一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统及超声检测方法技术方案

本发明专利技术提出了一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，所述成像超声系统包括无线扫描探头、终端设备、三维成像计算设备；其中，所述无线扫描探头以无线方式分别向终端设备和三维成像计算设备传输超声图像数据和探头的加速度、角速度数据；所述终端设备向三维成像计算设备提供所需的二维超声图像；所述三维成像计算设备将重建完成的三维超声数据传输至终端设备。本发明专利技术解决了医生对二维超声图像难以理解的问题，能够使医生通过实时三维视图更直观地理解组织器官结构，以更高效率的方式培训医生做超声扫描和理解二维超声图，解决超声医生培训耗时长的问题。医生培训耗时长的问题。医生培训耗时长的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统及超声检测方法


[0001]本专利技术属于超声
，涉及一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统及超声检测方法。

技术介绍

[0002]在医疗领域中，超声扫描检测由于其特有的优势，被广泛地应用于临床诊断中。相比于计算机断层成像(CT)、核磁共振成像(MRI)，超声成像技术具备无创无辐射和价格低廉等优点。传统的超声检查，由医生将超声扫描探头放置于病人身体上进行扫描，以获得人体组织器官横截面的二维图像。但在这种传统方式中，医生必须在大脑中将二维的超声图像重构为人体的三维解剖结构。而为了能够做到这样的效果，医生必须被经过专业培训，而培训过程需要花费大量的时间和金钱。相比于二维超声图像，三维的超声图像能够提供感兴趣区域的整个体积情况，为医生提供更加直观的空间结构。
[0003]早期的超声图像三维重建可以通过三个阶段来完成，分别是采集、重建和可视化。具体流程是收集对目标位置进行超声扫描得到的一系列超声图像，通过相应的三维重建算法进行可视化的展现。这种三维重建技术将超声扫描、体积重建和可视化阶段分开，属于非实时三维图像重构。在这种重构方式中，一般由微型马达驱动机械装置使探头平移，倾斜和旋转实现截面扫描，慢速地获取一系列检测区域的二维超声图像，然后记录在计算机中。由于扫描由预先设定的方案控制固定探头的机械装置进行，所以每幅图像的相对位置和角度可以得知，但存在扫描装置笨重，扫描方式不灵活等问题，而且需要扫描后才能进行三维重建，所以在临床上不实用。
[0004]目前实现二维超声图像实时三维重建，主要技术是在超声探头上添加传感器，然后手握超声探头进行自由臂扫描，传感器把记录到的超声探头的实时空间位置和扫描的方向等空间信息实时传回计算机，计算机将实时得到的二维超声图像和探头的空间信息相结合，然后进行超声图像实时的三维重建和可视化。其中，传感器定位技术主要是光学定位和电磁定位，例如使用光学定位仪来测量超声探头三维空间位置坐标，如《基于空间定位装置的三维超声成像方法、存储介质及设备》(专利公开号：CN113081033A)，也有使用电磁跟踪系统，即使用装有电磁传感器的超声探头和能够跟踪电磁传感器的位置和方向的电磁发射器来定位，如《手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统》(专利公开号：CN111184535A)。此外，还有使用声学定位技术的，具体方法是在超声探头上固定三个声发射装置，病人身上固定麦克风阵列，通过声音传播时间的测量获取定位信息。最近又有使用带有深度相机的传感器Kinect结合角度传感器来实现超声探头的定位，如《一种二维超声图像集合重构的三维超声成像方法》(专利公开号：CN107582098A)。
[0005]不同传感器对适用场景的要求不同，所以都存在一定的缺点。光学跟踪定位系统中发现的问题是，安装在超声探头上的标记太大，导致超声扫描过程不方便，并且摄像机的视线不能被遮挡。采用电磁定位的问题是，周边环境含铁金属会影响磁场，导致位置测量有偏差。采用声学定位的问题是，麦克风必须放置在病人上方使声线能够不受阻碍的到达，而
且发射器与麦克风之间的距离要足够近，保证能获得较高的信噪比，而且声速会随空气湿度的变化而变化，从而产生一定的误差。采用带有景深摄像头的Kinect体感检测装置存在的问题是，室外使用时对环境和光线强度的要求比较高，因为在室外容易受到强自然光影响，导致投射的编码光被淹没，效果不能让人满意，并且容易受到光滑平面反光的影响。所以这几种方法不仅存在上述所提到的问题，还存在超声设备体积较大、受到有线的束缚、无法真正自由移动和操作等问题。
[0006]此外《一种基于惯性导航系统的三维超声重建系统》(公开号：CN114533111A)提出了一种使用惯性导航进行超声三维重建的方法。其中，提到的位置解算算法过于简单，位置解算的精度误差过大，而且由于二维超声图片和IMU传感器的数据在时间上是离散采集的数据，在把这些数据映射到真实三维空间后，三维空间中会存在一些空缺部分，即便提高采样频率，空缺仍然存在，因此重建结果不准确。同时该方法也存在设备受到有线束缚、无法真正自由移动和操作的缺点。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术存在的不足，本专利技术提供一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统及超声检测方法。
[0008]本专利技术能够通过三维图像重建引导医生无困难地扫描二维图像和读取二维图像，即可以不受机械臂固定扫描探头的限制，不受二维图像抽象难读的限制，采用自由臂扫描就能获得预期最佳的二维图像。
[0009]具体地，本专利技术通过在无线超声探头上安装无线惯性测量单元，使用惯性测量单元和无线超声探头来获取超声图像数据和空间信息，来实现二维超声图像的实时三维重建，最终同时将二维超声图像和重构完成的三维超声图像实时的显示在移动设备的屏幕上。由于二维超声图像以及对应的三维超声图像能够同时显示在移动设备上，三维超声图像能够更直观的帮助医生理解二维超声图像，解决医生对二维超声图像难以理解的问题，能够使医生通过实时三维视图更直观地理解组织器官结构，以更高效率的方式培训医生做超声扫描和理解二维超声图，解决超声医生培训耗时长的问题。
[0010]其次，本专利技术采用无线超声探头进行自由扫描的方式来对感兴趣的部位进行扫描。因此，该成像系统的扫描方式灵活、轻量小巧，解决了以往三维超声成像系统探头带线缆、扫描方式固定/半固定，扫描装置笨重的问题。
[0011]本专利技术提供了一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，所述成像超声系统包括无线扫描探头、终端设备、三维成像计算设备；无线扫描探头以无线方式分别向终端设备和三维成像计算设备传输超声图像数据和探头的加速度、角速度等数据；终端设备向三维成像计算设备提供所需的二维超声图像，三维成像计算设备将重建完成的三维超声数据传输至终端设备。
[0012]本专利技术的无线扫描探头包括两个模块，分别为无线超声探头模块和无线惯性测量单元模块；具体地，本专利技术是通过在无线超声探头上安装无线惯性测量单元来获取超声扫描过程中探头的实时空间位置信息。扫描用的探头为无线超声探头，其优点无线传输使用方便，不受线缆的束缚，其次它的功率较小因此有较长的续航时间。无线超声探头模块用于将编解码超声回波信号为JPEG图像数据，并将图像数据通过USB模块或者WIFI模块传输至
终端设备。
[0013]安装在无线超声探头上的无线惯性测量单元由陀螺仪和加速度计组成，加速度计用来检测超声探头的三轴加速度信号，陀螺仪则检测角速度信号，无线惯性测量单元模块的功能是将探头的三维姿态数据通过无线模块传输至三维成像计算设备。用惯性测量单元来定位的优点是只用内部传感器就可以得到测量数据不需要任何外界帮助，此外惯性测量单元对外界环境的要求低，不受光线以及电磁干扰的影响，甚至可以在水下工作。
[0014]终端设备是安装了超声成像软件的移动显示设备，用来同时以及实时的可视化超声探头得到的二维超声图像和由三维成像计算设备得到的三维超声图像。终端设备将二维的超声图像通过Socket与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，其特征在于，所述成像超声系统包括无线扫描探头、终端设备、三维成像计算设备；其中，所述无线扫描探头以无线方式分别向终端设备和三维成像计算设备传输超声图像数据和探头的加速度、角速度数据；所述终端设备向三维成像计算设备提供所需的二维超声图像；所述三维成像计算设备将重建完成的三维超声数据传输至终端设备。2.如权利要求1所述的不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，其特征在于，所述无线扫描探头包括无线超声探头模块和无线惯性测量单元模块；其中，通过在无线超声探头模块上安装无线惯性测量单元模块来获取超声扫描过程中探头的实时空间位置信息；所述无线超声探头模块扫描用的探头为无线超声探头，无线超声探头模块将编解码超声回波信号为图像数据，并将图像数据传输至终端设备；所述无线惯性测量单元模块由陀螺仪和加速度计组成，加速度计用来检测无线超声探头的三轴加速度信号，陀螺仪则检测角速度信号；所述无线惯性测量单元模块将无线超声探头的三维姿态数据通过无线模块传输至三维成像计算设备。3.如权利要求1所述的不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，其特征在于，所述终端设备为安装有超声成像软件的移动显示设备，用来同时以及实时的可视化超声探头得到的二维超声图像和由三维成像计算设备得到的三维超声图像；所述终端设备将二维的超声图像通过Socket与三维成像计算设备建立连接并使用移动网络进行通信，实时的将二维超声图像传输给三维成像计算设备，三维成像计算设备再将重构完成的三维超声图像数据传输回终端设备，由终端设备实时同步显示二维超声图像和三维超声图像。4.如权利要求1所述的不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，其特征在于，所述无线扫描探头获得的超声探头在三维空间中的数据通过无线透传模块传输给三维成像计算设备，然后由三维成像计算设备将数据解算得到无线扫描探头的姿态并结合终端设备实时获得的二维超声图像进行三维重建，同时将重建后的三维超声图像数据传输至终端设备。5.如权利要求1所述的不固定扫描探头的轻量型成像超声系统，其特征在于，所述三维成像计算设备进行姿态和位置的解算方法为：在姿态和位置解算过程中涉及到两个坐标系，一个是IMU自身的坐标系b，一个是最终重建的参考系R，将IMU输出的信息通过解算转换到参考系中：IMU包含三轴加速度计和三轴陀螺仪，加速度计用来测量运动过程中三轴加速度的变化，陀螺仪用来测量三轴角速度的变化；(1)三轴姿态的解算IMU以四元数的形式输出方向信息；四元数的一般形式是一个旋转的角度标量q0，后跟一个旋转的轴矢量q，q＝(q1,q2,q3)：其中，每个四元数都是1、的线性组合；对于本身的几何意
义理解为一种旋转，其中旋转代表Z轴与Y轴相交平面中Z轴正向向Y轴正向的旋转，旋转代表X轴与Z轴相交平面中X轴正向向Z轴正向的旋转，旋转代表Y轴与X轴相交平面中Y轴正向向X轴正向的旋转；给定由矢量定义的旋转轴四元数表示绕该轴u旋转角度为θ的旋转：将一个将向量v转变为绕u轴的正方的旋转且旋转角度为θ的操作由四元数的连乘表示，公式表为：其中，q
*
＝q0‑
q，是q的共轭四元数；坐标系b相对于参考系R的姿态由旋转轴u和转动角度θ两个参数来确定；用u和θ两个参数构造一个姿态四元数：上述公式表示参考坐标系R绕u转动一个角度θ后与运动坐标系b重合，坐标系b的姿态通过姿态四元数变换为在参考系R中的姿态，坐标变换公式为：在给定初始姿态信息后，实时进行姿态四元数的递推将IMU自身坐标系b的旋转姿态...

【专利技术属性】
技术研发人员：王江涛，齐昊，潘海林，王雪松，
申请(专利权)人：北京昌超医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：