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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Herzfrequenz eines Objektes. Spezieller betrifft die vorliegende Offenbarung insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Herzfrequenz eines Fötus von Herzschlag zu Herzschlag.
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Eine Fetalüberwachung (d. h. eine Überwachung des Zustands des Fötus während einer Schwangerschaft und während der Wehen und der Geburt) beinhaltet gewöhnlich eine Überwachung der Gebärmutteraktivität und der fetalen Herzfrequenz von Herzschlag zu Herzschlag. Die fetale Herzfrequenz, die einen Hinweis liefert, ob der Fötus ausreichend mit Sauerstoff versorgt ist, wird vorzugsweise von Herzschlag zu Herzschlag berechnet.
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Um ein die fetale Herzfrequenz kennzeichnendes Signal vor einem Blasensprung zu erhalten, ist der Einsatz einer nichtinvasiven Überwachungstechnik erforderlich. Die am häufigsten verwendete Messtechnik beinhaltet ein Messen der Dopplerverschiebung eines Ultraschallsignals, das durch das sich bewegende fetale Herz reflektiert ist.
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Gemäß einer bekannten Ultraschallerfassungstechnik wird ein Ultraschallwandler oder ein Ultraschallwandlerarray außen auf dem Abdomen der Schwangeren angeordnet und so ausgerichtet, dass die ausgesandten Ultraschallwellen auf das fetale Herz treffen. Die reflektierten Ultraschallwellen werden entweder durch denselben oder durch einen anderen Ultraschallwandler oder ein Ultraschallwandlerarray. Die Dopplerverschiebung der reflektierten Ultraschallwelle steht in einer direkten Beziehung zu der Geschwindigkeit der sich bewegenden Teile des Herzens, z. B. der Herzklappen und der Herzwände.
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Obwohl der Doppler-Ultraschall ein allgemein anerkanntes Verfahren zur Überwachung der fetalen Herzfrequenz ist, weist die fetale Herzfrequenzüberwachung mittels Ultraschall mehrere Nachteile auf. Einer dieser Nachteile ist, dass derzeitige Ultraschalleinrichtungen zur Überwachung der Fetalherzfrequenz eine fetale Herzfrequenz lediglich in einem beschränkten Volumen erfassen können, das sich in einem Fokus unmittelbar unterhalb der Ultraschallwandlersonde befindet. Falls sich der Fötus aus diesem mit Ultraschall abgetasteten Volumen bewegt, geht das fetale Herzfrequenzsignal möglicherweise vollständig verloren, was zu der Notwendigkeit führt, dass ein klinischer Arzt oder eine Krankenschwester die Position der Ultraschallsonde korrigieren muss, um das verlorene fetale Herzsignal zu finden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Herzfrequenz eines Fötus von Herzschlag zu Herzschlag. In einer offenbarten Ausführungsform wird der kontinuierliche, nicht invasive Fetalherzfrequenzmesswert mittels mehrerer Ultraschallwandler erzeugt, die in einer an das Abdomen einer Schwangeren angelegten Ultraschallsonde enthalten sind. Ein oder mehrere Ultraschallwandler erzeugen ein Ultraschallsignal bzw. einen Ultraschallstrahl, das bzw. der von dem fetalen Herz reflektiert und durch einen oder mehrere der Ultraschallwandler aufgenommen wird. Auf der Grundlage des aufgenommenen Signals berechnet der Fetalherzfrequenzmonitor die Herzfrequenz des Fötus.
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Der Fetalherzfrequenzmonitor gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält eine Ultraschallsonde, die an dem Abdomen der Patientin positioniert wird. In einer Ausführungsform gemäß der Offenbarung enthält die Ultraschallsonde mehrere einzelne Ultraschallwandler, die jeweils dazu eingerichtet sind, einen von dem Sondengehäuse ausgehenden Ultraschallstrahl zu erzeugen. In einer Ausführungsform enthält die Ultraschallsonde neun Ultraschallwandler.
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Die Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Offenbarung ist mit einer Abstrahlfläche ausgebildet, die an dem Gehäuse der Sonde angebracht oder daran ausgebildet ist. Sämtliche Ultraschallwandler sind so positioniert, dass der durch jeden der Wandler erzeugte Ultraschallstrahl die Abstrahlfläche durchläuft. In einer Ausführungsform sind die Ultraschallwandler an der Rückseite der Abstrahlfläche montiert.
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Die Abstrahlfläche ist dazu eingerichtet, den aus dem Gehäuse kommenden Ultraschallstrahl zu defokussieren. In einer Ausführungsform, die neun Ultraschallwandler aufweist, ist die Abstrahlfläche derart gestaltet, dass die Strahlachsen von acht äußeren Wandlern von der Mittelachse eines zentralen Ultraschallwandlers weg divergieren. Die Verwendung der Abstrahlfläche, um die Ultraschallstrahlen von jedem der mehreren Ultraschallwandler zu defokussieren, vergrößert den wirksamen Erfassungsbereich der Ultraschallsonde.
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Die Offenbarung ist ferner auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fetalherzfrequenzmonitors gerichtet, der eine Ultraschallsonde aufweist, die die mehreren Ultraschallwandler enthält. Der Fetalherzfrequenzmonitor kann Signale von mehreren Kombinationen der Ultraschallwandler senden und empfangen, wobei jede Kombination weniger als alle der mehreren Ultraschallwandler enthalten kann. Eine Steuereinrichtung für den Fetalherzfrequenzmonitor kann jede Kombination der mehreren Ultraschallwandler aktivieren. Nachdem jede Kombination aktiviert worden ist, kann die Steuereinrichtung ermitteln, welche der Kombinationen von Ultraschallwandlern den Herzschlag erfasst. Wenn die Steuereinrichtung feststellt, welche der Kombinationen den Herzschlag erfasst, betreibt die Steuereinrichtung lediglich die ermittelte Kombination, um die fetale Herzfrequenz zu überwachen.
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Falls mehr als eine Kombination der Ultraschallwandler den Herzschlag erfassen, ermittelt das System, welche Kombination die bei der Erfassung des Herzschlags am effektivsten ist. Basierend auf dieser Auswahl betreibt die Steuereinrichtung für die Überwachung der Herzfrequenz des Fötus lediglich die ausgewählte Kombination. Falls der Herzschlag, z. B. aufgrund einer Bewegung des Fötus, während der Überwachung verloren geht, aktiviert die Steuereinrichtung wieder sämtliche Kombinationen der Wandler, um zu ermitteln, welche Kombination den Herzschlag erfasst. Falls keine der Kombinationen einen Herzschlag erfasst, weist das System eine Bedienperson an, die Ultraschallsonde an dem Abdomen der Patientin zu bewegen.
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Vielfältige weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verdeutlicht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen veranschaulichen den besten Modus, der gegenwärtig zur Ausführung der Erfindung in Erwägung gezogen wird. In den Zeichnungen:
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1 veranschaulicht eine schwangere Patientin, die einen Fetalherzfrequenzmonitor nutzt;
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2 veranschaulicht schematisch die Ultraschallsonde, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung genutzt wird;
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3 veranschaulicht das mit Ultraschall abgetastete Volumen einer Ultraschallsonde aus dem Stand der Technik mit einer herkömmlichen, ebenen Abstrahlfläche;
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4 zeigt eine erste Ausführungsform der Abstrahlfläche der Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Abstrahlfläche der Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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6 veranschaulicht das erweiterte Ultraschallvolumen unter Verwendung der defokussierten Ultraschallsonde gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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7 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung den verbesserten Sichtbereich der Ultraschallsonde, die eine defokussierende Abstrahlfläche aufweist;
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8a veranschaulicht das Ultraschallvolumen und das Signal-Rausch-Verhältnis bei Aktivierung sämtlicher Ultraschallwandler;
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8b veranschaulicht schematisch das Ultraschallvolumen und das Signal-Rausch-Verhältnis, wenn lediglich eine Gruppierung der Ultraschallwandler aktiviert ist;
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8c veranschaulicht grafisch das Ultraschallvolumen und das Signal-Rausch-Verhältnis, wenn lediglich ein einziger Ultraschallwandler aktiviert ist;
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9a veranschaulicht eine grafische Darstellung, die den von einer ersten Gruppierung der Ultraschallwandler ausgehenden Ultraschallstrahl zeigt;
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9b veranschaulicht den von einem zweiten der Ultraschallwandler ausgehenden Ultraschallstrahl;
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10 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung eine Ausführungsform der Ultraschallwandlergruppierung;
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11 veranschaulicht in einem Flussdiagramm die Schritte, die genutzt werden, um für einen Monitor eine fetale Herzfrequenz unter Verwendung von weniger als der gesamten Anzahl der Ultraschallwandler zu suchen; und
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12 veranschaulicht schematisch die Betriebskomponenten des Fetalherzfrequenzmonitors.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 veranschaulicht einen Fetalherzfrequenzmonitor 10, der genutzt werden kann, um die Herzfrequenz eines Fötus einer schwangeren Patientin 12 zu überwachen. Obwohl der Fetalherzfrequenzmonitor 10 in 1 in einer exemplarischen Ausführungsform dargestellt ist, versteht es sich, dass der Fetalherzfrequenzmonitor viele sonstige Formen einnehmen könnte und dabei in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung arbeiten. Eine Baureihe eines Fetalherzfrequenzmonitors ist die Corometrics 170 Series, beziehbar von GE Healthcare.
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In der Ausführungsform nach 1 enthält der Fetalherzfrequenzmonitor eine Ultraschallsonde 14, die mittels eines Gurtes 18 an dem Bauch 16 der Patientin befestigt ist. Die Ultraschallsonde 14 ist in der Ausführungsform nach 1 veranschaulicht, wie sie über ein Kabel 20 mit dem Fetalherzfrequenzmonitor 10 verbunden ist. Allerdings könnte der Fetalherzfrequenzmonitor 10 in einer anderen möglichen Ausführungsform Daten mit der Ultraschallsonde 14 unter Verwendung einer drahtlosen Kommunikationstechnik austauschen.
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Der in 1 gezeigte Fetalherzfrequenzmonitor 10 weist eine Anzeigevorrichtung 22, beispielsweise einen Bildschirm oder eine Aufzeichnungsvorrichtung mit Druckausgabe, der bzw. die die überwachte Herzfrequenz des Fötus gewöhnlich anzeigt, auf. Der Anzeigebildschirm 22 kann dazu eingerichtet sein, andere überwachte Signale anzuzeigen, die in abgewandelten Ausführungsformen von der Patientin erhalten werden.
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Wenn der Fetalherzfrequenzmonitor 10 während des Betriebs eingeschaltet wird, erzeugen ein oder mehrere in der Ultraschallsonde 14 enthaltene Ultraschallwandler einen Ultraschallstrahl, der durch die Haut des Bauchs in das Innere der Patientin 12 gerichtet ist. Der Fetalherzfrequenzmonitor überwacht die Ultraschallsignale, die entweder zu denselben oder zu anderen in der Ultraschallsonde enthaltenen Ultraschallwandlern zurückgegeben werden, um das Schlagen des fetalen Herzens zu erfassen. Basierend auf von der Ultraschallsonde 14 akquirierten Daten berechnet der Fetalherzfrequenzmonitor 10 die fetale Herzfrequenz und zeigt die berechnete fetale Herzfrequenz in einer bekannten Weise auf der Anzeige 22 an.
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2 veranschaulicht eine Draufsicht auf die Ultraschallsonde 14, wobei die obere Hälfte des Außengehäuses 24 entfernt ist. In der Ausführungsform nach 2 weist das Außengehäuse 24 eine im Wesentlichen runde Außenwand mit einem vorspringenden Abschnitt 28 auf, der den Anschluss des Kabels von dem Fetalherzfrequenzmonitor ermöglicht.
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Die in 2 gezeigte Ultraschallsonde 14 enthält eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern 30, die in einem vorbestimmten Array angeordnet sind. In der Ausführungsform nach 2 enthält die Ultraschallsonde 14 neun einzelne Wandler, die jeweils voneinander unabhängig betrieben werden können. In der Konstruktion nach 2 ist ein zentraler Wandler 30a von acht äußeren Wandlern 30b–30i umgeben. Obwohl in 2 neun Ultraschallwandler gezeigt sind, sollte verstanden werden, dass eine andere Anzahl von Wandlern genutzt werden könnte und dabei in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung funktionieren würde. Die in 2 gezeigte Gruppe von neun Wandlern ist eine beliebte, verfügbare Ultraschallwandleranordnung, wie sie beispielsweise gegenwärtig in Monitoren der Serie Corometrics 170, beziehbar von GE Healthcare, enthalten ist.
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Während des Betriebs der Wandlersonde 14 erzeugt jeder der neun Ultraschallwandler gemäß bekannten praktischen Verfahren einen Ultraschallstrahl über eine im Wesentlichen ebene Abstrahlfläche 32, wie in 3 gezeigt. Die von dem Ultraschallwandler ausgehenden Ultraschallstrahlen erzeugen eine Erfassungsregion 34, die unterhalb der Abstrahlfläche 32 in unterschiedlichen Tiefen in etwa dieselbe Querschnittsfläche aufweist. In der Darstellung nach 3 ist der Erfassungsbereich 36a bei 50 mm in etwa gleich dem Erfassungsbereich 36b bei 100 mm und dem Erfassungsbereich 36c bei 150 mm. Das abgefragte Volumen ist im Wesentlichen zylindrisch.
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4 veranschaulicht eine erste Ausführungsform einer defokussierten Ultraschallsonde, die allgemein durch das Bezugszeichen 38 bezeichnet ist. Die defokussierte Ultraschallsonde 38 weist das Außengehäuse 24 mit einer Außenwand 26 auf. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Abstrahlfläche 40 an dem Gehäuse 24 ausgebildet und derart gekrümmt, dass die Ultraschallwandler 30 von einer Mittelachse der Ultraschallsonde weg gelenkt sind. Wie in 4 veranschaulicht, weist die Abstrahlfläche 40 eine Außenstirnfläche 42 und eine Innenstirnfläche 44 auf, die durch die Dicke der Abstrahlfläche 40 voneinander beabstandet sind. Wenn die Ultraschallsonde 38 im Einsatz ist, wird die Außenstirnfläche 42 in Berührung mit dem Bauch 16 der Patientin positioniert, so dass sich die von jedem der Ultraschallwandler 30 ausgehenden Ultraschallstrahlen, wie veranschaulicht, ins Innere der Patientin ausbreiten.
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Wie in 4 gezeigt, definieren die Außenstirnfläche 42 und die Innenstirnfläche 44 die konvex gestaltete Abstrahlfläche 40, die einen durch die Linie 46 gezeigten mittleren Krümmungsradius (ROC, Radius Of Curvature) aufweist. Der ROC kann auch als die Fokussierungstiefe bezeichnet sein, die sich in der Ausführungsform nach 4 hinter der Abstrahlfläche 40 befindet. In der Ausführungsform nach 4 beträgt die Fokussierungstiefe oder der Krümmungsradius 300 mm, obwohl selbstverständlich auch andere Konfigurationen als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend in Betracht kommen. In der Ausführungsform nach 4 ist die Dicke der Abstrahlfläche 40 kleiner als 1 mm.
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Wie in 4 veranschaulicht, erzeugt der zentrale Ultraschallwandler 30a einen Ultraschallstrahl, der längs einer Mittelachse 48 ausgesandt wird. Sämtliche der in 4 gezeigten äußeren Ultraschallwandler 30b und 30e erzeugen jeweils einen Ultraschallstrahl, der entlang einer Strahlachse 50b bzw. 50e ausgesandt wird. Die gekrümmte Form der Abstrahlfläche 40 bewirkt, dass die Strahlachse 50b, 50e jedes der äußeren Ultraschallwandler 30b, 30e von der Mittelachse 48 weg divergiert. Aus diesem Grund wird die Sonde 38 als eine defokussierte Sonde bezeichnet.
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Indem nun auf 5 Bezug genommen wird, ist eine zweite Ausführungsform einer defokussierten Ultraschallsonde 38 gezeigt. In der zweiten Ausführungsform weist die Abstrahlfläche 40 eine im Vergleich zu der Ausführungsform nach 4 abgewandelte Konfiguration auf. In der Ausführungsform nach 5 weist die Abstrahlfläche 40 eine gekrümmte Außenstirnfläche 42 und eine im Wesentlichen ebene Innenstirnfläche 56 auf. Sämtliche Ultraschallwandler 30 sind an der im Wesentlichen ebenen Innenstirnfläche 56 befestigt. In der Ausführungsform nach 5 ist die Abstrahlfläche 40 eine akustische Linse, wobei das Material so ausgewählt ist, dass die Dicke bewirkt, dass jede der Strahlachsen 50b, 50e von der Mittelachse 48 divergiert. In der Ausführungsform nach 5 ist das zur Bildung der Abstrahlfläche verwendete Material ein Material mit einer Schallgeschwindigkeit, die größer ist als diejenige des menschlichen Körpers, wie z. B. Cycolac®, und weist eine Gesamtdicke von weniger als 2 mm auf. Die Abstrahlfläche 40 weist ferner einen durch die Linie 58 gezeigten Krümmungsradius auf, obwohl die akustische Fokustiefe in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit in dem Linsenwerkstoff sehr unterschiedlich sein kann. In der Ausführungsform nach 5 kann die Krümmung sehr gering sein, so dass die Oberfläche nahezu planar ist, während die akustische Fokustiefe derjenigen des in 4 gezeigten Ansatzes mit wesentlich stärkerer Krümmung ähneln kann.
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Indem nun auf 6 Bezug genommen wird, ist nun die in 4 oder 5 gezeigte defokussierte Ultraschallsonde 38 veranschaulicht, wie sie die konvexe Außenstirnfläche 42 aufweist. Anders als im Falle der in 3 gezeigten Ausführungsform, erweitert sich die Erfassungsregion 34 unterhalb der Sonde mit wachsenden Abständen von der Außenstirnfläche 42. Insbesondere ist der Erfassungsbereich 36a in einer Entfernung von 50 mm von der Außenstirnfläche 42 kleiner als der Erfassungsbereich 36b bei 100 mm, der wiederum kleiner ist als der Erfassungsbereich 36c bei einem Abstand von 150 mm von der Außenstirnfläche 42. Wie ohne weiteres anhand eines Vergleichs von 3 und 6 verständlich, erweitert die defokussierte Ultraschallsonde 38 das Erfassungsvolumen, während dieselbe Anordnung von Ultraschallwandlerkonfiguration verwendet wird.
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7 veranschaulicht grafisch die Intensität des zusammengeführten Ultraschallstrahls in unterschiedlichen Abständen von dem Zentrum der Ultraschallsonde bei einer Tiefe von 150 mm von der Außenstirnfläche 42. Eine Linie 52 veranschaulicht die Intensität des Ultraschallstrahls bei der Verwendung der ursprünglichen, fokussierten Ultraschallsonde 14, wie sie in 3 gezeigt ist. Wie die Linie 52 zeigt, sinkt die Signalintensität in einem Abstand von etwa 33 mm von dem Zentrum der Sonde unter –10 dB.
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Eine Linie 54 veranschaulicht, dass die Intensität des Ultraschallstrahls bei Verwendung der defokussierten Ultraschallsonde 38 nach 4 bei etwa 42 mm unter –10 dB sinkt. Somit steigert die defokussierte Ultraschallsonde den Wirkradius von der Mittellinie von etwa 33 mm auf etwa 42 mm, was bei einer Entfernung von 150 mm von der Sonde eine 62%-ige Vergrößerung des Erfassungsbereichs ergibt.
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Obwohl zwei Ausführungsformen für die Abstrahlfläche 40 in 4 und 5 gezeigt sind, sollte es verständlich sein, dass vielfältige sonstige Konfigurationen als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend in Betracht kommen. Der Zweck der Abstrahlfläche 40 ist zu bewirken, dass die Strahlachsen der äußeren Ultraschallwandler von der Mittelachse des zentralen Ultraschallwandlers weg divergieren. Der divergierende Fokus der äußeren Wandlerelemente erzeugt einen erweiterten Erfassungsbereich, wie es bei dem Vergleich von 3 und 6 beschrieben ist.
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8 veranschaulicht wie die mehreren Ultraschallwandler in verschiedenen Kombinationen verwendet werden können, um die Größe des Ultraschallstrahls oder Spotlightstrahls zu vergrößern oder zu verkleinern. Eine parallele Aktivierung sämtlicher Ultraschallwandler ergibt nach 8a den größten Erfassungsbereich; allerdings kann das beste Signal-Rausch-Verhältnis durch Aktivieren lediglich eines einzigen Wandlers erreicht werden, der in die richtige Richtung weist. Durch Auswählen des richtigen einzelnen Ultraschallwandlerstrahls oder Spotlightstrahls sind wenigere Wandler aktiv, was die Leistung reduziert und die in den Körper hineine übertragene Energiemenge vermindert.
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8a veranschaulicht den Betrieb der Ultraschallwandler 30 in der defokussierten Ultraschallsonde 38. In der Ausführungsform nach 8a sind sämtliche der neun Ultraschallwandler gleichzeitig aktiviert, um den Ultraschallerfassungsbereich 60 zu erzeugen, der eine Strahlbündelbreite von 80 mm aufweist. Wie in 8a veranschaulicht, ist das fetale Herz 62 in dem Erfassungsbereich 60 enthalten und kann daher durch die defokussierte Ultraschallsonde 38 erfasst werden. Wenn sämtliche der neun Ultraschallwandler 30 aktiviert sind, beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) etwa –8 dB.
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8b veranschaulicht die Aktivierung lediglich einer einzigen Kombination von weniger als allen der mehreren Ultraschallwandler. In der Ausführungsform nach 8b sind drei der neun Ultraschallwandler, nämlich der zentrale Wandler 30a sowie die äußeren Wandler 30b und 30c, gleichzeitig aktiviert. Wenn die in 8b gezeigte Kombination aktiviert ist, wird ein kleinerer, stärker fokussierter Erfassungsbereich 64 erzeugt, der immer noch das fetale Herz 62 einschließt. In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Erfassungsbereich 64 eine Strahlbreite von etwa 50 mm auf, die kleiner ist als die 80 mm weite Strahlbreite des Erfassungsbereichs 60 nach 8a. Wie in 8b veranschaulicht, beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis des Erfassungsbereichs 64 0 dB, was gegenüber dem SNR, wenn alle neun der Ultraschallwandler aktiviert sind, wie es in 8a veranschaulicht ist, eine Verbesserung darstellt. Obwohl der Erfassungsbereich 64 im Verhältnis zu dem Erfassungsbereich 60 verkleinert ist, veranschaulicht das verbesserte SNR, dass die Verwendung lediglich einer ausgewählten Anzahl der Ultraschallwandler gegenüber der Verwendung sämtlicher der Ultraschallwandler eine Verbesserung darstellt, vorausgesetzt, dass sich das fetale Herz 62 innerhalb des Erfassungsbereichs 64 befindet.
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8c veranschaulicht nach ein weiteres alternatives Verfahren, in dem nur ein einziger Ultraschallwandler aktiviert wird. In der Ausführungsform nach 8c ist einer der äußeren Wandler 30b aktiviert. Es sollte allerdings verständlich sein, dass ein beliebiger einzelner der neun Ultraschallwandler genutzt werden könnte und dass jeder Wandler Strahlen erzeugen kann, die andere Orte in dem Körper akustisch erfassen.
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Der durch den einzelnen Ultraschallwandler erzeugte Erfassungsbereich 66 ist deutlich kleiner als der durch sämtliche neun Wandler erzeugte Erfassungsbereich 60. In der Ausführungsform nach 8c beträgt die Weite des Erfassungsbereichs 66 etwa 30 mm. Der in 8c gezeigte Erfassungsbereich 66 schließt das fetale Herz 62 ein und weist ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis von etwa +11 dB auf. Obwohl der in 8c gezeigte einzelne Ultraschallwandler ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt, ist die Größe des Erfassungsbereichs 66 im Vergleich zur Verwendung von neun oder drei Wandlern wesentlich reduziert.
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10 veranschaulicht grafisch ein Beispiel mehrerer Kombinationen der neun Wandler, die aktiviert werden können, um den Erfassungsbereich 64 nach 8b zu schaffen. In jeder Kombination sind drei Wandler gleichzeitig aktiviert. In einer Ausführungsform, die eine defokussierte Sonde aufweist, bewirkt die Abstrahlfläche, dass die von jedem der äußeren Wandler 30b–30i ausgehenden Ultraschallstrahlen von der durch den Ultraschallstrahl des zentralen Ultraschallwandlers 30a erzeugten Mittelachse divergieren. In der Ausführungsform nach 10 werden vier gesonderte Kombinationen der Ultraschallwandler vorgeschlagen. Die erste Kombination (A) enthält den zentralen Wandler 30a und die äußeren Wandler 30b und 30c. Die zweite Kombination (B) enthält den zentralen Wandler 30a und die äußeren Wandler 30d und 30e. Die dritte Kombination (C) enthält den zentralen Wandler 30a und die äußeren Wandler 30f und 30g. Die vierte und letzte Kombination (D) enthält den zentralen Wandler 30a und die äußeren Wandler 30h und 30i. Obwohl vier vorgeschlagene Kombinationen in 10 gezeigt sind, kommt in Betracht, dass zusätzliche Kombinationen vorgeschlagen und genutzt werden könnten und dabei in dem Umfang der vorliegenden Offenbarung funktionieren würden.
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Zusätzlich zu einem Kombinieren mehrerer Ultraschallwandler, um eine Kombination zu schaffen, kommt auch in Betracht, dass jeder der einzelnen Ultraschallwandler individuell als eine der vorgeschlagenen Kombinationen betrieben werden könnte.
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9a veranschaulicht den Betrieb eines einzelnen Wandlers, der einen ”Spotlight”(Scheinwerfer)-Effekt erzeugt, um den fetalen Herzschlag zu suchen. In der Ausführungsform nach 9a wird der äußere Ultraschallwandler 30b betrieben, um den Ultraschallstrahl 68 zu erzeugen. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Ultraschallstrahl 68 längs der Strahlachse 50b zentriert. Wie in 9a veranschaulicht, deckt der zentrale Abschnitt 70 des Ultraschallstrahls 68 bei einer Tiefe von 150 mm einen Bereich von etwa –30 mm bis etwa –65 mm ausgehend von der Mittelachse des Gehäuses ab. Die zentralen Abschnitte 70 zeigen die optimale Empfindlichkeit für diesen Strahl oder ein Signal von –6 dB an. Das äußere Profil ist ein –10 dB-Indikator für den Strahl, der breiter ist, wobei die Signalempfindlichkeit mäßig gut ist. Die defokussierende Sonde kann derart eingerichtet sein, dass sich die –10 dB-Profile der von verschiedenen Wandlerelementen 30a und 30b ausgehenden Strahlen überlappen, so dass das gesamte Volumen durch die verfügbaren Elemente ausreichend abgetastet ist.
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Alternativ kann der zentrale Ultraschallwandler 30a, wie in 9b gezeigt, allein aktiviert werden. Der von dem zentralen Wandler 30a ausgehende Ultraschallstrahl 68 erstreckt sich längs der Mittelachse 48. In derselben Tiefe von 150 mm deckt der zentrale Abschnitt 70 einen Bereich von etwa –20 bis +20 mm ausgehend von der Mittelachse der Ultraschallsonde ab. Wie anhand 9a und 9b verstanden werden kann, ermöglicht der sequentielle Betrieb jedes einzelnen der individuellen Ultraschallwandler, dass die Ultraschallsonde verschiedene Bereiche unterhalb der Ultraschallsonde selektiv anstrahlt. Wie in 8c beschrieben, weist das gesteigerte Signal-Rausch-Verhältnis, obwohl der Erfassungsbereich 66 im Verhältnis zu der gleichzeitigen Aktivierung sämtlicher neun Ultraschallwandler vermindert ist, Vorteile auf, wie sie im Vorausgehenden beschrieben sind.
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Das System kann wählen, beliebige(n) der Ultraschallwandler in einem Muster zu aktivieren, um nach dem besten Herzfrequenzsignal zu suchen.
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Wie aus den Ausführungsformen nach 9a und 9b verstanden werden kann, kommt, da alle der Wandler einen Ultraschallstrahl erzeugen, die aufgrund der defokussierenden Abstrahlfläche voneinander divergieren, in Betracht, dass die Ultraschallsonde genutzt werden könnte, um zwei fetale Herzschläge zu überwachen, z. B. falls die Patientin mit Zwillingen schwanger ist. In einer solchen Ausführungsform würden ein oder mehrere der Ultraschallwandler den ersten fetalen Herzschlag anfordern, während eine zweite Kombination der mehreren Wandler den zweiten fetalen Herzschlag erfassen könnte. Sobald die beiden Herzschläge erfasst sind, würde das System mit der Überwachung der einzelnen Herzschläge unter Verwendung unterschiedlicher Kombinationen des Ultraschallwandlers fortfahren.
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Obwohl die in 8–10 gezeigte Ausführungsform als eine defokussierte Ultraschallsonde 38 verwendend beschrieben ist, die eine Abstrahlfläche aufweist, sollte es verständlich sein, dass dasselbe Verfahren in Zusammenhang mit einer standardmäßigen Ultraschallsonde genutzt werden könnte, die eine im Wesentlichen ebene Abstrahlfläche aufweist.
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Indem nun auf 12 Bezug genommen wird, ist dort eine schematische Darstellung der Betriebskomponenten des Fetalherzfrequenzmonitors 10 veranschaulicht. Der Fetalherzfrequenzmonitor 10 enthält eine Steuereinrichtung 90, die wirksam ist, um den Betrieb des Patientenmonitors zu steuern, was eine Auswahl der zu aktivierenden Ultraschallwandler, Erzeugung von Ultraschallanregungssignalen, und Doppler-Verarbeitung der aufgenommenen Signale enthalten kann. Die Steuereinrichtung 90 ist gezeigt, wie sie über ein Kabel 20 mit der defokussierten Ultraschallsonde 38 verbunden ist. Über das Kabel 20 kann die Steuereinrichtung 90 den selektiven Betrieb der in dem Sondengehäuse 24 enthaltenen Wandler 30 steuern. Wie zuvor beschrieben, sind sämtliche Ultraschallwandler 30 hinter der Abstrahlfläche 40 angeordnet.
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Die Steuereinrichtung 90 ist ferner mit einer Anzeige 92 verbunden, um dem Bediener die erfasste fetale Herzfrequenz visuell anzuzeigen. Die Steuereinrichtung kann vorzugsweise außerdem ein Eingabegerät 94 aufweisen, das es der Bedienperson ermöglicht, nach Wunsch Informationen in die Steuereinrichtung einzugeben.
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11 veranschaulicht ein vorgeschlagenes Verfahren zum Betreiben der Ultraschallsonde, die die mehreren Ultraschallwandler, z. B. die in 10 gezeigten neun Ultraschallwandler, enthält.
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Zu Beginn kann ein klinischer Arzt die defokussierte Ultraschallsonde, die die Abstrahlfläche aufweist, an dem Bauch einer Patientin anordnen. Nachdem die Ultraschallsonde positioniert ist, aktiviert die Steuereinrichtung, wie in Schritt 72 veranschaulicht, sämtliche neun der Ultraschallwandler. In der in 10 gezeigten Ultraschallsonde aktiviert die Steuereinrichtung alle neun Ultraschallsonden, um den breitesten Erfassungsbereich, wie in 8a gezeigt, zu erzeugen, der ausgehend von der Ultraschallsonde möglich ist.
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Die Steuereinrichtung bestimmt in Schritt 74, ob der Herzschlag von dem Fötus erfasst wurde. Der Schritt der Bestimmung, ob der Herzschlag erfasst wurde, kann mehrere Zyklen erfordern, bevor die Steuereinrichtung bestimmt, ob der Herzschlag erfasst wurde. Falls der Herzschlag in Schritt 74 nicht erfasst wurde, wird der Bediener die Sonde, wie in Schritt 76 veranschaulicht, bewegen und versuchen, das fetale Herzsignal zu lokalisieren.
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Wenn die Steuereinrichtung bestimmt hat, dass die Sonde sich in Position befindet, so dass wenigstens einer der Ultraschallwandler die fetale Herzfrequenz erfasst, kann der Bediener der Steuereinrichtung signalisieren, dass sie den optimalen Ultraschallwandler für eine Verfolgung der Herzfrequenz ermitteln soll. Die Steuereinrichtung aktiviert sämtliche der Kombinationen von Wandlern nacheinander, wie in Schritt 78 veranschaulicht. Wie in Bezug auf 10 beschrieben, werden vier mögliche Kombinationen (A–D) der drei Wandler jeweils für die neun Ultraschallwandler aufweisende Konfiguration nach 10 vorgeschlagen. Alternativ könnte jede Kombination lediglich einen der neun Wandler enthalten, oder es könnten nach Wunsch andere Kombinationen gebildet werden.
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Während die Steuereinrichtung jede der Kombinationen der neun Wandler aktiviert, ermittelt die Steuereinrichtung, ob jede Kombination die fetale Herzfrequenz erfasst, und sie ermittelt außerdem die relative Signalstärke der Herzfrequenz. Da jede Kombination von Wandlern einen kombinierten Ultraschallstrahl erzeugt, der aufgrund der defokussierenden Abstrahlfläche eine andere Richtungskomponente aufweist, kommt in Betracht, dass einige der Kombinationen die fetale Herzfrequenz erfassen werden.
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Nachdem die Steuereinrichtung sämtliche der Kombinationen der Wandler durchlaufen hat, ermittelt die Steuereinrichtung in Schritt 80, welche der Kombinationen die beste Herzfrequenzsignalstärke erbrachte. Gewöhnlich wird dieser Vergleich mittels anwenderspezifischer oder bestehender Signalanalyseverfahren durchgeführt.
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Nachdem die Steuereinrichtung in Schritt 80 die Kombination von Wandlern mit der besten Signalstärke ausgewählt hat, betreibt die Steuereinrichtung den Fetalherzfrequenzmonitor, um die fetale Herzfrequenz, wie in Schritt 82 veranschaulicht, fortlaufend unter Verwendung der ausgewählten besten Kombination zu erfassen. Da die vorgeschlagene Kombination drei Wandler enthält, wird der Erfassungsbereich und das Signal-Rausch-Verhältnis durch die Darstellung nach 8b approximiert. Die Verwendung eines Verfahrens mit zyklischem Durchlaufen der mehreren Kombinationen ermöglicht es der Steuereinrichtung, zunächst zu suchen, welche Kombination die fetale Herzfrequenz am besten erfasst, und, nachdem die beste Kombination ermittelt ist, die fetale Herzfrequenz unter Verwendung lediglich der ausgewählten Kombination fortlaufend zu überwachen. Dieses Verfahren erweitert den effektiven gesamten Erfassungsbereich der Ultraschallsonde, während das Signal-Rausch-Verhältnis während der fortlaufenden Überwachung erhöht wird.
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Während der Überwachung der fetalen Herzfrequenz, ermittelt die Steuereinrichtung, ob der Herzschlag möglicherweise verloren ist, wie in Schritt 84 veranschaulicht. Da der Fötus sich in der schwangeren Patientin bewegt, kann sich die Lage des Fötus ändern, was zu einem Verlust des Herzschlagsignals führen kann. Falls die Steuereinrichtung in Schritt 84 feststellt, dass der Herzschlag verloren ist, kehrt die Steuereinrichtung zu Schritt 72 zurück und aktiviert sämtliche der Ultraschallwandler um zu ermitteln, ob sich die fetale Herzfrequenz noch in einer Erfassungsposition unterhalb der Ultraschallsonde befindet. Falls der Herzschlag in Schritt 74 wieder erfasst wird, fährt das Verfahren wie beschrieben fort. Falls der Fötus sich jedoch wesentlich bewegt hat und nicht mehr durch die Ultraschallsonde erfasst werden kann, meldet das System dem Bediener, dass die Sonde bewegt werden muss, wie in Schritt 76 veranschaulicht.
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Falls die Steuereinrichtung in Schritt 84 feststellt, dass der Herzschlag nicht verloren wurde, kann das System erneut mit Schritt 78 beginnend wieder verschiedene Wandlerkombinationen zyklisch durchlaufen, um die optimale Sensorkonfiguration zu ermitteln. Um eine konstante und konsistente optimale Verfolgung der fetalen Herzfrequenz zu erhalten, können diese Neukalibrierungsschritte sogar dann ausgeführt werden, wenn das fetale Herzsignal nicht verloren ist. Falls das System in Schritt 86 ermittelt, dass der Zeitpunkt für eine neue Kalibrierung erreicht ist, kehrt das System zu Schritt 78 zurück und aktiviert alle der Kombinationen der Ultraschallwandler. Es kommt in Betracht, dass eine Neukalibrierung in einem regelmäßigen Intervall, z. B. alle fünf, zehn oder fünfzehn Minuten, stattfinden kann.
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Die Steuereinrichtung fährt fort, dem Flussdiagramm nach 11 zu folgen, und überwacht die fetale Herzfrequenz je nach Wunsch.
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In einer abgewandelten Ausführungsform kann das System in Schritt 72, anstelle einer Aktivierung sämtlicher der neun Ultraschallwandler, lediglich den zentralen Ultraschallwandler aktivieren. Die Verwendung lediglich des zentralen Wandlers wird es einem Bediener gestatten, die Ultraschallsonde so zu positionieren, dass der zentrale Wandler in der Lage ist, die fetale Herzfrequenz zu erfassen. Wenn der zentrale Ultraschallwandler die fetale Herzfrequenz erfassen kann, ist die Ultraschallsonde am besten um den Fötus zentriert, so dass im Falle einer geringfügigen Bewegung des Fötus mit großer Wahrscheinlichkeit ein oder mehrere der äußeren Wandler in der Lage sein werden, den Fötus zu erfassen. Ein optimales Zentrieren der Sonde zu Beginn wird dem Fötus einen größeren Bewegungsbereich erlauben, ohne dass der Bediener die Sonde neu positionieren muss.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus, zu beschreiben und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Ein kontinuierlicher, nicht invasiver Fetalherzfrequenzmesswert wird mittels einer Ultraschallsonde
14 erzeugt, die auf dem Abdomen
16 der Mutter
12 angeordnet wird. Die Ultraschallsonde
14 enthält mehrere Ultraschallwandler
30, die in einem Gehäuse
24 angeordnet sind, das eine Abstrahlfläche
32 aufweist. Die Abstrahlfläche
32 ist dazu eingerichtet, die einzelnen Ultraschallstrahlen, die durch die mehreren Ultraschallwandler
30 erzeugt werden, zu defokussieren. Die Abstrahlfläche
32 defokussiert die Ultraschallstrahlen und erzeugt einen weiteren Erfassungsbereich für die Ultraschallsonde
14. Die Steuereinrichtung
90, die in dem Herzfrequenzmonitor
10 enthalten ist, aktiviert selektiv verschiedene Kombinationen der mehreren Ultraschallwandler
30, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verringern, während sie der Ultraschallsonde
14 erlaubt, den fetalen Herzschlag zu lokalisieren und anschließend das Signal-Rausch-Verhältnis während einer kontinuierlichen Herzfrequenzüberwachung zu steigern. Teileliste:
| Bezeichnung | Bezugszeichen |
| Fetalherzfrequenzmonitor | 10 |
| Schwangere Patientin | 12 |
| Ultraschallsonde | 14 |
| Abdomen, Bauch | 16 |
| Kabel | 20 |
| Anzeige | 22 |
| Sondengehäuse | 24 |
| Wand | 26 |
| Abschnitt | 28 |
| Ultraschallwandler | 30 |
| Ultraschallwandler | 30b |
| Ultraschallwandler | 30a |
| Ultraschallwandler | 30f |
| Ultraschallwandler | 30d |
| Ultraschallwandler | 30h |
| Abstrahlfläche, Sendefläche | 32 |
| Erfassungsregion | 34 |
| Erfassungsbereich | 36c |
| Erfassungsbereich | 36a |
| Erfassungsbereich | 36b |
| Defokussierte Ultraschallsonde | 38 |
| Sendelinse | 40 |
| Gekrümmte Außenfläche | 42 |
| Oberfläche | 44 |
| Linie | 46 |
| Achse | 48 |
| Strahlachse | 50b |
| Linie | 52 |
| Linie | 54 |
| Planare Innenfläche | 56 |
| Linie | 58 |
| Erfassungsbereich | 60 |
| Fetales Herz | 62 |
| Erfassungsbereich | 64 |
| Erfassungsbereich | 66 |
| Strahl | 68 |
| Abschnitt | 70 |
| Schritt | 72 |
| Schritt | 74 |
| Schritt | 76 |
| Schritt | 78 |
| Schritt | 80 |
| Schritt | 82 |
| Schritt | 84 |
| Schritt | 86 |
| Steuereinrichtung | 90 |
| Anzeige | 92 |
| Eingabegerät | 94 |
