CN111714152A

CN111714152A - 无线手持式超声系统

Info

Publication number: CN111714152A
Application number: CN202010181411.0A
Authority: CN
Inventors: 格伦·W·马克劳林
Original assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-09-29
Also published as: US20220370043A1; US20200297316A1; US11903764B2; US11464486B2

Abstract

一种无线手持式超声系统，包括：超声前端，其将超声波发送到对象中并将接收到的超声回波转换为数字数据；图像处理器，其被耦合至该超声前端，以将该数字数据转换为图像；功率部分，其被耦合到超声前端和图像处理器。该功率部分可以包括：电池；充电电路，其为电池充电；无线功率换能器，其被耦合到该充电电路以将从外部源接收的无线功率转换成用于充电电路的电能。

Description

无线手持式超声系统

技术领域

本文涉及超声成像，尤其涉及用于手持式超声系统的无线换能器充电。

背景技术

在超声探头内整合了整个成像平台以及电源的手持式超声系统通常比传统的有线超声探头更大和更重，表现出较差的性能、更短的电池工作时间以及更大的热量产生。图2示出了三个这样的手持式超声系统210、220、230，其中两个是无线的，一个包括有线接口。

无线手持式超声系统210、220往往较大，并且长时间使用会不舒服。例如，系统210被显示为由手211握持，以用于尺寸参考。清楚的看出，手211将难于完全握住整个系统210。不仅操作这样的系统210不舒服，而且还难以以某些角度定位以采集某些类型的图像。系统210的标准部分包括处理部分和电池（未示出）、通信部分212、换能器213和控制部分214。

第二无线手持式超声系统220比第一无线手持式超声系统220更纤薄，但是与握持系统220的参考手221相比更长。虽然更易于抓握，但是系统220的长度也可能干扰某些类型的图像的采集。第二系统220具有与第一系统210类似的组件，包括处理部分和电池（未示出）、通信部分222、换能器223和控制部分224。

相比之下，有线手持式超声系统230与代表性的手231相比相对较小。请注意，该系统230仍包含成像平台并在内部产生图像。然而，除了标准通信部分232、换能器233和控制部分234之外，系统230还包括有线接口235，用于发送处理后的图像以进行显示或存储。

图3提供了传统相控阵超声探头311和具有有线接口323的手持式超声系统321之间的比较，其中该手持式超声系统321与图2所示的系统230类似。与参考手310相比，传统的相控阵超声探头311相对较小。可以看到，手310握住探头311的本体时处于舒适和放松的位置。图中显示了探头311的机电元件，包括换能器312和一根用于将原始信号带回超声系统（未示出）以进行图像处理的实物电缆313。

当将传统的超声探头311与在内部进行处理的手持式超声系统321的超声探头进行比较时，可以看出尺寸增大了，如握持探头321的本体的手320所示。有线手持式超声系统321还具有换能器322、控制机构324和小得多的电缆323，因为许多信号调节和处理是在手持式系统321的本体中完成的，因此仅需要将数字数据发送到显示单元。

近来，已经尝试使用高水平集成电路将超声换能器元件结合到单个集成电路中。这导致了尺寸、性能和发热的显着改善，但并未显著解决重量和操作时间方面的问题。

为了缩短操作时间，设计人员继续在这些设备中放置较大的电池，其抵消了高级单芯片集成带来的其他一些收益。如果在临床医生对这些产品的间歇使用模式下，电池的绝对能量存储通常不需要能够覆盖8或10个小时的班次，但是需要在一天中非常需要的时间段足以连续运行稍小于一个小时的时间。使得该系统能够独立于手持式超声单元的放置位置（即，在用户的手中、口袋里、桌子上）而连续地充电将是对这些系统的当前工作流程的重大改进。

发明内容

根据本文的无线手持式超声系统包括：超声前端，该超声前端用以将超声波发射到对象中并将接收到的超声回波转换成数字数据；图像处理器，该图像处理器耦合至该超声前端，以将数字数据转换为图像；功率部分，该功率部分被耦合到超声前端和图像处理器。该功率部分可以包括：电池；充电电路，该充电电路用以为电池充电；无线功率换能器，其耦合到充电电路，以将从外部源接收的无线功率转换成用于充电电路的电能。

超声前端可以包括：换能器端口；发射器，用以产生电发射波形；发射/接收开关，用于在发射模式期间将电发射波形传送到换能器端口；超声换能器，其耦合以从换能器端口接收电发射波形，并根据其产生用于发射到对象中的超声波。超声换能器还将从对象接收的超声回波转换为电信号。

在一个实施例中，超声前端还包括接收器，该接收器用以在接收模式期间从发射/接收电路接收电信号并将该电信号转换为数字数据。

该无线手持式超声系统还可以包括通信接口，以将图像无线传输到后端处理器以进行进一步处理，或传输到外部显示单元。通信接口可以被配置为经由有线或无线路径将图像发送到外部显示单元。

在一个实施例中，无线功率换能器被耦合以经由超声前端从外部源接收声能。在其他实施例中，无线功率换能器通过感应直接从外部源接收无线功率。

充电电路可以被配置成当无线功率换能器正从外部源接收无线功率时将电池连续充电至预定最大值。

在一些实施例中，充电电路被配置成经由无线路径与外部电源通信。充电电路可以被配置成将电池的功率水平、电池的估计充电时间、要求的无线功率水平和/或要求的功率类型传送给外部功率源。在一个实施例中，充电电路可以被配置成将所要求的无线功率充电方案传送给外部功率源。

手持式超声系统可以包括定位器，该定位器被配置成允许外部功率源在无线功率传输期间跟踪手持式超声系统。

附图说明

通过参考结合附图进行的以下描述，可以最好地理解本文，其中，相同的部分由相同的标号表示。

图1是无线手持式超声系统、分布式功率发射器和显示/接口单元的框图。

图2是各种无线手持式超声系统的外部视图。

图3将无线手持式超声系统与传统的有线相控阵换能器进行了比较。

图4是根据本文的无线手持式超声系统的外部视图。

具体实施方式

已经针对医学之外的行业提出了许多无线充电技术，其电力传输范围从近距离到几米。这样的技术包括跟踪RF聚焦能量、声波、电感耦合等。这些技术中的每一种都倾向于在靠近发射器的地方能很好地工作，但是如果将设备从发射器上移开，效率会降低。

如果无线手持式超声系统的用户将在医院或诊所周围移动，则该用户对功率发射器阵列的接近度将随着他们的班次而显著变化。这样，由于当用户在他们的班次中不活跃时任何不足都可以被弥补，因此向手持式超声单元的平均功率传输需要非常接近等于该单元在班次中的平均能量消耗。

典型的功率传输的范围可以从在非常接近的距离上的数十瓦特到数米距离上的数百瓦特。无线手持式超声系统通常存储在用户的大衣口袋中，因此用于传输电能以为电池充电的技术应该能够穿过轻便的衣服，而不会造成过多的功率损耗。

能够减少这些手持式单元上的电池的总存储容量的一些好处包括更小尺寸、更轻的重量、潜在的更高的通道数、更好的性能、更低的用户重复应力伤害以及整体上更好的病人护理。许多医生试图采用当今可用的手持式系统，但是发现要达到他们所需要的用以回答它们临床问题的诊断水平具有挑战性。因此，他们仍然更喜欢使用传统的、不太方便的移动式或基于台车的超声平台。

典型的锂离子电池具有约100–265 Wh/kg。假设手持式系统的总电池重量预算在100克左右，则电池容量约为20 Wh。假设以约50％的占空比进行8小时班次，这将为系统提供约5W的平均功率预算。

高性能超声单元的典型发射功率预算在2W的量级，而对于50 mW/通道和128通道系统，这将导致额外的6.4W。如果以简单的方式完成，系统的基本图像形成阶段可能会消耗3W的额外功率，并且外部通信和基本操作硬件可能会消耗500mW的额外功率或12W左右的所需功率预算，以使系统性能良好。

对于12 Wh的电池，保持电池充满电量的能力会将电池尺寸减小到约60gr，但是将要求系统的无线充电平均能够维持约6W的功率传输。这在某种程度上是最坏的情况，并且能够在非常有限的约1W范围内传输功率仍将为用户带来可观的收益，因为这应该涵盖了除最苛刻的工作流程之外的所有工作流程。

现在参考图1，其示出了用于将功率无线传输到无线手持式超声系统100的平台的简化框图。为简洁起见，该平台在本文中被不同地称为手持式超声系统100或简称为系统100。在一个实施例中，该平台包括手持式超声系统100，显示/接口单元120和分布式功率发射器130。

通过图像形成步骤，手持式超声系统100的一些组件可以类似于典型的手持式超声成像系统。例如，在2012年7月24日公告的标题为“超声成像系统”的美国专利No. 8,226,561中示出了典型的超声成像系统，该专利通过引用结合于此。在所描绘的实施例中，一些图像处理由单独的显示/接口单元120处理，使得手持式超声系统100的功率和尺寸要求可以被最小化。

手持式超声系统100包括超声前端101，该超声前端在这里被广义地定义为用于将超声波发送到对象中并将接收到的超声回波转换成数字数据的所有电路。超声前端101可以包括用以产生电发射波形的发射器110。发射器110可以被配置成使用例如可编程发射电压、任意发射序列、可编程变迹、延迟控制和/或频率控制之类的已知技术来产生电发射波形。

在发射模式期间，电发射波形被经由换能器端口112通过发射/接收（T/R）开关111发送到对象（例如人体）。在换能器端口112上，可以附接许多被不同地配置的超声换能器117，例如相控的、线性的、弯曲的、腔内的，等等。这些换能器117将电能转换为声能。

不应将对换能器端口112和超声换能器117的引用解释为要求是单独的组件。在一些实施例中，换能器端口112可以是不可移除的超声换能器117的输入。因此，在每个实施例中，对换能器端口112的引用不应该暗示对换能器117的可移除性的要求。

随着声能穿过身体，回声被换能器接收并耦合到换能器端口112，在接收模式期间通过T/R开关111到达接收器113。在一个实施例中，接收器113 执行本领域已知的各种基本超声操作，例如放大、解调和数字化。所得的数字化了的数据被传递到图像处理器114。然后，图像处理器114将数字化数据处理成图像，例如标准b模式超声图像。

然后，该图像被传递到COMM（通信）接口115，在其中它可以通过手持式超声系统100中的后端处理器116进行进一步处理，或者被使用有线或无线通信路径150传输到显示/接口单元120。COMM接口115可以包括总线、无线收发器和/或其他适合的电路。后端处理器116可以执行诸如对数压缩、降采样、块孔滤波和区域混合之类的标准操作。

在一个实施例中，显示/接口单元120经由有线或无线通信路径150从手持式超声系统100接收图像数据。该链接可以是双向的，从而允许来自显示/接口单元120的数据被响应用户命令而发送回手持式超声系统100。图像数据由显示/接口单元120内的CPU 121接收，并使用诸如扫描变换的技术处理以在显示器122上显示。显示器122可以是集成液晶（LCD）、发光二极管（LED）或者使用本领域已知的其他显示技术。

用户界面123还与CPU 121通信，以允许用户输入命令以及控制显示/界面120系统和手持式超声系统100的各种功能。显示/界面单元120还可包括电池126、电源125和功率输入端124。显示/接口单元120可以被实现为定制设备，但是同样可以用智能电话、平板电脑、PDA、膝上型计算机等等来实现。

在一个实施例中，分布式功率发射器系统130用于经由无线路径140向手持式超声系统100发射功率。该系统通过COMM接口132通过无线协议151与手持式超声系统100通信。COMM接口132由CPU 131控制，CPU 131使用COMM接口132提供的信息来控制阵列控制单元134。阵列控制单元134与功率放大器135接口以驱动功率换能器阵列136。

功率换能器阵列136将电能转换成无线功率的形式，例如声波、电磁波等等。手持式超声系统100通过无线路径140经由无线功率换能器162接收该无线功率。在由超声波发送无线功率的情况下，无线功率换能器162可以经由换能器端口112耦合到超声换能器117。无线功率换能器162将无线功率转换成电能并与手持式超声系统100的充电电路160接口以将电池161充电至预定水平。

分布式功率发射器130经由功率输入端133接收其功率，并且该功率被传输到电源137，以为分布式功率发射器130的组件供电。

在一个实施例中，充电电路160可以经由COMM接口115和无线通信路径151与分布式功率发射器130通信，以提供关于分布式功率发射器系统130向手持式超声系统100提供无限充电所需的信息。例如，充电电路160可以传达有关电池161的电量、为电池充电的估计充电时间、要求的无线功率水平、无线功率换能器当前可以接收的无线功率的类型（例如，声学型、感应型）和/或无线功率充电方案的信息。

所要求的功率水平可以基于手持式超声系统100与分布式功率发射器130的距离。例如，当系统与发射器的距离小于10cm时为5W，当系统与发射器距离为2至3米时为50mW，当系统与发射器的距离大于3米时则为5mW。基于所要求的功率水平，分布式功率发射器130的CPU 131可以计算需要经由功率换能器阵列136发送的要求功率水平。

无线功率充电方案可以由分布式功率发射器130的CPU使用以控制功率换能器阵列136，并且可以包括要求无线充电的时间、在那些时间时的要求功率水平和/或在那些时间时要求的无线功率的类型。

在一个实施例中，手持式超声系统100包括定位器118，分布式功率发射器130可以使用该定位器118在无线功率传输期间跟踪手持式超声系统100，从而允许操作员在携带手持式超声系统100的同时为其充电。定位器118可以以分布式功率发射器130可识别的特定频率来广播RF信号，或者在一些实施例中，可以通过诸如医院的无线网络之类的无线网络来广播从GPS和/或空间位置获得的详细位置信息。在一个实施例中，定位器118可以传达通过9轴加速度计获得的运动数据，从而允许跟踪小运动。

如所描述的，定位器118可以耦合至COMM接口115，或者可以包括其自己的无线通信电路。定位器118广播的RF信号可由分布式功率发射器130中的COMM接口132使用，以在无线功率传输期间跟踪手持式超声系统100中的无线功率换能器162和/或计算手持式超声系统100与分布式功率发射器130之间的相对距离。

用于电子设备的无线充电的各种组件和系统被显示在下列文献中：2016年6月7日公告的美国专利No. 9,362,783，“使用超声波的无线功率传输设备”， 2008年10月28日公告的美国专利No. 7,443,057，“电子设备的远程充电”，2018年4月10日公告的美国专利No.9,941,752，“无线充电系统中的物体检测的系统和方法”，2016年9月13日公告的美国专利No. 9,444,283，“为多个无线功率接收器进行无线充电的方法和装置”，2014年6月24日公告的美国专利No. 8,760,113，“无线充电定时和充电控制”，2012年1月17日公告的美国专利No. 8,099,140，“无线供电系统和无线供电方法”，2011年9月20日公告的美国专利No.8,024,012，“智能无线充电系统”，2018年11月18日公告的美国专利No. 10,128,699，“使用接收器装置传感器输入提供无线功率的系统和方法”，所有这些内容均通过引用并入本文。基于RF的无线电源系统例如包括可从Powercaster公司获得的Powercaster发射器和Powerharvester接收器。声学解决方案包括可从uBeam公司获得的uBeam。

图4是与图1所示的手持式超声系统100相似的手持式超声系统410的外部视图。该系统410具有传统超声换能器在尺寸和重量上的许多优点，但是还具有无线的优点。例如，手420舒适地握住换能器410。机电部分（换能器）411也可以是可在线413处移除的，使得其他形状的换能器可以被附接到换能器本体410，例如腔内换能器。换能器本体410可以经由功率换能器412通信并接收功率。

本文已经参考了各种示例性实施例。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本文的范围的情况下对示例性实施例进行改变和修改。例如，取决于特定应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件可以以替代方式来实现。例如，一个或多个步骤可以被删除、修改或与其他步骤组合。

另外，如本领域普通技术人员将理解的，本文的原理可以反映在计算机可读存储介质上的计算机程序产品中，其中该计算机可读存储介质具有被具体化在该存储介质中的计算机可读程序代码装置。可以使用任何有形的、非暂时性的计算机可读存储介质，包括磁存储装置（硬盘、软盘等等）、光存储装置（CD-ROM、DVD、蓝光光盘等）和/或闪存等等。这些计算机程序指令可以被加载到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备上以生成机器，使得在计算机或其他可编程数据处理设备上执行的指令创建用于实现指定功能的装置。这些计算机程序指令也可以被存储在计算机可读存储器中，其可以引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读存储器中的指令生成制品，包括实现指定的功能的实现装置。也可以将计算机程序指令加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，以使一系列操作步骤在计算机或其他可编程设备上执行以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现指定功能的步骤。

尽管已经在各种实施例中示出了本文的原理，但是可以使用特别适合于特定环境和操作要求的结构、设置、比例、元件、材料和组件的许多修改而不背离本文的原理和范围。这些以及其他的改变或修改旨在被包括在本文的范围内。

已经参考各种实施例做出了前文的详细说明。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在不脱离本文的范围的情况下进行各种修改和改变。因此，本文应被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这样的修改旨在被包括在本文的范围内。同样，上文中已经相对于各种实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。但是，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加明显的任何要素都不应被解释为是关键的、必需的或必要的特征或要素。

如本文所使用的，术语“包括”、“包含”及其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或设备不仅仅包括那些元素，而是可以包括未明确列出的或该过程、方法、系统、物品或设备所固有的其他元素。另外，如本文所使用的，术语“耦合”、“耦接”及其任何其他变体旨在覆盖物理连接、电连接、磁连接、光学连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

本领域技术人员将理解，可以在不脱离本文的基本原理的情况下对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本文的范围应由所附权利要求书确定。

Claims

1.一种无线手持式超声系统，其特征在于，包括：

超声前端，所述超声前端用于将超声波发射到对象中，并将接收到的超声回波转换为数字数据；

图像处理器，所述图像处理器被耦合至所述超声前端，以将所述数字数据转换为图像；和

功率部分，所述功率部分被耦合到所述超声前端和所述图像处理器，所述功率部分包括：

电池；

充电电路，所述充电电路用于为所述电池充电；和

无线功率换能器，所述无线功率换能器被耦合到所述充电电路，以将从外部源接收的无线功率转换为用于所述充电电路的电能。

2.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述超声前端包括：

换能器端口；

发射器，所述发射器用于产生电发射波形；

发射/接收开关，所述发射/接收开关用于在发射模式期间将所述电发射波形传送到所述换能器端口；和

超声换能器，所述超声换能器被耦合以从所述换能器端口接收所述电发射波形并根据所述电发射波形产生用于发射到所述对象中的超声波。

3.根据权利要求2所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述超声换能器将从所述对象接收的超声回波转换成电信号，其中，所述超声前端还包括：

接收器，所述接收器用于在接收模式期间从所述发射/接收电路接收电信号，并将所述电信号转换成所述数字数据。

4.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，还包括：

通信接口，所述通信接口用于将所述图像传输到后端处理器。

5.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，还包括通信接口，所述通信接口被配置成将所述图像发送到外部显示单元。

6.根据权利要求5所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述通信接口被配置成经由无线路径将所述图像发送到所述外部显示单元。

7.根据权利要求5所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述通信接口被配置成经由有线路径将所述图像发送到所述外部显示单元。

8.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述无线功率换能器被耦合以经由所述超声前端从所述外部源接收声能。

9.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述无线功率换能器经由感应从所述外部源接收无线功率。

10.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成当所述无线功率换能器正从所述外部源接收无线功率时，将所述电池连续充电至预定最大值。

11.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成经由无线路径与所述外部功率源通信。

12.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成将所述电池的功率水平传送至所述外部功率源。

13.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成将所述电池的估计充电时间传送至所述外部功率源。

14.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成将要求的无线功率水平传送至所述外部功率源。

15.根据权利要求14所述的无线手持式超声系统，其特征在于，当所述无线手持式超声系统与所述外部功率源相距小于10cm时，要求的功率水平是5W。

16.根据权利要求14所述的无线手持式超声系统，其特征在于，当所述无线手持式超声系统与所述外部功率源相距2至3米之间时，要求的功率水平为50mW。

17.根据权利要求14所述的无线手持式超声系统，其特征在于，当所述无线手持式超声系统与所述外部功率源相距大于三米时，要求的功率水平为5mW。

18.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成将要求的无线功率类型传送至所述外部功率源。

19.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，无线手持式超声系统包括定位器，所述定位器被配置成允许所述外部功率源在无线功率传输期间跟踪所述手持式超声系统。

20.根据权利要求1所述的无线手持式超声系统，其特征在于，所述充电电路被配置成将要求的无线功率充电方案传送给所述外部功率源。