RU211777U1

RU211777U1 - ULTRASONIC DEVICE FOR DIAGNOSTICS OF SOLID INCLUSIONS

Info

Publication number: RU211777U1
Application number: RU2022102117U
Authority: RU
Inventors: Денис Владимирович Леонов; Николай Сергеевич Кульберг; Татьяна Викторовна Яковлева
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2022-06-22

Abstract

Техническое решение относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в медицинской диагностике для регулярного самоконтроля пациентов с подозрениями на мочекаменную болезнь и для поиска кальцинатов в мягких тканях. Диагностический режим, предназначенный для обнаружения твердых включений при ультразвуковом допплеровском исследовании, действующий на основании способа выявления твердых включений при акустической визуализации (патент RU 2665223) и описанный в статье «Диагностический режим обнаружения кальцинатов и конкрементов при ультразвуковом исследовании» Кульберга Н.С. и соавторов (РАДИОЛОГИЯ - ПРАКТИКА, 2018, №1 (67), с. 37-49), является наиболее близким к тому режиму диагностики, который реализуется заявляемым устройством. Недостатком данного технического решения является то, что в случае самоконтроля не предусмотрена непосредственная связь между устройством и лечащим врачом или медицинским учреждением. Заявляемое устройство обеспечивает возможность диагностики твердых включений при амбулаторном осмотре, в том числе без непосредственного участия медицинского персонала, и передачи результатов диагностики в лечебное учреждение. Данный технический результат обеспечивается включением в состав устройства антенны. Использование предложенного технического решения позволяет сообщать врачу об обнаружении твердых включений, которыми могут быть, например, камни, образующиеся в почках и мочевых протоках, микрокальцинаты в молочной железе и других мягких тканях, другие объекты, по плотности отличающиеся от окружающих тканей, обнаружение которых может свидетельствовать о заболевании.

The technical solution relates to the field of medical instrumentation, in particular to devices for ultrasonic echolocation of internal organs, and can be used in medical diagnostics for regular self-monitoring of patients with suspected urolithiasis and for searching for calcifications in soft tissues. Diagnostic mode designed to detect solid inclusions during ultrasound Doppler examination, acting on the basis of the method for detecting solid inclusions during acoustic imaging (patent RU 2665223) and described in the article “Diagnostic mode for detecting calcifications and calculi during ultrasound examination” by Kulberg N.S. and co-authors (RADIOLOGY - PRACTICE, 2018, No. 1 (67), pp. 37-49), is the closest to the diagnostic mode that is implemented by the claimed device. The disadvantage of this technical solution is that in the case of self-control, a direct connection between the device and the attending physician or medical institution is not provided. The claimed device provides the possibility of diagnosing solid inclusions during an outpatient examination, including without the direct participation of medical personnel, and transferring the diagnostic results to a medical institution. This technical result is provided by the inclusion of an antenna in the device. The use of the proposed technical solution allows you to inform the doctor about the detection of solid inclusions, which can be, for example, stones formed in the kidneys and urinary ducts, microcalcifications in the mammary gland and other soft tissues, other objects that differ in density from the surrounding tissues, the detection of which may indicate about the disease.

Description

Полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована в медицинской диагностике как при обследовании врачом, так и для регулярного самоконтроля пациентов с подозрениями на мочекаменную болезнь, а также для поиска кальцинатов в мягких тканях.The utility model relates to the field of medical instrumentation, in particular to devices for ultrasonic echolocation of internal organs, and can be used in medical diagnostics both during examination by a doctor and for regular self-monitoring of patients with suspected urolithiasis, as well as for searching for calcifications in soft tissues.

Из уровня техники известно ультразвуковое устройство [1] для обнаружения твердых включений (ТВ). Под ТВ могут пониматься, например, микрокальцинаты, кальцинаты, камни, возникающие при нефро-, уретролитиазе и др. заболеваниях, связанных с отложением солей, пузырьки, стенты, титановые скрепки и пр. Устройство [1] содержит одноэлементный ультразвуковой (УЗ) датчик, аналого-цифровой преобразователь, средство передачи данных в блок обработки, блок обработки, состоящий из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и процессора, и систему обмена информацией с пользователем. Недостатком данного технического решения является то, что диагностика осуществляется лишь на основе информации об амплитуде отраженного сигнала. Точность такого метода невелика, поскольку по амплитуде сигнал от ТВ не всегда может быть отличим от сигнала от тканей [2]. Амплитуда сигнала не связана с физическими особенностями взаимодействия ультразвуковых полей с ТВ [3].The prior art ultrasonic device [1] for the detection of solid inclusions (TS). Under TB can be understood, for example, microcalcifications, calcifications, stones that occur with nephro-, urethrolithiasis and other diseases associated with the deposition of salts, bubbles, stents, titanium clips, etc. The device [1] contains a single-element ultrasonic (US) sensor, an analog-to-digital converter, means for transmitting data to a processing unit, a processing unit consisting of random access memory (RAM) and a processor, and an information exchange system with a user. The disadvantage of this technical solution is that the diagnosis is carried out only on the basis of information about the amplitude of the reflected signal. The accuracy of this method is low, since the signal from the TV cannot always be distinguished from the signal from the tissues in amplitude [2]. The signal amplitude is not related to the physical features of the interaction of ultrasonic fields with TV [3].

Диагностический режим, предназначенный для обнаружения твердых включений при ультразвуковом допплеровском исследовании, действующий на основании способа выявления твердых включений при акустической визуализации [4] и описанный в статье [5], является наиболее близким к тому режиму диагностики, который реализуется заявляемым устройством. Недостатками режима, описанного в [5], являются дороговизна, трудность изготовления, трудности интерпретации результатов и высокие требования к квалификации работающего с устройством медицинского персонала. В отличие от режима, описанного в [5], режим диагностики, в котором используется предлагаемая полезная модель, характеризуется как узкой специализацией, а именно заявляемая полезная модель предназначена только для обнаружения ТВ, так и возможностью осуществления непосредственно связи с легчающим врачом или медицинским учреждением в случае самоконтроля устройства пациентом или консультационной связи лечащего врача с более опытным специалистом. За счет узкой специализации достигается дешевизна, легкость изготовления и применения. Возможность осуществления непосредственной связи делает диагностику надежнее и быстрее, чем при опосредованной связи.The diagnostic mode designed to detect solid inclusions in ultrasonic Doppler examination, operating on the basis of the method for detecting solid inclusions in acoustic imaging [4] and described in article [5], is the closest to the diagnostic mode implemented by the claimed device. The disadvantages of the mode described in [5] are high cost, difficulty in manufacturing, difficulties in interpreting the results, and high requirements for the qualifications of medical personnel working with the device. Unlike the mode described in [5], the diagnostic mode, in which the proposed utility model is used, is characterized by both a narrow specialization, namely, the claimed utility model is intended only for detecting TV, and the possibility of direct communication with the attending physician or medical institution in in the case of self-monitoring of the device by the patient or consultation of the attending physician with a more experienced specialist. Due to narrow specialization, low cost, ease of manufacture and use are achieved. The possibility of direct communication makes diagnostics more reliable and faster than indirect communication.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение передачи результатов диагностики в лечебное учреждение в режиме on-line, что невозможно при использовании диагностического режима, описанного в [5], являющегося прототипом заявляемой полезной модели.The task to be solved by the claimed utility model is to ensure the transfer of diagnostic results to a medical institution in on-line mode, which is impossible when using the diagnostic mode described in [5], which is the prototype of the claimed utility model.

Решение задачи достигается тем, что предлагаемое устройство дополнительно содержит антенну и модуль радиопередачи, способный передавать в медицинское учреждение или непосредственно лечащему врачу информацию о результатах обследования по сетям сотовой связи для последующего анализа и принятия решения. Для передачи данных также могут использоваться модули Bluetooth и Wi-Fi.The solution of the problem is achieved by the fact that the proposed device additionally contains an antenna and a radio transmission module capable of transmitting information about the results of the examination via cellular networks to a medical institution or directly to the attending physician for subsequent analysis and decision making. Bluetooth and Wi-Fi modules can also be used for data transfer.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение удобства использования устройства с одновременным ускорением и повышением надежности передачи информации врачу за счет снабжения устройства средством дистанционной передачи диагностических данных.The technical result provided by the above combination of features is to increase the usability of the device while accelerating and increasing the reliability of transmitting information to the doctor by providing the device with a means of remote transmission of diagnostic data.

На Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого технического решения. Устройство состоит из ультразвукового датчика 1, выходного усилителя мощности 2, формирователя зондирующего сигнала 3, входного усилителя мощности 4, аналого-цифрового преобразователя 5, цифрового процессора 6, блока расчета амплитуды сигнала 7, блока расчета мощности 8, блока расчета абсолютной величины попарной корреляции 9, блок расчета абсолютной величины корреляции действительной и мнимой частей сигнала 10, устройства сравнения с порогом и принятия решения 11, устройства ввода данных 12, экрана 13, цифроаналогового преобразователя 14, усилителя звукового сигнала 15, громкоговорителя 16, цветового индикатора 17, источника питания 18 и источника низкочастотного акустического сигнала 19, антенны 20, модуля радиопередачи по сетям сотовой связи 21.On FIG. 1 shows a block diagram of the proposed technical solution. The device consists of an ultrasonic sensor 1, an output power amplifier 2, a probing signal shaper 3, an input power amplifier 4, an analog-to-digital converter 5, a digital processor 6, a signal amplitude calculation unit 7, a power calculation unit 8, and a pairwise correlation absolute value calculation unit 9 , a block for calculating the absolute value of the correlation of the real and imaginary parts of the signal 10, a device for comparing with a threshold and making a decision 11, a data input device 12, a screen 13, a digital-to-analog converter 14, an audio signal amplifier 15, a loudspeaker 16, a color indicator 17, a power source 18 and low-frequency acoustic signal source 19, antenna 20, radio transmission module over cellular networks 21.

Все элементы связаны между собой следующим образом. Ультразвуковой датчик 1 через выходной усилитель мощности 2 соединен с формирователем зондирующего сигнала 3 и через входной усилитель мощности 4 и аналого-цифровой преобразователь 5 соединен с цифровым процессором 6. В состав цифрового процессора 6 входят блок расчета амплитуды сигнала 7, блок расчета мощности 8, блок расчета абсолютной величины попарной корреляции 9, блок расчета абсолютной величины корреляции действительной и мнимой частей сигнала 10. Рассчитанные данные с этих блоков поступают на вход устройства сравнения с порогом и принятия решения 11. Устройство содержит источник питания 18, который может быть выполнен в виде встроенного аккумулятора для обеспечения устройства автономным электропитанием или в виде адаптера питания, преобразующего напряжение доступных источников, например, напряжение домашней сети, в постоянное напряжение необходимой для работы устройства величины. Громкоговоритель 16 соединен с цифроаналоговым преобразователем 14 через усилитель звукового сигнала 15. Цветовой индикатор 17 управляется цифровым процессором 6. Источник низкочастотного акустического сигнала 19 соединен с цифровым процессором 6. Антенна 20 соединена с цифровым процессором 6 через модуль радиопередачи 21.All elements are interconnected as follows. The ultrasonic sensor 1 is connected through the output power amplifier 2 to the probing signal shaper 3 and through the input power amplifier 4 and the analog-to-digital converter 5 is connected to the digital processor 6. The digital processor 6 includes the signal amplitude calculation unit 7, the power calculation unit 8, the calculating the absolute value of the pairwise correlation 9, a block for calculating the absolute value of the correlation of the real and imaginary parts of the signal 10. The calculated data from these blocks are fed to the input of the device for comparing with the threshold and making a decision 11. The device contains a power source 18, which can be made in the form of a built-in battery to provide the device with an autonomous power supply or in the form of a power adapter that converts the voltage of available sources, for example, the voltage of a home network, into a constant voltage of the value necessary for the operation of the device. Loudspeaker 16 is connected to digital-to-analogue converter 14 through audio signal amplifier 15. Color indicator 17 is controlled by digital processor 6. Low-frequency acoustic signal source 19 is connected to digital processor 6. Antenna 20 is connected to digital processor 6 via radio transmission module 21.

Работает устройство следующим образом. Для поиска ТВ ультразвуковым датчиком 1 испускается зондирующий сигнал в предположительное место нахождения ТВ. При обнаружении такого объекта громкоговоритель 16 издает звуковой сигнал, загорается цветовой индикатор 17. При этом с помощью модуля радиопередачи по каналу сотовой связи 21 и антенны 20 лечащему врачу сообщается факт обнаружения ТВ и глубина ее расположения. Эта информация также может быть передана при помощи модулей Wi-Fi и Bluetooth на компьютер в медицинском учреждении для оценки динамики протекания заболевания.The device works as follows. To search for TV, the ultrasonic sensor 1 emits a probing signal to the presumed location of the TV. When such an object is detected, the loudspeaker 16 emits an audible signal, the color indicator 17 lights up. At the same time, using the radio transmission module over the cellular communication channel 21 and the antenna 20, the attending physician is informed of the fact of detection of the TV and the depth of its location. This information can also be transmitted using Wi-Fi and Bluetooth modules to a computer in a medical institution to assess the dynamics of the course of the disease.

Зондирующий сигнал представляет собой пачку импульсов, формируемых в блоке 3 и усиливаемых усилителем 2. При этом импульсы характеризуются несущей частотой ƒ₀ (порядка 1-10 МГц), а также частотой повторения PRF, определяемой максимальной глубиной зондирования. Так, при зондировании на глубине до 6 см частота повторения импульсов не должна превышать 12,8 кГц.The probing signal is a burst of pulses generated in block 3 and amplified by amplifier 2. In this case, the pulses are characterized by a carrier frequency ƒ ₀ (of the order of 1-10 MHz), as well as a repetition frequency PRF, determined by the maximum probing depth. So, when sounding at a depth of up to 6 cm, the pulse repetition rate should not exceed 12.8 kHz.

Ультразвуковой датчик на основе прямого и обратного пьезоэффектов преобразует электрический сигнал в ультразвуковой импульс и наоборот.An ultrasonic transducer, based on direct and inverse piezoelectric effects, converts an electrical signal into an ultrasonic pulse and vice versa.

Принятый датчиком эхо-сигнал поступает на входной усилитель мощности 4, который выполняет усиление сигнала на несущей частоте ƒ₀ в полосе частот, согласованной с длительностью каждого зондирующего импульса.The echo signal received by the sensor is fed to the input power amplifier 4, which amplifies the signal at the carrier frequency ƒ ₀ in the frequency band, consistent with the duration of each probing pulse.

После усиления, выполняемого с помощью входного усилителя мощности 4, аналого-цифровой преобразователь 5 производит преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с частотой дискретизации ƒ_s, как минимум вдвое превышающей ширину спектра оцифровываемого сигнала.After the amplification performed by the input power amplifier 4, the analog-to-digital converter 5 converts the signal from analog to digital form with a sampling frequency ƒ _s that is at least twice the width of the spectrum of the digitized signal.

Дальнейшая обработка происходит в цифровом процессоре 6. В нем производится согласованная фильтрация. Далее сигнал подвергается преобразованию Гильберта, умножается на комплексную экспоненту на частоте ƒ₀. Полученный аналитический сигнал разветвляется: по одной ветви сигнал поступает в блок 7, где рассчитываются его амплитуда, другая ветвь ведет сигнал через фильтр высоких частот в блоки 8-10, где рассчитываются мощность, абсолютные величины попарной корреляции и корреляции действительной и мнимой частей сигнала, соответственно. В устройстве сравнения с порогом и принятия решения 11 рассчитанные значения блоков 7-10 сравниваются с порогами и принимается решение об обнаружении или отсутствии сигнала ТВ. В случае обнаружения подается звуковой сигнал громкоговорителя 16 и цветовой сигнал индикатора 17.Further processing takes place in the digital processor 6. It performs consistent filtering. Further, the signal is subjected to the Hilbert transform, multiplied by the complex exponent at a frequency ƒ ₀ . The resulting analytical signal branches: one branch of the signal enters block 7, where its amplitude is calculated, the other branch leads the signal through a high-pass filter to blocks 8-10, where the power, absolute values of pairwise correlation and correlation of the real and imaginary parts of the signal are calculated, respectively . In the device for comparing with the threshold and making a decision 11, the calculated values of blocks 7-10 are compared with the thresholds and a decision is made on the detection or absence of a TV signal. In case of detection, the sound signal of the loudspeaker 16 and the color signal of the indicator 17 are given.

Цифровой процессор 6 обеспечивает решение следующих основных задач: цифровую обработку сигналов и анализ результатов измерений; формирование результатов обработки измерений на экране, формирование информационных сообщений по результатам обработки и интерпретации измерений; реализация интерактивного графического интерфейса пользователя.Digital processor 6 provides the following main tasks: digital signal processing and analysis of measurement results; formation of measurement processing results on the screen, formation of information messages based on the results of processing and interpretation of measurements; implementation of an interactive graphical user interface.

Цифровая обработка ультразвукового сигнала сводится к выполнению следующих операций: расчет преобразования Гильберта, умножение на комплексную экспоненту, расчет амплитуды, высокочастотная фильтрация, расчет мощности и абсолютных величин коэффициентов попарной корреляции элементов ансамбля и корреляции действительной и мнимой частей сигнала, сравнение с пороговыми значениями и принятие решения.Digital processing of an ultrasonic signal is reduced to performing the following operations: calculation of the Hilbert transform, multiplication by the complex exponent, calculation of the amplitude, high-frequency filtering, calculation of the power and absolute values of the pairwise correlation coefficients of the ensemble elements and the correlation of the real and imaginary parts of the signal, comparison with threshold values and decision making .

На экране 13 выводится глубина расположения обнаруженной ТВ.Screen 13 displays the depth of the detected TV.

Для увеличения вероятности обнаружения ТВ к телу пациента прикладывается источник низкочастотного акустического сигнала 19 на частоте ƒ_r (порядка 100-2000 Гц). Этот источник вызывает колебания ТВ относительно окружающих тканей.To increase the probability of detecting TV, a source of low-frequency acoustic signal 19 is applied to the patient's body at a frequency of ƒ _r (of the order of 100-2000 Hz). This source causes TV oscillations relative to the surrounding tissues.

Наличие средства дистанционной передачи данных от устройства обнаружения ТВ в медицинское учреждение или непосредственно лечащему врачу позволяет улучшить диагностику, т.к. исследования могут проводиться регулярно, в том числе самим пациентом, вне зависимости от ситуации врач остается в курсе протекания заболевания.The presence of a means of remote transmission of data from the TV detection device to a medical institution or directly to the attending physician allows for improved diagnosis, because studies can be carried out regularly, including by the patient himself, regardless of the situation, the doctor remains aware of the course of the disease.

Применение предлагаемого устройства позволит проводить диагностику ТВ при амбулаторном осмотре, а также удаленно, в том числе без участия медицинского персонала. Некоторые примеры применения:The use of the proposed device will allow diagnosing TV during an outpatient examination, as well as remotely, including without the participation of medical personnel. Some application examples:

- диагностика молочных желез пациентками в домашних условиях, т.е. применение устройства поможет заранее принять меры по предотвращению развития онкологического заболевания;- diagnostics of mammary glands by patients at home, i.е. the use of the device will help to take measures in advance to prevent the development of cancer;

- диагностика почечных камней у ранее не болевшего мочекаменной болезнью человека при первом подозрении на заболевание;- diagnosis of kidney stones in a person who has not previously suffered from urolithiasis at the first suspicion of a disease;

- диагностика новых почечных камней пациентом, прошедшему через процедуру удаления камней, т.е. оценка динамики развития мочекаменной болезни;- diagnosis of new kidney stones in a patient who has undergone a stone removal procedure, i.e. assessment of the dynamics of the development of urolithiasis;

- диагностика почечных камней при медикаментозном лечении мочекаменной болезни, т.е. оценить динамики лечения мочекаменной болезни.- diagnosis of kidney stones in the medical treatment of urolithiasis, i.e. evaluate the dynamics of treatment of urolithiasis.

Во всех примерах и некоторых др. случаях у человека появится возможность вовремя проинформировать врача и принять меры по контролю течения болезни.In all examples and some other cases, a person will have the opportunity to inform the doctor in time and take measures to control the course of the disease.

Источники информацииSources of information

1. United States Patent №2014/0039311 A1. 2014. System for Classification Palpable Soft Tissue Masses Using A-mode Echographs. Dewey R., Purfey K., Jacobsen K.1. United States Patent No. 2014/0039311 A1. 2014. System for Classification Palpable Soft Tissue Masses Using A-mode Echographs. Dewey R., Purfey K., Jacobsen K.

2. Громов А.И., Кубова С.Ю. Ультразвуковые артефакты. М.: Видар, 2007, с. 41-55.2. Gromov A.I., Kubova S.Yu. ultrasonic artifacts. M.: Vidar, 2007, p. 41-55.

3. Леонов Д.В., Кульберг Н.С., Громов А.И., Морозов С.П., Ким С.Ю. Исследование причин возникновения мерцающего артефакта в доплеровских режимах ультразвукового медицинского диагностического устройства // Акустический журнал. 2018. №1. Т. 64. С. 100-111. DOI: 10.7868/S0320791918010124.3. Leonov D.V., Kulberg N.S., Gromov A.I., Morozov S.P., Kim S.Yu. Investigation of the causes of the flickering artifact in the Doppler modes of an ultrasonic medical diagnostic device // Acoustic journal. 2018. No. 1. T. 64. S. 100-111. DOI: 10.7868/S0320791918010124.

4. Патент RU 2665223. Способ выявления аномалий физической плотности при акустической визуализации. Леонов Д.В., Кульберг Н.С., Фин В.А., Громов А.И.4. Patent RU 2665223. A method for detecting physical density anomalies in acoustic imaging. Leonov D.V., Kulberg N.S., Fin V.A., Gromov A.I.

5. Кульберг Н.С., Громов А.И., Леонов, Д.В., Осипов Л.В., Усанов М.С., Морозов С.П. Диагностический режим обнаружения кальцинатов и конкрементов при ультразвуковом исследовании // РАДИОЛОГИЯ - ПРАКТИКА, 2018, №1 (67), с. 37-49.5. Kulberg N.S., Gromov A.I., Leonov, D.V., Osipov L.V., Usanov M.S., Morozov S.P. Diagnostic mode for the detection of calcifications and stones during ultrasound examination // RADIOLOGY - PRACTICE, 2018, No. 1 (67), p. 37-49.

Claims

An ultrasonic device for diagnosing solid inclusions, containing an ultrasonic sensor connected in series through an output power amplifier to a probing signal shaper and through an input power amplifier and an analog-to-digital converter with a digital processor connected to a screen and a data input device, and the digital processing unit contains calculation blocks amplitude, power, absolute values of pairwise correlation and correlation of the real and imaginary parts of the signal, as well as a device for comparing with a threshold and making a decision on signal detection, a digital-to-analog converter, an audio signal amplifier, a loudspeaker, a color indicator, a power source, a source of a low-frequency acoustic signal, different in that it contains an antenna and a radio transmission module capable of transmitting information about the results of the survey over cellular networks.