一种用于远程心脏超声的虚拟探头及诊疗系统技术方案

本公开提供了一种用于远程心脏超声的虚拟探头及诊疗系统，虚拟探头包括壳体、位姿检测元件和力检测元件，位姿检测元件固定在壳体内部，力检测元件固定在壳体的用于接触仿生模型的检测面上；位姿检测元件和力检测元件均与第一控制终端通信连接，第一控制终端与第二控制终端通信连接，音视频采集模块和机器人控制终端均与第二控制终端通信连接；第一控制终端根据接接收到的施加到仿生模型上的虚拟探头位姿和力生成机器人机械臂控制指令并发送给第二控制终端；第二控制终端根据接收到的控制指令进行机器人的机械臂控制，进而控制真实探头的动作，并实时的将现场的音视频数据和超声图像传输给第一控制终端；本公开极大的提高了远程诊疗的准确性和及时性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于远程心脏超声的虚拟探头及诊疗系统
本公开涉及远程医疗设备
，特别涉及一种用于远程心脏超声的虚拟探头及诊疗系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。超声成像由于其无创、即时诊断、实时、高性价比等优点，与其他医学成像方法相比具有很大的优势。在超声获取过程中，过小的压力会损害良好的声耦合从而影响超声成像质量，而过大的压力又会伤害到患者甚至使观察到的器官变形，因此超声探头操纵者必须根据超声图像的反馈来调整探头的位姿和探头与病人之间的接触力，超声图像的质量取决于内在因素，如硬件设计和不同的采集参数，同时也取决于检查条件。实际上，超声采集过程中探头的位姿、探头与人体之间的耦合度、作用于人体上的接触力、超声波光束的入射角以及超声波凝胶的分布都是获得良好超声成像质量的关键因素。然而最佳超声图像的获取在很大程度上取决于操控超声探头的专家技术，但是很多情况下在医疗落后地区(如小岛、渔村、贫困山区、偏远军事基地、突发疫情事件等)可能没有专业的超声检查医生，或者现场扫查被检者存在困难和极大的风险。因此为了使这些特殊情况下病人也能得到尽快的诊断与救治，越来越多的专家学者开发出与信息和通信技术以及力反馈相结合的机器人系统，来实现力反馈机械臂辅助超声成像。在远程超声诊断中，最重要的就是让远程端专家的动作准确映射到现场机械臂上去，这包括操作动作的映射以及力度的映射。然而，目前的远程超声专利所提出的虚拟探头以及远程超声检查方法存在的问题：(1)没有存在力反馈装置，因此专家无法远程控制机械臂施加的力，容易造成过大的力误伤患者或者过小的力造成的超声图像模糊；(2)虚拟探头不够小巧集成，不能映射出专家的所有操作动作，还需额外借助传感器或者键盘鼠标进行部分自由度的操控；(3)针对的超声扫描部位为肝脏、肺部这类扫描轨迹固定且简单的部位，没有对心脏这类操作复杂的器官的远程超声扫描装置；(4)数据传输有延时，不能做到实时的复现。经检索，公开号为CN110993087A的中国专利技术专利，其采用陀螺仪采集姿态信息，但是需要在探头外额外放置红外线传感器采集位置信息，因此不够集成，借助了额外的传感器；同时数据使用TCP/IP协议传输，数据交换不够实时；第三个存在的问题是其产品是把探头放在一个平面上，这对于腹部超声探查而言，接近了专家的操作习惯，但是不适用于心脏超声探查。心脏超声探查时，由于胸壁有很多骨性结构，因此胸壁轮廓更起伏，同时在接受超声检查时，患者采取侧卧位，因此公开号为CN110993087A的中国专利专利技术，只适用于探查部位平整并且探查路径固定且简单的超声探查，不适用于心脏这类复杂的超声探查。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于远程心脏超声的虚拟探头及诊疗系统，通过对虚拟探头时的操作，可以将其位姿以及施加的力实时传递给现场端的机械臂，使机械臂复现虚拟探头的动作，进而带动真实探头实现动作复现，极大的提高了远程诊疗的准确性。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：本公开第一方面提供了一种用于远程心脏超声的虚拟探头。一种用于远程心脏超声的虚拟探头，包括：壳体、位姿检测元件和力检测元件，位姿检测元件固定在壳体内部，力检测元件固定在壳体的用于接触仿生模型的检测面上。进一步的，壳体采用3D打印方式制造，且与真实超声探头的形状和尺寸相同。进一步的，位姿传感元件至少包括惯性测量单元、GPS定位单元、超宽带定位单元、NOKOV动作捕捉单元、射频识别单元、里程计量单元以及红外定位单元中的一种或多种。更进一步的，惯性测量单元至少包括陀螺仪、加速度计以及重力感应器中的一种或多种。本公开第二方面提供了一种远程心脏超声诊疗系统。一种远程心脏超声诊疗系统，包括第一控制终端、第二控制终端、音视频采集模块、机器人以及本公开第一方面所述的虚拟探头；位姿检测元件和力检测元件均与第一控制终端通信连接，第一控制终端与第二控制终端通信连接，音视频采集模块和机器人控制终端均与第二控制终端通信连接；第一控制终端根据接接收到的施加到仿生模型上的虚拟探头位姿和力生成机器人机械臂控制指令并发送给第二控制终端；第二控制终端根据接收到的控制指令进行机器人的机械臂控制，进而控制真实探头的动作，并实时的将现场的音视频数据和超声图像传输给第一控制终端。进一步的，将位姿传感器采集到的姿态欧拉角转换为四元数，然后将表示位置信息的x、y、z以及表示姿态信息的tx、ty、tz、tw作为机械臂末端执行器的位姿。进一步的，所述机器人包括机器人底座、机器人控制终端和自由机械臂，自由机械臂固定在机械臂底座上，机械臂控制终端根据接收到的第二控制终端的控制指令控制自由机械臂的动作。进一步的，所述机器人为移动机器人平台，所述移动机器人平台根据接收到的第二控制终端的控制指令控制机械臂的动作。进一步的，所述仿生模型包括弹性膜以及设置在弹性膜内的粘弹性物质，且弹性膜内填充有气体。本公开第三方面提供了一种远程心脏超声诊疗系统的工作方法。一种远程心脏超声诊疗系统的工作方法，利用本公开第二方面所述的远程心脏超声诊疗系统，包括以下过程：第二控制终端向第一控制终端发送准备就绪信号；第一控制终端向第二控制终端发送准备就绪确认信号；通过位姿传感器采集虚拟探头的位置和方向以及施加在仿生模型上的作用力，并发送给第一控制终端；第一控制终端根据接收到的虚拟探头的位置和方向以及施加在仿生模型上的作用力生成控制指令并发送给第二控制终端；第二控制终端将接收到的控制指令发送给机器人控制终端，机器人控制终端根据控制指令控制机械臂的运动，进而带动真实探头的运动；第二控制终端将现场音视频数据和获取的超声图像传输给第一控制终端；重复上述过程，直至接收到符合预设要求的超声图像。与现有技术相比，本公开的有益效果是：1、本公开所述的内容，通过对虚拟探头时的操作，可以将其位姿以及施加的力实时传递给现场端的机械臂，使机械臂复现虚拟探头的动作，进而带动真实探头实现动作复现，极大的提高了远程诊疗的准确性。2、本公开所述的虚拟探头具有和临床探头一样的设计比例，符合临床医生操作习惯，方便临床医生在面对新型的远程超声操作设备时可以很快上手操作，大大节省了业务培训的时间。3、本公开所述的力传感器可以准确反映出操作者施加在仿人体模型上的作用力，并能够根据现场操作情况进行及时反馈调整，不仅可以保证患者的人身安全，而且可以保证探头和人体的良好耦合，使超声成像更加清晰，提高了远程超声诊断的准确性。4、本公开所述的位姿传感器可以准确输出操作者手握探头时的位置和方向，并将姿态转换为四元数避免了万向节死锁的问题，同时可反映出空间的所有姿态变换，非常适用于探查姿态复杂多变的远程心脏超声检测。5、本公开所述的数据传输方式采用5G网络传输，解决了数据传输的时延问题，实现了诊断的实时性并能够及时规本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于远程心脏超声的虚拟探头，其特征在于：/n包括：壳体、位姿检测元件和力检测元件，位姿检测元件固定在壳体内部，力检测元件固定在壳体的用于接触仿生模型的检测面上。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于远程心脏超声的虚拟探头，其特征在于：
包括：壳体、位姿检测元件和力检测元件，位姿检测元件固定在壳体内部，力检测元件固定在壳体的用于接触仿生模型的检测面上。


2.如权利要求1所述的用于远程心脏超声的虚拟探头，其特征在于：
壳体采用3D打印方式制造，且与真实超声探头的形状和尺寸相同。


3.如权利要求1所述的用于远程心脏超声的虚拟探头，其特征在于：
位姿传感元件至少包括惯性测量单元、GPS定位单元、超宽带定位单元、NOKOV动作捕捉单元、射频识别单元、里程计量单元以及红外定位单元中的一种或多种。


4.如权利要求3所述的用于远程心脏超声的虚拟探头，其特征在于：
惯性测量单元至少包括陀螺仪、加速度计以及重力感应器中的一种或多种。


5.一种远程心脏超声诊疗系统，其特征在于：
包括第一控制终端、第二控制终端、音视频采集模块、机器人以及权利要求1-4任一项所述的虚拟探头；
位姿检测元件和力检测元件均与第一控制终端通信连接，第一控制终端与第二控制终端通信连接，音视频采集模块和机器人控制终端均与第二控制终端通信连接；
第一控制终端根据接接收到的施加到仿生模型上的虚拟探头位姿和力生成机器人机械臂控制指令并发送给第二控制终端；
第二控制终端根据接收到的控制指令进行机器人的机械臂控制，进而控制真实探头的动作，并实时的将现场的音视频数据和超声图像传输给第一控制终端。


6.如权利要求5所述的远程心脏超声诊疗系统，其特征在于：
将位姿传感器采集到的姿态欧拉角...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘治，张德彩，张鹏飞，曹艳坤，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37