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CN113940699A - 一种超声探头自定位装置及其自定位方法 - Google Patents

一种超声探头自定位装置及其自定位方法 Download PDF

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CN113940699A CN202111183943.9A CN202111183943A CN113940699A CN 113940699 A CN113940699 A CN 113940699A CN 202111183943 A CN202111183943 A CN 202111183943A CN 113940699 A CN113940699 A CN 113940699A
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probe
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胡峰颖
吴哲
王诗艺
王家驹
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Abstract

本发明公开一种超声探头自定位装置及其自定位方法，包括超声仿体，所述超声仿体内嵌设有一定形式排布的反射颗粒线。工作时使超声仿体的顶面与超声探头贴合，超声仿体的底面放置于接触平面，根据超声仿体中预设的反射颗粒线的超声成像，确定超声波探头的平面位置、平面旋转角度θ和空间旋转角度
Figure DDA0003298410130000011
使用这三个数据可在空间中唯一确定超声探头的空间位置，在低成本、低操作难度的情况下实现智慧超声。

Description

一种超声探头自定位装置及其自定位方法
技术领域
本发明涉及超声波探测技术领域，具体涉及一种超声探头自定位装置及其自定位方法。
背景技术
超声影像相对于其他医学影像(CT，MRI，X光)具有无创，实时，可重复，成本低等优点，且随着发展出现了便携式超声和智能超声(三维超声)。为实现三维超声，一般采用机械滑轨，传感器，或二维超声探头，三者本质是确立系列二维超声图像的三维位置。
如“一种基于光学定位的超声探头标定方法”，任亮、邱天爽、郭勇，《中国生物医学工程学报》，第32卷5期，2013年10月，公开的一种基于光学定位的超声探头标定方法，在手持二维超声探头扫描重建三维超声图像之前，需要进行超声探头标定，设计一种由两个互相垂直的平面组成的立体标定模板。在标定过程中，手持超声探头扫描标定模板，由光学定位设备获取摄像机与模板的变换矩阵、超声探头与摄像机的变换矩阵。每次扫描得到超声声束与模板三正交轴的3个交点，共构造6个标定方程。当采集两幅以上标定图像时，即可非线性优化求解得到超声图像与超声探头的变换矩阵，未知量包括6个空间变量和两个超声图像比例因子。这种方法是采用外界设备进行探头的位置测量，这就导致了设备绑定带来的成本提高和便携度降低，且对设备的使用复杂程度不友好等问题。
又如中国专利申请文件CN109567864A公开的一种可定位的超声探头，超声探头的检测面有一开口；该开口上方，超声探头内部固定一个成像组件，超声探头使用时，用于获取被测人员身体接触面的图像；开口处固定一个抗弯曲的透光垫片，完全覆盖开口，超声探头使用时，用于防止耦合剂倒灌，以及保证探头检测面的光滑性；探头包含一个图像处理模块，通过分析比对一定时间内成像组件获取的图像序列，计算超声探头移动水平及竖直方向的位移。所述的成像组件包括：①基于光学原理的成像元件及发光元件；②基于热学原理的热成像组件；进一步的，所述透光垫片可以对于特定光线有一定的失光率。这种方法是对超声探头进行处理，一定高程度上可以通过一体化来提高设备的便携度，但对探头的改造的同时会带来更高的成本。
因此，实现超声探头的自定位在超声设备智能化实现中有着很重要的地位。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种超声探头自定位装置及其定位方法，旨在不通过外部检查设备和改进超声探头的方法，仅使用传统的超声扫描设备，利用超声耦合垫片的特殊性质，直接获取出探头的三维位置信息，在低成本、低操作难度的情况下实现智慧超声。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：
一种超声探头自定位装置，包括超声仿体，所述超声仿体内嵌设有一定形式排布的反射颗粒线。
进一步地，所述超声仿体为超声耦合垫片。
进一步地，所述反射颗粒线有两组，第一组反射颗粒线包含线性排布的反射颗粒线1-4，横向排布于超声耦合垫片的顶面，其中反射颗粒线2-4组成N字形，反射颗粒线1与反射颗粒线2平行且紧邻排布，呈“1N”字形；第二组反射颗粒线包含线性排布的反射颗粒线5-7，纵向排布于超声耦合垫片的纵向中心面上，呈“N”字形。
一种包含上述超声探头自定位装置的自定位方法，工作时使超声耦合垫片的顶面与超声探头贴合，超声耦合垫片的底面放置于接触平面，根据超声耦合垫片中预设的反射颗粒线的超声成像，确定超声波探头的平面位置、平面旋转角度θ和空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000031
，以此确定超声探头的空间位置。
进一步地，确定超声波探头的平面位置、平面旋转角度和空间旋转角度的方法为：根据超声成像原理，第一组反射颗粒线反射回来的回波信息将表现为超声耦合垫片宽度方向上的P、A、O、B四个点，第二组反射颗粒线反射回来的声波信息将表现为沿超声耦合垫片深度方向上的M、N、K三个点；
步骤1：利用P、A的位置关系，确定初始状态下超声探头左右侧的位置；
步骤2：利用A、O、B三点，判断超声探头在超声耦合垫片上的平面位置；
步骤3：利用A、O、B三点，确定超声探头的平面旋转角度θ；
步骤4：利用M、N、K三点，确定超声探头空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000032
。
具体的，在步骤2中，判断超声探头在超声耦合垫片上的平面位置的具体方式为：根据线段AO和线段OB的长度比值确定当前超声探头的平面位置。
具体的，在步骤3中，确定超声探头的平面旋转角度θ的方法为：过点A作反射颗粒线4的垂线AH，由初始设计可知AH的长度，通过成像中得到的AB长度，计算平面旋转角度θ，即
θ＝arcsin(LAH/LAB)或θ＝180°-arcsin(LAH/LAB)。
具体的，在步骤4中，确定超声探头空间旋转角度的方法为：过点M作反射颗粒线7的垂线MH'，由初始设计可知MH'的长度，通过成像可以得到MK的长度，计算出角度α，即
α＝arccos(LMH'/LMK)
根据空间角度关系和α，可计算出空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000041
，即
Figure BDA0003298410110000042
或
Figure BDA0003298410110000043
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明通过在超声耦合垫片中嵌入特定形状的反射颗粒线，可配合使用传统的超声扫描设备，通过反射颗粒线超声成像即可确定超声探头所在的平面位置、平面旋转角度和空间旋转角度，使用这三个数据可在空间中唯一确定超声探头的空间位置，直接获取出探头的三维位置信息，在低成本、低操作难度的情况下实现智慧超声。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是判断超声探头平面位置的示意图；
图3是判断超声探头平面位置的另一情况示意图；
图4是确定超声探头平面旋转角度θ的示意图；
图5是确定超声探头平面旋转角度θ的另一情况示意图；
图6是超声探头在超声耦合垫片深度方向固定成像示意图；
图7是确定超声探头空间旋转角度的示意图；
图8是确定超声探头空间旋转角度的另一示意图；
附图标记：10-超声耦合垫片，101-顶面，102-底面，20-第一组反射颗粒线，30-第二组反射颗粒线，1、2、3、4、5、6、7-反射颗粒线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
一种超声探头自定位装置，包括超声仿体，所述超声仿体内嵌设有反射颗粒线；所述超声仿体可以是超声耦合垫片10或者其它透声材料，优选的，所述超声仿体由平衡盐溶液、海藻酸钠和丙烯酰胺等为主要材料制成，制作过程和使用过程无毒无害；所述反射颗粒线由特质反射颗粒组成，使得反射成像为漫反射成像，避免光滑反射线造成的镜面反射导致某些成像角度上的成像缺失。具体的，所述反射颗粒线有两组，第一组反射颗粒线20包含线性排布的反射颗粒线1-4，横向排布于超声耦合垫片的顶面101，其中反射颗粒线2-4组成N字形，反射颗粒线1与反射颗粒线2平行且紧邻排布，呈“1N”字形；第二组反射颗粒线30包含线性排布的反射颗粒线5-7，纵向排布于超声耦合垫片的纵向中心面上，呈“N”字形。工作时超声耦合垫片的顶面101与超声探头贴合，超声耦合垫片的底面102放置于接触平面。使用时，超声探头对超声耦合垫片进行自顶面到底面的垂直扫查，超声探头向超声耦合垫片发射超声波，并接收反射颗粒的反射回波，根据超声耦合垫片中预设的反射颗粒的反射回波成像点，可以确定超声探头所在的平面位置、平面旋转角度θ和空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000061
，以此确定超声探头在空间中唯一的空间位置。
下面具体介绍使用超声耦合垫片确定超声探头所在平面位置、平面旋转角度θ、空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000062
的方法：
在本实施例中以普通线阵超声探头为例，当超声探头如图2所示放置于超声耦合垫片顶面101中部位置时，根据超声成像原理，第一组反射颗粒线反射回来的声波信息将表现为P、A、O、B四个点，第二组反射颗粒线反射回来的声波信息将表现为沿超声耦合垫片深度方向上的M、N、K三个点。
步骤1：利用P、A的位置关系，确定初始状态下超声探头左右侧的位置。若超声探头的左侧接近P点，则两个紧邻的点将会出现在成像的左侧，反之，若两个紧邻的点出现在成像的右侧，则此时超声探头的右侧接近P点。
步骤2：利用A、O、B三点，判断超声探头在超声耦合垫片上的位置，具体判断方式为：根据线段AO和线段OB的长度比值确定当前超声探头在反射颗粒线1上的位置；随着超声探头沿反射颗粒线1运动时，线段AO和线段OB的长度会随之发生变化，且两者的比值与当前超声探头在反射颗粒线1上的位置有着一一对应的关系，若LAO/LOB>1，则超声探头位于超声耦合垫片的左侧，反之，则超声探头位于超声耦合垫片的右侧。
当超声探头绕着点O发生平面偏转角度时，利用图3所述的相似三角形仍可以得到以上同样结论。具体的，过点O作反射颗粒线2、反射颗粒线4的垂线，分别得到垂足A'、B'，并得到两个相似三角形AA'O和BB'O，根据相似三角形的对应边呈比例的关系，同样可以根据线段AO和线段OB的长度比值确定当前超声探头在耦合垫片上的位置。
步骤3：利用A，O，B三点，确定超声探头与反射颗粒线1的平面旋转角度θ；过点A作反射颗粒线4的垂线AH，由初始设计可知AH的长度，通过成像中得到的AB长度，计算平面旋转角度θ的正弦值，该正弦值将在0-180°中对应两个角度。
若如图4所示，A在B的右侧，即A的横坐标大于B的横坐标，则该角度为0-90°；
θ＝arcsin(LAH/LAB)
若如图5所示，A在B的左侧，即A的横坐标小于B的横坐标，则该角度为90-180°。
θ＝180°-arcsin(LAH/LAB)
步骤4：利用M、N、K三点，确定超声探头空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000071
；
当超声探头如图6-8所示放置时，根据超声成像原理，第二组反射颗粒线5-7反射回来的声波信息将表现为在沿超声耦合垫片深度方向上得到三个成像点M、N、K；
若垂直扫射，M、N、K三点的横纵标相同，如图6所示；根据线段MN和线段NK的长度比值确定当前超声探头在超声耦合垫片上的横坐标位置,判断方法同步骤2，此处不再详述；
当空间旋转角度φ后，成像上会呈现图7-8所示变化，过点M作反射颗粒线7的垂线MH'，由初始设计可知MH'的长度，通过成像可以得到MK的长度，由此可以计算出角度α，即
α＝arccos(LMH'/LMK)
由此，根据空间角度关系和α，可计算出空间旋转角度
Figure BDA0003298410110000081
。
若如图7所示，M在K的右侧，即M的横坐标大于K的横坐标，则空间旋转角度φ为90-180°，计算公式为：
Figure BDA0003298410110000082
若如图8所示，M在K的左侧，即M的横坐标小于K的横坐标，则该角度为0-90°，计算公式为：
Figure BDA0003298410110000083
本发明使用超声耦合垫片，通过在超声耦合垫片中预嵌特定形状的反射颗粒线，通过超声成像即可确定超声探头所在的平面位置、平面旋转角度和空间旋转角度，使用这三个数据可在空间中唯一确定超声探头的空间位置，从而在后续智能超声中使用该位置信息。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种超声探头自定位装置，其特征在于：包括超声仿体，所述超声仿体内嵌设有一定形式排布的反射颗粒线。
2.根据权利要求1所述的超声探头自定位装置，其特征在于：所述超声仿体为超声耦合垫片(10)。
3.根据权利要求2所述的超声探头自定位装置，其特征在于：所述反射颗粒线有两组，第一组反射颗粒线(20)包含线性排布的反射颗粒线1-4(1、2、3、4)，横向排布于超声耦合垫片的顶面(101)，其中反射颗粒线2-4组成N字形，反射颗粒线1(1)与反射颗粒线2(2)平行且紧邻排布，呈“1N”字形；第二组反射颗粒线(30)包含线性排布的反射颗粒线5-7(5、6、7)，纵向排布于超声耦合垫片的纵向中心面上，呈“N”字形。
4.一种根据权利要求3所述的超声探头自定位装置的自定位方法：其特征在于：工作时使超声耦合垫片的顶面(101)与超声探头贴合，超声耦合垫片的底面(102)放置于接触平面，根据超声耦合垫片中预设的反射颗粒线的超声成像，确定超声波探头的平面位置、平面旋转角度θ和空间旋转角度
Figure FDA0003298410100000011
以此确定超声探头的空间位置。
5.根据权利要求4所述的超声探头自定位装置的自定位方法，其特征在于：确定超声波探头的平面位置、平面旋转角度和空间旋转角度的方法为：根据超声成像原理，第一组反射颗粒线反射回来的回波信息将表现为超声耦合垫片宽度方向上的P、A、O、B四个点，第二组反射颗粒线反射回来的声波信息将表现为沿超声耦合垫片深度方向上的M、N、K三个点；
步骤1：利用P、A的位置关系，确定初始状态下超声探头左右侧的位置；
步骤2：利用A、O、B三点，判断超声探头在超声耦合垫片上的平面位置；
步骤3：利用A、O、B三点，确定超声探头的平面旋转角度θ；
步骤4：利用M、N、K三点，确定超声探头空间旋转角度
Figure FDA0003298410100000021
6.根据权利要求5所述的超声探头自定位装置的自定位方法，其特征在于：在步骤2中，判断超声探头在超声耦合垫片上的平面位置的具体方式为：根据线段AO和线段OB的长度比值确定当前超声探头的平面位置。
7.根据权利要求5所述的超声探头自定位装置的自定位方法，其特征在于：在步骤3中，确定超声探头的平面旋转角度θ的方法为：过点A作反射颗粒线4的垂线AH，由初始设计可知AH的长度，通过成像中得到的AB长度，计算平面旋转角度θ，即
θ＝arcsin(LAH/LAB)或θ＝180°-arcsin(LAH/LAB)。
8.根据权利要求5所述的超声探头自定位装置的自定位方法，其特征在于：在步骤4中，确定超声探头空间旋转角度的方法为：过点M作反射颗粒线7的垂线MH'，由初始设计可知MH'的长度，通过成像可以得到MK的长度，计算出角度α，即
α＝arccos(LMH'/LMK)
根据空间角度关系和α，可计算出空间旋转角度
Figure FDA0003298410100000022
即
Figure FDA0003298410100000023
或
Figure FDA0003298410100000024
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