决。包括扭矩电缆的设计是有问题的。事实上，随着电缆存储与释放弹性能，足够可操纵的扭矩电缆可能会在从电缆的一端到另一端的扭矩传输中造成延迟，这使得即便当旋转源以均匀的速率旋转时，换能器组件也以非均匀的速率旋转。非均匀的旋转速率造成了结果数据或图像失真。如果将两根扭矩电缆用于换能器的双轴线运动，那么这些问题会被放大。在某些情况下，可以利用单独的电机来为换能器提供运动。然而，电机需要额外的空间并且会包括进一步的缺点：例如会横穿视窗并造成部分图像阻挡的控制线或结构部件。此外，用于控制复杂的电机运动的现有反馈机构较昂贵且体积庞大。

因此需要在沿着小身体区域实质长度的三维空间内对超声进行精确与有效的应用，例如为医师提供沿着该长度的实时观察。还需要可以同时观察医疗装置和一个或多个组织或组织部位的装置，特别是在装置和组织在任何二维平面内都不能被可靠地成像的情况下。

发明内容

本发明的各个方面公开了一种用于在患者体内提供具有两个可控制的自由度的超声束的装置及方法。例如，这种装置可以包括换能器和电机，所述换能器用于发射和/或接收超声信号，所述电机与驱动轴运行地联接以使得电机的运转带动轴相对于旋转轴线旋转。还包括枢转机构，其运行地连接至轴以使得所述枢转机构响应于轴的旋转而旋转。所述枢转机构具有相对于至少一个枢转轴线可枢转的枢转构件，所述枢转轴线基本垂直于所述旋转轴线。所述枢转构件包括磁性层和换能器。线圈设置为与旋转轴线同中心并且沿着在所述电机和所述枢转机构之间的旋转轴线。所述线圈包括多个导电绕组，以使得施加至线圈的电流在所述枢转构件上产生相对于枢转轴线的扭矩。

所述磁性层可以包括径向永磁体，其具有基本垂直于所述枢转轴线对齐的第一磁场极，以使得施加至线圈的电流产生基本沿着旋转轴线对齐的第二磁场极。利用这种方式，第一和第二磁场之间的相互作用在枢转构件上产生扭矩。所述磁性层也可以具有通常平行于换能器视角对齐的磁极，以使得施加至线圈的电流产生沿着旋转轴线对齐的第二磁场极。利用上述方式，第一和第二磁场之间的相互作用在枢转构件上产生扭矩。可以在驱动轴的外部同心地设置所述线圈。

所述装置可以包括偏置构件，其设置为将偏置构件力应用到所述换能器，并且将所述换能器偏斜至关于枢转轴线并相对于枢转机构的中性位置。扭矩可以取决于流入线圈的电流，从而使得扭矩不足以克服偏置构件力，在这种情况下偏置构件力使得所述换能器返回到中性位置。所述偏置构件可以是配置为用于运载来自所述换能器的信号的导体。

轴相对于旋转轴线的旋转和枢转构件相对于枢转轴线的枢转在一个或多个频率或旋转速度是单独可运行的。在某些情况下，所述装置在一种或多种模式下是可运行的，其中枢转构件的角速度取决于超声信号与轴的旋转轴线之间的角度。例如，所述装置可以包括这样一种运行模式：当枢转机构在超声信号指向更靠近旋转轴线的方向的状态下时，电机转动较快。所述装置也可以包括这样一种运行模式：当枢转机构在超声信号指向更远离旋转轴线的方向的状态下时，电机转动较慢。

所述装置可以包括封闭电机和枢转机构的圆筒护套，该圆筒护套为线圈提供结构支撑。所述护套可以是导壁。此外，所述装置可以设置在导管内。所述轴可以包括从其中延伸穿过的管腔。所述装置还可以包括限位止动件，其设置为限制枢转构件在其枢转范围任一端处的枢转。所述装置还可以包括为枢转构件提供支撑的臂，以使得所述限位止动件为在两个臂之间延伸的棒。所述换能器可以在限定了从换能器延伸的视窗的整个范围内可移动。所述装置可以包括在视窗内的不透明特征，从而该不透明特征提供关于枢转构件的角度位置信息。

所述磁性层可以设置为平行于换能器并且关于第二枢转轴线可枢转，从而所述磁性层和所述换能器连接以使得所述换能器响应于所述磁性层的枢转运动而枢转。

所述装置可以包括用于罩盖换能器、电机以及枢转机构的管状构件。所述管状构件可以具有远端腔，所述远端腔至少部分地由所述管状构件的壁部分限定。远端腔壳体可以包括换能器和介质，该介质使得壁部分和介质具有与管状构件所插入的身体部分相似的超声通道特性，以使得在壁部分内的介质边界处的超声反射以及在壁部分和人体环境的边界处的超声反射降低到通过边界成像可接受的水平。

根据下面所提供的具体实施方式和说明书附图，本发明进一步的形式、目标、特征、方面、效益、优势以及实施方案将变得明显。

附图说明

图1为具有枢转机构和电机的超声装置的实施方案的说明性立体图。

图2为图1的超声装置的实施方案的说明性立体图。

图3为可以用于图1实施方案中的磁性层的说明性立体图。

图4为可以用于图1实施方案中的可替代磁性层的说明性立体图。

图5为可以用于图1实施方案中的可替代磁性层的说明性立体图。

图6为可替代枢转机构的实施方案的说明性立体图。

具体实施方式

出于促进对本发明原理的理解的目的，下面将参照示于附图中的具体实施方案，并且将使用特定的语言描述该具体实施方案。然而，应当理解的是这并不旨在限制本发明的范围。本发明相关领域的技术人员通常会想到所描述的具体实施方案中的任何改变和进一步的修改，以及本文所述的本发明的原理的任何进一步的应用。虽然本发明详细地展示与描述了一个或多个实施方案，然而对于本领域技术人员来说显而易见：某些与本发明相关度较小的特征为清楚起见在这里并没有进行展示。

此时通常参考附图，这些附图显示了用于体内超声过程的装置20的示例性实施方案。这种装置在用途上可以是诊断性的或治疗性的(包括介入治疗)，并且包括经皮、皮下或者腔内插入到患者体内的装置。装置20可以与包括操纵台(未显示)的系统一起使用，所述操纵台用于处理从超声换能器接收来的数据或信号。超声操纵台可以是通常用于医疗超声成像的类型，例如通常包括可由医师使用的控制装置和图形显示器，所述图形显示器显示在超声过程期间获取的图片影像。装置20可以用于在身体的不同位置处(例如血管、泌尿管、输尿管、阴道、直肠、喉、耳)或的图像或者由例如通过经皮穿刺经由人造腔道(或者管腔)获得影像。操纵台部分可以用可兼容引线连接至可购买到的超声探头或者导管，或者连接至配置用于腔内过程的其他医疗装置。装置20可以传输与接收超声信号，并且然后将从超声信号获取的数据传递到操纵台。

在如图1和图2中示意性地示出了的实施方案中，装置20包括导管22或者具有限定内腔26的壁24的其他挠性伸长的构件或管状构件，在所述内腔26内包括了换能器28、枢转机构30、电机32以及线圈80。导管22按尺寸排列并配置为用于插入到人体腔道或管腔和/或沿着人体腔道或管腔行进。如下面所要进一步讨论的，枢转机构30允许换能器28绕着装置20的纵向轴线或旋转轴线转动，并且绕着基本垂直于纵向轴线或旋转轴线的枢转轴线枢转，这允许超声发射与接收的方向向前延伸(相对于旋转轴线的轴向方向)并且横向地延伸(相对于旋转轴线的径向方向)。在示出的实施方案中，旋转轴线为装置20的纵向轴线(即，通过导管22轴向地延伸)，枢转轴线为横向轴线(例如，垂直于纵向轴线)。与电机32和枢转机构30连同作用的换能器28能够朝着各个方向或方位传输与接收超声信号，所述超声信号沿着换能器28和超声操纵台之间的数据信号通信线路传送。

在示出的实施方案中的导管22为塑料或其他坚固柔性材料的伸长装置。导管22包括控制端(即，近端)和应用端(即，远端)，所述控制端在使用期间最接近使用者，所述应用端在使用期间最接近使用者的目标点。贯穿说明书使用的术语“控制”和“应用”描述这些位置方向。壁24围绕着腔26，在示出的实施方案中，所述腔26位于装置20的应用端或靠近装置20的应用端。壁24的控制端和/或导管22在使用期间可以在患者的体外延伸，或者可以附接至在患者体外延伸的另一零件，并且可以在用于操纵导管22的手柄或其他操作部分终止。

导管22具有至少一部分对超声信号的通过呈现出最小障碍，从而可以通过该障碍合理地获取周围物质(例如，组织或植入物)的超声图像。导管22具有这样的部分：其由放置在周围的工作环境中时基本上无回波(即，具有较小的超声衰减，或者其声学阻抗与周围环境中的声阻抗差异较小)的材料构成，因此该部分被用作透声窗，其允许超声信号的通过反射最少。应当理解的是，只有导管22的应用端(例如，壁24)需要是声学透明的，但是在某些实施方案中，导管22的更多或全部部分可以由与壁24相同的材料构成。例如，当在包括机体组织和血液的血管中使用时，对于导管22优选为由结构上刚性并且具有与体液(例如血液)相似的声阻抗的材料构成。可能的材料可以包括，例如，高分子材料(诸如高密度聚乙烯、聚甲基戊烯(PMP)或者丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS))。已经确定的是，在某些情况下，用作视窗的导管22的至少一部分的厚度可以大约为对应于超声信号中心频率的波长的N/2(其中，N为正整数)。

导管22或至少腔26的具体实施方案为圆筒形，并且按尺寸排列以插入和通过血管，例如插入到股动脉里并且通过股动脉朝向心脏。壁24可以具有端口或其他特征，以允许将流体(例如，盐水、油类或醇类)注入到腔26，从而给予腔26类似于或基本上等同于壁24和围绕的机体环境(例如，血流)的超声特征。在所示出的实施方案中，轴承或其他密封构件可以设置在电机32和换能器28之间，或者设置在电机32和包括了换能器28和流体的腔26的部分之间。

换能器28安装于枢转机构30中，以使得换能器28绕旋转轴线转动并且绕枢转轴线枢转。在示出的实施方案中，枢转机构30为双轴万向节，或者万向节式支架(或者轭状物)，其具有基座50和从基座50延伸的匹配臂56。基座50容纳来自电机32的轴，使得电机32可以带动枢转机构30转动。枢转构件58通过臂56内的孔60安装至臂56。在示出的实施方案中，枢转构件58为具有轴61的圆形盘，所述轴61配合入孔60并且用作轴，从而使得枢转构件58可以绕着由轴61限定的轴线枢转。其他万向节结构可以用于为换能器提供枢转(或俯仰)旋转运动，例如在第61/713172号专利申请(标题为“Devices and Methods for Three-Dimensional Internal Ultrasound Usage”)中所阐述的示例，通过引用将其全部内容并入本发明。

一个或多个偏置构件66将枢转构件58偏斜至特定初始静止或中性位置。在示出的实施方案中，偏置构件66为在一端或朝向一端处连接至臂56并且在另一端处连接至轴61或枢转构件58(例如，通过将偏置构件66的端部插入到轴61中的凹槽内)的扭转弹簧。该扭转弹簧为螺旋形弹簧；虽然其他弹簧类型也适合。第二偏置构件66(未示出)可以类似地附接至另一个臂56和轴61或枢转构件58。在图1和图2的实施方案中，在中性位置，换能器28基本上沿着旋转轴线定向；例如换能器28具有与旋转轴线基本上对齐的视角，枢转构件58通常垂直于该旋转轴线。在另外的实施方案中，中性位置可以是不同的(例如，其视角基本上垂直于旋转轴线)。

枢转机构30包括一个或多个限位止动件67。限位止动件67设置为在枢转范围的两端限制或约束构件58的枢转范围。在图1和图2的实施方案中，限位止动件67为安装至臂56并且在臂56之间延伸的伸长的构件。随着枢转构件58穿过其枢转范围枢转，其在枢转范围的每一端邻接限位止动件67(例如，背部表面或者与具有换能器28的枢转构件58的侧面相反的表面)。利用这种方式，在从中性位置开始的任一方向上，枢转构件58通过大约180度或者大约90度的范围自由旋转，直到枢转构件58的一部分击中限位止动件67。在另外的实施方案中，限位止动件67可以是设置在一个或两个臂56上或者从一个或两个臂56延伸的凸片，或者可以是另一种物理地限制枢转构件58的枢转运动的合适的结构。在另外的实施方案中，限位止动件67可以设置为将枢转构件58的枢转范围限制或约束为大约90度，或者限制或约束这样的位置：在换能器28视角基本平行于旋转轴线的位置和换能器28的视角基本垂直于旋转轴线的位置之间。

如前面提到的，在示出的实施方案中，换能器28安装至枢转构件58。枢转构件58还包括磁性层68。换能器28在附图中示意性地示出。术语“换能器”应当被理解为包括两个或多个部件的组件，并且包括单个零件。可以进一步理解为，这里所使用的“换能器”包括传输超声信号(即，将电(RF)信号转化为超声)的装置，接收超声信号(即，将超声转化为电(RF)信号)的装置，或者即传输超声信号也接收超声信号的装置。如果提供了多个换能器或零件，那么在一个换能器或零件处可以进行超声的传输，在另一个换能器或零件处可以进行超声的接收。这里所描述的换能器可以具有作为各自的换能器的一个或多个压电元件，并且可以在人体内或人体外与其他换能器结合起来运行。如示例所示，这里所使用的“换能器”包括在旋转构件和枢转构件上的单一元件换能器，或者包括在旋转构件或枢转构件上的元件的一维阵列。

一个示例性的换能器28包括体部或背部40和一个或多个夹紧环，至少一个超声元件42附接至背部40的一侧。换能器28可以包括附接至元件42一侧的匹配层(未示出)。本实施方案中的元件42为压电元件，其可以将电能转换为声波，并且可以将声波转换为电能。如所示出的，在背部40一侧上，元件42的位置导致了对超声束方向的定向。背部40可以是对于超声信号来说基本声学不透明的，从而使得这种信号只有效地从元件42向外投影至例如背部40的一侧或者来自背部40的径向的(相对于枢转轴线)一定限定角度范围。为了使换能器28与围绕着换能器28的介质之间的声阻抗不匹配最小，匹配层具有通常在元件42与围绕着换能器28的介质的声阻抗之间的声阻抗。如所讨论的，换能器28可以是单一元件换能器，其可以在通常用于医疗超声过程的频率范围内(例如，比如在从20KHz到100MHz的范围内)发送与接收超声波。在有些示例中，换能器28可以包括沿着旋转轴线延伸的元件线性阵列。夹紧环已经确定为提高换能器28的效率并增加换能器28的机械稳定性。

在示出的实施方案中，磁性层68设置为邻近于背部40，或者设置为与背部40整合。磁性层68可以是附接至换能器28、与背部40邻近的永磁体。可替换地，磁性层68可以并入换能器壳体。在另外的实施方案中，磁体或磁性材料可以与背部层整合为合成件，或者利用其它方式整合。在图1实施方案中，磁性层68为具有一般的圆柱形状的永久径向磁体(diametric magnet)69(图3)，其多个极在径向方向上对齐，其中，贯穿北极和南极的极轴线通常垂直于枢转轴线。

在特定的实施方案中，枢转构件58为体部、基座或衬底，换能器28的背部40或换能器28自身固定在所述体部、基座或衬底之上。在另外的实施方案中，背部40可以包括轴61以成为枢转机构30中的枢转构件；或者枢转机构30可以设置有单独的轴，背部40或磁性层68直接或间接地固定至该轴。通过从电机32到机构30的旋转运动的传输，枢转机构30允许换能器28绕着旋转轴线转动；并且同时通过磁性层68上的拉力或推力使换能器绕着枢转轴线移动，从而使换能器28同时相对于枢转轴线转动。因此枢转构件58可以同时相对于枢转轴线和旋转轴线旋转。

电机32包括用于连接至枢转机构30的旋转轴70。旋转轴70可以通过在基座50中的孔之内的过盈或类似配合附接至枢转机构30，或者通过其他固定的附接方式(例如，粘结、焊接(solder)或熔接(welding))附接至枢转机构30。在特定实施方案中的电机32为微型电机，其适于被包含在导管22的腔26之内。这种微型电机的示例包括压电式或电磁式电机，其尺寸和配置适于被包含在导管22的腔26之内。例如，电机32的特定实施方案为三相、无芯、无刷DC电磁电机，其具有少量的部件、小尺寸和最小的复杂度。在另外的示例中，压电式微型电机可以利用如下优势：其不需要齿轮头(gearhead)(机械式变速器)来获取高扭矩，并且消除了扭矩电缆和旋转变压器的问题。在特定的实施方案中，微型电机32(例如电磁式或压电式)具有在0.3mm至4mm的范围内的直径，例如，大约2.0mm。在某些实施方案中，轴70是中空的(即，定义了经由其中的管腔)并且延伸通过电机32的整体。经由轴70的管腔允许电导体、引导线或其他结构穿过轴70。

电机32可以配置为使轴70连续地朝着单一旋转方向旋转。在这种实施方案中，枢转机构30和换能器28绕着轴70的旋转轴线在上述的单一旋转方向旋转。一个或多个反电动势(back EMF)、由换能器28发射和/或接收的超声信号以及电机凸极可以用作反馈机制，以精确地控制电机32(以及由它带动旋转的换能器28)相对于装置20的其余部分的旋转位置，从而确保通过换能器28获取的图像的适当对准。对准可以利用在第61/713,142号专利申请(标题为“Feedback/Registration Mechanism for Ultrasound Devices”)中论及的方法和结构来完成，该申请通过引用而将其全部内容并入本文。电机32可以可替换地配置为在往复运动中行进，轴70在第一旋转方向上的旋转(例如，对于预定时间、弧度或圈数)和在第二(相反的)旋转方向上的旋转(例如，对于预定时间、弧度或圈数)之间切换。涉及往复式电机的方法与结构在第61/713,135号专利申请(标题为“Reciprocating InternalUltrasound Transducer Assembly”)中论及，该申请通过引用而将其全部内容并入本文。

线圈80为相对于旋转轴线包围或盘绕多次的导体。在另外的实施方案中，线圈80为激励线圈或螺旋形电线。在图1和图2的实施方案中，线圈80设置为在电机32和换能器28之间的轴线方向上(相对于旋转轴线)。线圈80设置为邻近导管22的壁24。在某些实施方案中，线圈80可以设置在腔26之内，并且可以设置为邻近或邻接壁24的内表面。在另外的实施方案中，线圈80可以设置为邻近或邻接壁24的外表面。在另外的实施方案中，线圈80可以整合到导管22的壁24中。在另外的实施方案中，可以相对于管状护套(未示出)设置线圈80，围绕枢转机构30的至少一部分的所述管状护套设置于导管22内。利用这种方式，导管22或者护套为线圈80提供结构支撑。在另外的实施方案中，线圈80可以设置为更靠近电机32或更靠近换能器28。

线圈80具有多层绕线，所述绕线设置为与旋转轴线同中心。线圈80具有至少一个通过导体连接至电源(未示出)的端部，该导体引至或引向装置20的操作端。电源可以设置在导管22之内或之外(例，与操纵台整合起来)。电源将电流施加至线圈80。利用这种方式，线圈80设置为使得通电的线圈80产生磁场，磁场的磁极与旋转轴线基本上对齐。

在图1的实施方案中，磁性层68具有相对于枢转轴线垂直对称地布置的磁极。通电的线圈80产生磁极与旋转轴线对齐的磁场。由线圈80产生的磁场可以具有最接近枢转构件58的磁极(例如北极)，该磁极吸引磁性层68的相反磁极(例如南极)。两个磁极之间的吸引力为枢转构件58施加扭矩。扭矩的大小可以通过更改应用到线圈80的电流的大小来改变，并且扭矩的方向可以通过逆转电流的方向来改变，从而由线圈80产生磁场的极性。当扭矩大到足够克服偏置构件66的弹簧力时，枢转构件58相对于枢转轴线从中性位置旋转。在枢转构件58的枢转范围的末尾处，限位止动件67停止枢转构件58的枢转。应注意的是，为了控制扭矩并且由此控制枢转构件58的角速度，可以改变施加至线圈80的电流。当枢转构件58处于其枢转范围的端部时，为了让枢转构件58返回至中性位置，可以减少或消除应用到线圈80的电流，以使得偏置构件66的弹簧力克服磁场的扭矩。或者，可以逆转电流以产生相反的磁场，从排斥磁场产生的扭矩连同偏置构件66的弹簧力一起作用，以使得枢转构件58返回至静止位置，或者向静止位置返回。在某些实施方案中，可以将交流电施加至线圈80以实现枢转构件58的往复枢转运动。

在某些实施方案中，视窗内可以设置有一个或多个声学不透明或声学衰减特征，从而使得超声场在换能器28的枢转范围的一个或两个端部横穿声学不透明特征。限位止动件67可以设置和/或配置为使得换能器28在超声场横穿声学不透明特征的时候停止。声学不透明特征可以加入至导管22，或者与导管22整合，其示例通过上述引用并入本文。在某些实施方案中，在反馈传感器可以用于确定换能器28的枢转角度的情况下，可以忽略偏置构件66。

换能器28电连接至电源并且通过之前提到的信号载波电连接至成像系统。如果是导电材料构成的，则偏置构件66可以连接至换能器28和/或操纵台或电源，以将电信号运送至换能器28或从换能器28携带信号。在特定的实施方案中，偏置构件66提供从换能器28到沿着臂56设置的导体的传导路径。替代偏置构件66，或者连同偏置构件66一起，其他的信号载波可以设置为将信号从换能器28向装置20的操纵台侧运送。信号载波的其他示例包括这样的导体(例如，电线或电缆)：其沿着壁24，通过电机轴的中间管腔，经由滑环连接，和/或经由沿着壁24的金属膜。示例在第No.61/714,275号专利申请(标题为“InternalTransducer Assembly with Slip Ring”)中论及与陈述过，该申请通过引用以将其全部内容并入本文。

直接围绕向导管22的应用端延伸的换能器28的腔26的部分可以由流体或其他物质完全填充，所述流体或其他物质具有与血液或组织类似的声阻抗，例如盐水、油类(例如，矿物油或蓖麻油)或混合醇。密封、轴承或其他结构设置为与轴70邻近，以在电机32和包围着换能器28的腔之间提供液封。该物质应该使得在旋转期间抵抗换能器28的摩擦最小。利用这种方式，可以在体液、导管22以及直接围绕换能器28的介质之间实现声学匹配。声学匹配确保了当在换能器28和机体组织之间传输与接收超声信号时的信号损失最小，这提高了生成图像的清晰度。流体可以在制造的过程中被加入到装置20中，或者可选地可以在使用之前被加入到装置20中。当换能器被密封并且耦合流体在制造的过程中被注入腔内时，为了保持产品的贮存期，由于与部件的长期接触，因此需要例如矿物油或蓖麻油的无刺激性流体。优选地，油类为生物相容的、声学透明的，并且具有低粘度。可选地，流体连通口(未示出)可以设置或可建立在导管内，或者可以设置或建立为穿过导管壁，以使得允许加入流体。在上述情况下，可以在装置20部署的时候加入刺激性流体。刺激性流体(例如水、盐水或醇类)通常具有更有利的生物相容性、声学透明性和粘度的结合。

下面将提供在IVUS的背景下使用装置20的示例。如前面所提到的，应当理解，本发明所公开的装置也可以用于其他类型的内部过程中。

准备好装置20(例如，如果不存在流体，则将流体注入到腔26)并将其插入至患者的体内，并且将装置20操纵至预期位置(例如，在特定的血管内)。在行进至预期位置期间，换能器28可以运行，如换能器28具有前方中性位置并且可以利用线圈80的使用来枢转。贯穿布置并且在预期成像位置，可以操作电机32以使换能器绕着旋转轴线转动，从而提供包围装置20的组织或其他物质的图像。为了使换能器28相对于枢转轴线枢转，可以给线圈80通电以向前和/或横向地切换超声场。相应地，换能器28相对于旋转轴线和枢转轴线中的一个或两个旋转。利用这种方式，为了使换能器28的特定位置向前和/或横向地移动，装置20提供不仅绕着装置20的旋转轴线转动，而且绕着枢转轴线转动的超声信号扫描或超声信号场。

当传输超声信号时，超声信号横穿导管22的壁24直到其遇到声阻抗边界(例如，机体组织、血小板、医疗植入物或具有与体液或其他包围物质有很大不同的声阻抗的其他物质)，从而超声信号在边界处至少部分地反射。超声信号的至少一部分向换能器28反射回。在换能器28处接收的代表了反射的超声的一个或多个电信号经由传导路径从换能器28发送至超声操纵台，以将图像和/或其他数据显示给医师。同时或随后，在某些实施方案中，在预期的时间段内，换能器28持续地继续发射另外的超声信号并且重复该过程。

可选的实施方案包括枢转机构30和磁性层68的变型。在一个实施方案中，磁性层68为盘状的永磁体，其具有沿着垂直于圆盘主表面的轴线对齐的磁极(图4)。在这个实施方案中，由线圈80产生的磁场具有最接近磁性层68的磁极，该磁极排斥最接近线圈80的磁性层68的磁极。当给线圈80通电时，排斥力在枢转构件58上产生扭矩，这使得枢转构件58相对于枢转轴线旋转。在另外的实施方案中，磁性层68可以被分离为一半圆盘，其中，磁极沿着垂直于圆盘主表面的轴线对齐(图5)。在另外的实施方案中，偏置构件66将枢转构件58偏斜至一个或多个其他的(非面向前方的)中性位置。在一个示例中，在中性位置，换能器28的视角垂直于旋转轴线，并且来自磁场的排斥力使得枢转构件58相对于枢转轴线朝向前向位置(即，换能器28的视角与旋转轴线对齐)旋转。

在图6中部分地示出了的可选的实施方案中，磁性层69设置在独立而平行的万向节支架上，并且机械连杆90将换能器28连接至磁性层69。机械连杆90的使用在臂56、磁性层69、换能器28以及机械连杆90之间产生了具有一个自由度的四杆连杆，这确保了换能器28平行地枢转，并且确保了换能器28对磁性层69的相对于枢转轴线的枢转运动响应。

可以对电机32和/或线圈80提供控制以保持换能器28以特定的旋转速度或形式的相对于旋转轴线和枢转轴线的旋转运动。例如，诸如绕着旋转轴线的自转(在30-100Hz之间)的模式可以与绕着枢转轴线的较慢(大约为1-2Hz)枢转的模式相结合，以在限定的形式下提供前后清晰的图像。也已确定，绕着旋转轴线的相对较慢的自转(例如大约1-2Hz)与绕着枢转轴线的更快的枢转(例如，接近装置20的共振频率)相结合可以提供良好的效果。以下模式也可用于提高图像帧频和清晰度：当换能器28指向更靠近旋转轴线时提供绕着旋转轴线的更快旋转，并且当换能器28更远离旋转轴线时提供绕着旋转轴线的更慢旋转的形态。在医师认为必要或有用的情况下，调整换能器28和超声场的定位，继续成像。

装置20使通过视窗的图像捕获更加容易，所述视窗避免了图像内不必要的声衰减(例如伪像、障碍或误差)。例如，位于电机32的应用侧的换能器28的定位确保了即使换能器28相对于旋转轴线旋转整个360°，并且相对于枢转轴线枢转，电线或其他回波物质不设置在换能器28的视窗内，或者也不横穿换能器28的视窗。利用这种方式，不再有能够在图像内导致伪像或对重新定向超声波形成阻碍部分的电线或其他反射物质。这为医师提供了整个视窗的清晰视野。如本文所使用的，术语“窗”包括贯穿了装置20结构的、在换能器28和有机流体或组织之间(其在使用期间可以位于装置20的外部)的基本上无障碍通道。

装置20配置为与现有的医疗装置一起使用，这些医疗装置被设计用于经皮、腔内、间质过程中。例如，出于不同的目的，装置20可以用作各种导管，或者可以和各种导管一起使用，例如，依据具体的配置，设置于导管的应用侧或设置于导管的应用侧之内。如前所述的装置20的部件可以设置在位于导管内的现有管腔之内。在可选的实施方案中，装置20可以包括外部套管(或护套)，其类似于具有壁24的导管22，只不过缩短了以紧密地包含装置20。装置20可以利用各种安装装置、胶或者利用其他类型的布置外部地安装至导管。本领域技术人员应当了解，将装置20连接至现有医疗装置的安装过程的具体类型可以包括各种不同类型的安装方式。因此，本发明所描述的具体方法不表明对装置20的使用性能的任何方面进行限定。

在本发明所描述的某些实施方案中，霍尔传感器(未示出)、光学编码器(未示出)、超声、反电动势、电机凸极或者这些项中一个或多个的组合可以被用于控制和/或监测电机32的角位置。已被确定，由于霍尔传感器的小尺寸和成熟的设计，其作为反馈机制是有利的。在某些实施方案中，由换能器28发射和/或接收的超声束或者超声信号被用作反馈机制以精确地评估或监控电机32(和由它带动旋转的超声束)相对于装置20的其余部分的旋转位置，从而确保经由换能器28获取的图像的恰当对准。本发明所提及的实施方案还可以包括其他特征(例如索引系统)。

虽然上述探讨涉及在超声系统申请的上下文中的具体应用，但是应当理解，装置20的实施方案也可以用于各种其他医疗过程，并且可以和各种其他医疗装置仪器一起使用。本发明所描述的实施方案的通用性允许装置20用于引导经皮介入治疗(percutaneoustherapeutic interventions)，例如，诸如栓塞术、支架术、过滤术、图形术、球囊扩张术、活组织检查以及管理治疗等等。装置20可以用于定位各种解剖界标，所述解剖界标用于恰当地放置或引导治疗。典型的界标包括汇合点、分歧点、分支、附近的脉管、附近的神经、心脏和其他邻近于脉管的组织或其他包含换能器的孔口。装置20也可以用于定位待被治疗或避开的病变组织。装置20可以在活组织检查期间使用，以提供被置入组织中的针的图像。在经颈静脉肝内门腔静脉分流术(transjugular intrahepatic portocaval shunt，TIPS)过程中，可以生成图像以使医师能够观察被置入门静脉内的针。对于腹主动脉瘤(aorticabdominal aneurysm，AAA)置换术，医师可以利用装置20将引导线置入对侧腿中。装置20也可以用于在部署期间和部署之后对所部署的置入装置的位置进行成像。

虽然对于装置20的某些部件本发明强调了特定材料，但是这些材料不旨在限制适合使用到装置20中的材料的类型。此外，当不强调材料时，可以使用多种材料，例如某种金属、聚合物、陶瓷或其他材料，所述其他材料适合用在用于小腔体应用的装置中。

装置20也可以用于其他各种医疗过程中，并且可以和其他各种医疗装置一起使用。本领域技术人员应当理解，特定类型的安装过程可以包括各种不同类型的安装方式。因此，本发明所描述的具体方法不表明装置20的使用性能的任何方面进行限定。

在术语“旋转”或“旋转的”(例如，相对于旋转轴线)的使用中，应当理解，即使旋转通常暗指角度改变远大于360°，但是在某些实施方案中，本发明所公开的装置可以配置为使得旋转角度在小于360°的范围内旋转。在某些示例中，术语“枢转”可以被认为比“旋转”具有更多特性，反之亦然，但是出于本申请的目的，术语“旋转”和“枢转”用于清楚地表明角度改变发生所相对的轴线，而不是角度的性质或量级改变。

尽管本发明已在附图和前述说明中进行了详细说明和描述，其被认为是说明性的而不是限制性的，应理解仅仅显示和描述了某些示例性实施方案，并希望保护在由权利要求所限定的本发明的精神内的所有变型、等价形式和修改。应当理解，和特定的实施方案或结构一起被描述或呈现的特征或方面也可以和其他特征、方面、结构或实施方案一起使用。在本说明书中引用的所有出版物，专利和专利申请通过引用并入本文，如同每个单独的出版物，专利或专利申请被特别地和单独地指明通过引用和陈述以其全部内容并入本文中。

Claims (20)

1.一种医疗装置，其包括：

换能器，其用于发送和/或接收超声信号；

电机，其与驱动轴运行地联接，其中，电机的运转带动轴相对于旋转轴线旋转；

枢转机构，其运行地连接至轴，其中，所述枢转机构响应于轴的旋转而旋转，所述枢转机构具有相对于至少一个枢转轴线能够枢转的枢转构件，所述枢转轴线基本不平行于所述旋转轴线，所述枢转构件包括磁性层和换能器；以及

线圈，其设置为与旋转轴线同中心并且沿着在所述电机和所述换能器之间的旋转轴线，其中，所述线圈包括多个导电绕组，其中，施加至线圈的电流在所述枢转构件上产生相对于枢转轴线的扭矩。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁性层包括径向永磁体，其具有第一磁场，所述第一磁场的磁极基本垂直于所述枢转轴线对齐，其中，施加至线圈的电流产生第二磁场，所述第二磁场的磁极基本沿着旋转轴线对齐，其中，所述第一磁场和所述第二磁场之间的相互作用产生扭矩。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述磁性层具有基本对齐为平行于换能器视角的磁极，其中，施加至线圈的电流产生第二磁场，所述第二磁场的磁极沿着旋转轴线对齐，其中，磁场之间的相互作用产生扭矩。

4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述线圈设置为同心地在驱动轴的外部。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，进一步包括偏置构件，其中，所述偏置构件设置为将偏置构件力施加到所述换能器，这将所述换能器偏斜至关于枢转轴线并相对于枢转机构的中性位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，扭矩取决于流入线圈的电流，其中，当扭矩不足以克服偏置构件力时，偏置构件力使所述换能器返回至中性位置。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述偏置构件是配置为用于运载来自所述换能器的信号的导体。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，轴相对于旋转轴线的旋转和枢转构件相对于枢转轴线的枢转在一个或多个频率下是单独能够运转的。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括下列运行模式：当枢转机构在超声信号指向更靠近旋转轴线的方向的状态下时，电机转动较快；当枢转机构在超声信号指向更远离旋转轴线的方向的状态下时，电机转动较慢。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，进一步包括封闭电机和枢转机构的圆筒护套，其中，所述护套为线圈提供结构支撑。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述护套为导管壁。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述装置设置在导管内。

13.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述轴包括从其中延伸穿过的管腔。

14.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，进一步包括限位止动件，其设置为在枢转构件的枢转范围任一端处限制所述枢转构件的枢转。

15.根据权利要求14所述的装置，进一步包括为所述枢转构件提供支撑的两个臂，其中，所述限位止动件为在两个臂之间延伸的棒。

16.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述换能器在限定从换能器延伸的视窗的整个范围内能够移动，所述装置进一步包括设置在视窗内的非透明特征，其中，所述非透明特征提供相对于枢转构件的角度位置信息。

17.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，所述磁性层设置为平行于所述换能器并且相对于第二枢转轴线能够枢转，其中，所述磁性层和所述换能器连接以使得所述换能器响应于所述磁性层的枢转运动而枢转。

18.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，进一步包括用于罩盖所述换能器、所述电机以及所述枢转机构的管状构件，该管状构件具有远端腔，所述远端腔至少部分地由所述管状构件的壁部分限定，远端腔壳体至少包括换能器和介质，壁部分和介质与所述管状构件所插入的身体部分具有相似的超声通道特性，以使得在介质和壁部分的边界处的超声反射以及在壁和人体环境的边界处的超声反射降低到对穿过边界成像所能够接受的水平。

19.一种医疗装置，其包括：

换能器，其用于发射和/或接收超声信号；

电机，其与驱动轴运行地联接，其中，电机的运行带动轴相对于旋转轴线旋转；

枢转机构，其运行地连接至轴，其中，所述枢转机构响应于轴的旋转而旋转，所述枢转机构具有相对于至少一个枢转轴线能够枢转的枢转构件，所述枢转轴线基本不平行于所述旋转轴线，所述枢转构件包括磁性层和换能器；

线圈，其设置为与旋转轴线同中心并且沿着在所述电机和所述换能器之间的旋转轴线，其中，所述线圈包括多个导电绕组，其中，施加至线圈的电流在所述枢转构件上产生相对于枢转轴线的扭矩；以及

偏置构件，其中所述偏置构件设置为将偏置构件力施加到所述换能器，以将所述换能器偏斜至关于枢转轴线并相对于枢转机构的中性位置；

其中，轴相对于旋转轴线的旋转和枢转构件相对于枢转轴线的枢转在一个或多个频率处单独能够运转。

20.根据权利要求19所述的装置，进一步包括封闭电机和枢转机构的圆筒护套，其中，所述护套为线圈提供结构支撑。