具体实施方式

如本文中用来提及换能器，术语“谐振频率”通常指换能器最有效地将电能转换成机械能的操作频率。例如，在压电换能器的情况下，术语谐振频率可以指压电材料最容易振动并将电能最有效地转换成机械能的操作频率。

与自由空间成像不同，组织成像受到光学和声学透射率差以及波束散射的困扰。已经开发了许多策略来缓解有噪声组织环境中的低信号。例如，在超声成像中，发射器和接收器两者是谐振匹配的，以最大化接收器功率，从而最大化信号强度。这可用于回波(echo)模式超声成像，这是一种记录超声波从物体表面的反射的技术，以显著提高超声图像的对比度和分辨率。此外，多个超声换能器的相控阵列可以在单个频率下操作。通过改变每个换能器被脉动的定时，超声波束可以被电子地引导通过组织，以增加捕获图像的空间分量(例如，捕获组织的“切片(slice)”)。然而，上述方法的优点(例如，增加信号强度和高的空间分量)是以有限的断层成像为代价的。特别是，单波长超声波在它能够测量的组织深度方面受到严重限制。

为了解决现有超声系统和方法的上述缺陷，本文公开的技术针对从多个超声传感器收集信息的多波长超声成像设备，其中每个传感器具有带有唯一谐振频率的超声换能器。借助于利用在不同谐振频率下操作的多个超声传感器来使生理特征受声波作用，由多个换能器发射的超声可以同时穿透生理特征(例如，组织)的给定横截面区域中的各个深度。特别地，具有声学频率响应的超声传感器可以以时间交错的方式被致动，使得每个传感器可以用于在唯一的深度处对生理表面进行成像。这可以实现高分辨率断层成像，而不需要增加超声成像传感器的增益或数量。此外，每个传感器可以与其他传感器的组合同时被致动，以产生允许子像素特征分辨率(即，超分辨率成像)的更高阶谐波。

图1示出了根据本公开的实施方式的连续超声测量设备100的一些组件的框图。如图所示，设备100包括多个超声传感器110、处理设备120、机器可读介质130、无线发送器140以及可选的一个或多个非超声传感器150。设备100的电气组件可以由电池101供电，该电池101连接到用于分配电力的电源电路102。电池101可以是可充电的(例如，通过USB端口和/或交流/DC转换器)。尽管在该示例中示出了电池101，但是应当理解，可以使用任何合适的电池或电源技术来给设备100的组件供电。例如，可以使用锂离子电池、单体电池、压电或振动能量采集器、光伏电池、交流/DC源或其他类似设备。

在操作期间，处理设备120可以从多个超声传感器110(单独称为“超声传感器110”)收集信息，以收集受试者(例如，受试者的组织)的成像数据。每个超声传感器110包括换能器，该换能器被配置成将电转换成超声波，反之亦然。例如，换能器可以是压电换能器，其在施加交流电压时振荡并产生超声脉冲。可替代的，换能器可以是电容换能器，其利用导电隔膜和背板之间的静电场来产生超声波。超声波可以以大于或等于约20千赫(KHz)的频率产生。在实施方式中，超声传感器110的换能器可以产生频率在2兆赫(MHz)到20MHz之间的任何频率的超声。当换能器接收到反射的超声信号(即，“回波”)时，超声传感器110可以产生并使用电信号，来确定到被成像的受试者的距离。

进入组织的超声波可以被透射、衰减或反射。虽然较高频率的超声可以提供较高分辨率的信号，但是它可能提供被成像组织的较差的深度穿透。相反，虽然较低频率的超声可能提供较低分辨率的信号，但是它可以提供被成像组织的更好的深度穿透。为了克服传统超声成像系统的这些限制，每个超声传感器110可以具有配置有唯一谐振频率的换能器。具体地，可以选择超声换能器，使得它们的声学频率响应不重叠。通过以时间交错的方式致动换能器，每个传感器可以用于在唯一深度处对样本的表面进行成像。此外，每个换能器可以与其他换能器的组合同时被致动，以产生允许子像素特征分辨率的更高阶谐波。通过图2-图3来描述这些原理，其示出了三个超声传感器对受试者300成像的示例实施方式。

如图2所示，选择部分重叠的换能器可以允许信号的自归一化和互相关。特别地，通过选择频率响应相邻且部分重叠的传感器换能器，任何一对传感器的测量可以被归一化，从而减少系统噪声源并显著增加信号完整性。此外，利用具有不同谐振频率的换能器来同时询问表面，可以产生超分辨率超声图像。在实施方式中，传感器之间的频率重叠可以被配置为大约200KHz或更少。在实施方式中，传感器之间的频率重叠可以被配置成使得一个传感器的频率响应范围不与另一个传感器的谐振频率重叠。例如，如图2所示，传感器1(谐振频率f1)和传感器2(谐振频率f2)在频率响应上部分重叠。此外，传感器2和传感器3(谐振频率f3)在频率响应上部分重叠。

图3描绘了超声测量设备100中的互相关技术。如图所示，来自频率响应重叠的任何一对传感器的信号的互相关允许了体素(voxel)的冗余测量。具体地，三个传感器的换能器可以以时间交错的方式被致动。对于每个致动(例如，帧301)，接收的回波可以由所有三个换能器测量(帧302)，以在所有三个换能器上获得接收信号(帧303)。通过观察所有三个传感器上的接收信号的相关性，信号可以被归一化。帧303示出了来自传感器2的致动的回波被所有三个传感器测量的事件。在这种情况下，传感器1和3的频率响应在频域中与接收的回波波形进行卷积。当解卷积时，来自传感器3的测量可以与来自传感器2的测量进行相关，同时使用传感器1的测量来归一化传感器2的测量。如帧306所示，在传感器1监测的信号中可以看到更尖锐的峰值，并且这些更尖锐的峰值可以通过前述的跨频率归一化来实现。

再次参考图1，处理设备120可以被配置成控制设备100的组件的操作，上述组件包括超声传感器110和非超声传感器150(下面进一步讨论)。例如，处理设备120可以被配置成使超声传感器110和/或非超声传感器150执行图像采集。另外，处理设备120可以接收、存储(例如，在机器可读介质130中)和/或处理从超声传感器110和/或非超声传感器150接收的信号测量。在一些实施方式中，处理设备120还可以被配置为使用从超声传感器110接收的信号测量，来应用上述归一化和互相关方法。前述方法可以根据存储在机器可读介质130上的指令来应用。在一个实施例中，处理设备120可以被实现为单个集成电路(integratedcircuit，IC)微控制器，其包括用于存储程序信息和数据的存储器(例如，机器可读介质130)。

在图1的示例中，连续超声测量设备100包括无线发送器140(例如，收发器)，其被配置为将超声测量数据传送到显示系统200的无线接收器240(例如，收发器)。取决于超声成像应用，可以使用处理设备210来处理接收到的超声测量数据(例如，处理成适于显示的格式)和/或使用显示器220来显示接收到的超声测量数据。例如，如下面关于一些实施方式进一步讨论的，显示器220可以是心脏监测器、移动设备或一些其他合适的显示设备的组件。

无线发送器140和无线接收器240之间的无线通信链路可以是射频链路，例如或低功耗(LE)链路、链路、ZigBee链路或一些其他合适的无线通信链路。在其他实施方式中，设备100和显示系统200之间的数据传输可以使用有线发射器或其他合适的有线接口来实现。例如，可以使用USB-C连接器、USB 2.x或3.x连接器、微型USB连接器、THUNDERBOLT连接器、以太网电缆等来传输数据。

在替代实施方式中，显示器220和显示系统200的功能可以集成到连续超声测量设备100中。

血压测量

在一些实施方式中，连续超声测量设备100可以用于血压测量的应用中。血压是病人护理中的一项重要测量。在诊所治疗中，它通常是测量的第一个生命体征。在急诊科进行紧急复苏时，它连同心率通常是确定复苏质量的主要生命体征。这些测量结合在一起是休克、脱水、出血的指标，并提供了评估需要液体的患者的液体复苏质量的唯一定量方法之一。它也是衡量患者是否处于心肺骤停或循环或通气丧失的度量。

虽然这些测量对于确定慢性健康状态至关重要，对于代码情况期间的测量也至关重要，但目前的血压测量方法仍然像最初开发时一样繁琐且笨重。目前，血压通常用听诊器和血压计测量。血压计袖带充气至患者收缩压以上，以完全闭塞血管，通常是肱动脉。然后将血压计袖带中的空气放气，用听诊器听血管因压力降低而打开后的第一声湍流。第一个声音被记录为收缩压，因为该声音与袖带压力相关。

在袖带持续放气时，湍流的声音一直持续，直到血管完全打开，当血管完全打开时，最终导致完全线性的流动。此时，湍流血液流动的丧失导致科罗特科夫音(湍流)停止，并且该声音停止时的压力被记录为患者的舒张压。然后将收缩压和舒张压记录为患者的血压。虽然这是目前血压测量的“黄金标准”，但它需要多台设备，并且需要几分钟来配置设备和进行测量。在心肺骤停的情况下，血压对确定病人的生命状态至关重要，这几分钟可能是无价的。

此外，血压是动态的，并且在逐拍(beat to beat)且逐秒(second by second)的基础上发生变化。除非使用动脉内导管进行侵入性测量，否则上述传统的血压测量方法可能无法确定血压变化的逐秒测量，而使用动脉内导管进行侵入性测量对于患者来说是耗时且痛苦的工作。血压测量的黄金标准也可能容易因患者解剖结构、手臂尺寸、袖带尺寸和房间环境噪声的变化而出错。

为了解决现有血压测量技术的上述缺陷，可以使用连续超声测量设备100。图4示出了根据本公开的实施方式的粘合基板400的一个示例性实施方式，该粘合基板400包括用于监测包括血压在内的生命体征的集成式连续超声测量设备100。如图所示，基板400包括一条或多条对准线或其他标记，用于在进行超声测量之前将集成式设备100的超声传感器110与患者的动脉对准。另外，基板400在背面包括粘合剂(例如，橡胶、丙烯酸或丙烯酸混合粘合剂)，其可用于将基板保持在适当位置并与患者的动脉对准。在应用期间，粘合剂可能会通过剥离纸质背衬而暴露出来。例如，该设备可以放置在患者的颈部，以测量血液流动速度和动脉扩张，从而测量通过颈动脉的血压。可以在桡动脉或尺动脉上进行类似的测量。通过这种实施方式，血压的测量可以是非侵入性的、可靠的、快速的，并且提供连续的测量，从而考虑到逐拍变化。如下文进一步讨论的，这些连续变化可以在显示系统上呈现给用户。

图5示出了根据本公开的实施方式，使用包括连续超声测量设备100的基板400来测量平均动脉压的示例方法500的操作流程图。在操作510，可以将基板与患者的动脉对准并使用粘合剂将基板粘附到患者。例如，基板400可以与患者的颈动脉对准，并随后粘附。应当注意，借助于如本文所述的使超声传感器110具有部分重叠频率响应，基板400的对准要求可以稍微放宽。

在对准和放置之后，在操作520，可以用多个超声传感器110测量动脉的周长。例如，可以使用回波模式超声成像来测量周长。在操作530，可以使用相同的超声传感器110单独监测患者的血液速度。例如，可以将连续波超声用于监测患者的血液速度。在操作540，可以使用测量的动脉周长和血液速度，来计算患者的平均动脉压。例如，患者的平均动脉压可以通过以下方式来计算：将测量的血液速度建模为斯托克斯(Stokes)流速，并通过动脉周长将其归一化。在各种实施方式中，连续超声测量设备100的处理设备120可以执行必要的DSP和计算，以获得患者的平均动脉压。

在操作550，可以将计算的平均动脉压传输到外部显示系统200(例如，使用无线发送器140)以由显示器220显示。在一些实施方式中，设备100或外部显示系统200还可以计算并记录患者的呼吸和心率，以供显示器220显示。显示器220可以基于临床医生的当前显示能力而变化。显示器220还可以具有连接到便携式移动设备或医院环境中的心脏监测器的能力。

图6A-图6C根据本公开的实施方式，描绘了可以作为患者生命测量的一部分呈现在显示器220上的示例界面。例如，可以通过迭代执行方法500的操作520-550，来实时呈现和动态更新界面。如该示例中所描绘的，血压、心率、呼吸率和氧饱和度可以显示在显示器220上。根据值是正常还是异常，背景可能会改变颜色或以其他方式改变外观。例如，如图6A所示，当生命体征的所有值都在正常限值内时，背景可以显示第一图案或颜色610(例如，绿色)。如图6B所示，当生命体征的一个值出现中间异常时，背景可以显示第二图案或颜色620(例如，黄色)。如图6C所示，当生命体征的一个或多个值非常异常时，背景可以显示第三图案或颜色630(例如，红色)。与用于呈现生命体征信息的传统技术(例如，示出波形的脉搏血氧计)相比，本公开的基于图像的显示可以提供用于跟踪生命体征的直观且无声的通知方法。

再次参考连续超声测量设备100，在一些实施方式中，除了多波长超声传感器之外，设备100还可以包括一个或多个非超声传感器150，以允许多模式测量。例如，LED光源和光电二极管接收器可以集成到无线平台上，以通过脉搏血氧测定法测量血液氧合。作为特定示例，617纳米LED光源和583纳米LED光源可以集成在设备100中。通过计算583纳米带至617纳米带的光吸收率，可以获得与血液氧合密切相关的度量。取决于血红蛋白的氧化状态，入射光被血红蛋白不同地吸收。距基线信号的吸收偏移，允许测量血液氧合的变化。可以实现的其他示例传感器包括用于检测体液状态、心脏射血分数或其他重要测量的传感器，这些传感器可以集成到硬件/传感器封装中。

在一些实施方式中，使用非超声传感器150进行的测量可以与超声测量(例如，血液速度的测量)相关联并归一化。通过使用除超声传感器110之外的附加模态来测量被成像生理特征(例如，血液速度)，可以提高设备100的精度。

图7示出了其中可以实现本公开实施例的芯片组1300。芯片组1300可以包括例如并入到一个或多个物理封装中的处理器和存储器组件。举例来说，物理封装包括结构组件(例如，底板)上的一种或多种材料、组件和/或导线的布置以提供一种或多种特性，例如物理强度、尺寸守恒和/或电相互作用的限制。

在一个实施例中，芯片组1300包括诸如总线1302的通信机制，用于在芯片组1300的组件之间传递信息。处理器1304连接到总线1302，以执行指令并处理存储在存储器1306中的信息。处理器1304包括一个或多个处理核心，每个核心被配置为独立执行。多核处理器支持在单个物理封装内进行多处理。多核处理器的示例包括两个、四个、八个或更多数量的处理核心。替代地或附加地，处理器1304包括经由总线1302串联配置的一个或多个微处理器，以实现指令、流水线和多线程的独立执行。处理器1304还可以伴随一个或多个专用组件来执行某些处理功能和任务，例如一个或多个数字信号处理器(digital signalprocessors，DSP)1308，和/或一个或多个专用集成电路(application-specificintegrated circuits，ASIC)1310。DSP 1308通常可以被配置成独立于处理器1304实时处理真实世界的信号(例如声音)。类似地，ASIC1310可以被配置成执行不容易由通用处理器执行的专用功能。帮助执行这里描述的发明性功能的其他专用组件包括一个或多个现场可编程门阵列(field programmable gate arrays，FPGA)(未示出)、一个或多个控制器(未示出)、或者一个或多个其他专用计算机芯片。

处理器1304和伴随的组件通过总线1302连接到存储器1306。存储器1306包括用于存储可执行指令的动态存储器(例如，RAM)和静态存储器(例如，ROM)，当可执行指令被处理器1304、DSP 1308和/或ASIC 1310执行时，执行这里描述的示例实施例的过程。存储器1306还存储与过程的执行相关联或由过程的执行生成的数据。

在本文档中，术语“机器可读介质”、“计算机可读介质”和类似术语通常用于指代易失性或非易失性的非暂时性介质，其存储使机器以特定方式运行的数据和/或指令。机器可读介质的常见形式包括，例如，硬盘、固态驱动器、磁带或任何其他磁性数据存储介质、光盘或任何其他光学数据存储介质、具有孔图案的任何物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、NVRAM、任何其他存储芯片或盒以及它们的网络版本。

这些和其他各种形式的计算机可读介质可以涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带到处理设备以供执行。这种包含在介质上的指令通常被称为“指令”或“代码”。指令可以以计算机程序或其他分组的形式分组。当被执行时，这样的指令可以使处理设备能够执行这里讨论的本申请的特征或功能。

在本文中，“处理设备”可以被实现为执行处理操作的单个处理器或者执行处理操作的专用和/或通用处理器的组合。处理设备可以包括CPU、GPU、APU、DSP、FPGA、ASIC、SOC和/或其他处理电路。

这里阐述的各种实施例是根据示例性框图、流程图和其他图示来描述的。对于本领域的普通技术人员来说，在阅读了本文件之后，显而易见的是，所示实施例及其各种替代方案可以不受所示示例的限制来实现。例如，框图及其伴随的描述不应被解释为授权特定的架构或配置。

在前面部分中描述的每个过程、方法和算法可以包含在由一个或多个计算机系统或包括计算机硬件的计算机处理器执行的代码组件中，并且完全或部分由代码组件自动执行。过程和算法可以部分或全部在专用电路中实现。上述各种特征和过程可以彼此独立使用，或者可以以各种方式组合使用。不同的组合和子组合旨在落入本公开的范围内，并且在一些实现中可以省略某些方法或过程块。另外，除非上下文另有规定，否则本文描述的方法和过程也不限于任何特定顺序，并且与其相关的块或状态可以以合适的其他顺序执行，或者可以并行执行，或者以一些其他方式执行。可以向所公开的示例实施例添加块或状态，或者从所公开的示例实施例中移除块或状态。某些操作或过程的执行可以分布在计算机系统或计算机处理器中，不仅驻留在单个机器内，而且部署在多个机器上。

如这里所使用的，术语“或”可以被解释为包含性的或排他性的。此外，资源、操作或结构的单数描述不应被理解为排除复数。条件语言，例如“能够”、“能”、“可能”或“可以”，除非另外特别说明，或者在所使用的上下文中以其他方式理解，通常旨在传达某些实施例包括某些特征、元件和/或步骤，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或步骤。

除非另有明确说明，否则本文档中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式而非限制性的。诸如“传统的”、“常规的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”和具有类似含义的术语等形容词不应被解释为将所描述的项目限制到给定的时间段或限制到给定时间可用的项目，而是应被理解为包括现在或将来任何时候可用或已知的传统的、常规的、正常的或标准的技术。在某些情况下，诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似短语的宽泛单词和短语的存在不应被理解为意味着在这些宽泛短语可能不存在的情况下，更窄的情况是有意或必需的。