物理調(diào)焦軟耦合自動(dòng)掃描超聲探測(cè)成像裝置與方法
【專利說(shuō)明】
[0001]技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)超聲探測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種物理調(diào)焦軟耦合自動(dòng)掃描超聲探測(cè)成像裝置與方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
醫(yī)學(xué)超聲探測(cè)是指將超聲探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于人體，對(duì)人體組織進(jìn)行探測(cè)和成像，屬于醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)。醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)有X射線、CT檢查、超聲探測(cè)檢查、核磁共振等幾種，但是X射線、CT檢查都對(duì)人體有害，不適合用于進(jìn)行經(jīng)常性體檢；核磁共振檢查對(duì)人體無(wú)害，但是儀器龐大、成本較高，不適合推廣至普通體檢中。醫(yī)學(xué)超聲探測(cè)檢查對(duì)人體無(wú)害，成本較低，且可以檢查和幫助診斷大約30%的疾病，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]超聲探測(cè)技術(shù)為向人體發(fā)送超聲波，超聲波遇到介質(zhì)不同的界面，比如從皮膚進(jìn)入脂肪、從脂肪進(jìn)入骨骼等具有不同聲阻抗的介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，提取發(fā)送超聲信號(hào)和反射超聲信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行處理并成像，即可以得到超聲探測(cè)影像。然而，雖然超聲檢測(cè)應(yīng)用非常廣泛，但是現(xiàn)在醫(yī)學(xué)超聲探測(cè)圖像不清晰，只有有經(jīng)驗(yàn)并有一定專業(yè)知識(shí)的醫(yī)生才能讀懂超聲影像。歸納起來(lái)，主要有以下一些問(wèn)題:
第一，現(xiàn)有的超聲探測(cè)系統(tǒng)軸向探測(cè)精度尚可，但側(cè)向(橫向)探測(cè)精度低。超聲探測(cè)的側(cè)向分辨率是指超聲波能測(cè)出的橫向上兩個(gè)界面的最小距離。側(cè)向分辨率與波束寬度有關(guān)，因此，直接與發(fā)送探頭和接收探頭的面積有關(guān)。減小接收探頭的接收面積，可以提高分辨率，但是卻會(huì)降低接收功率，使信號(hào)變得微弱。
[0004]第二，現(xiàn)有的超聲探測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚焦，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)較為復(fù)雜。相控陣探頭上有許多換能器晶片，可通過(guò)計(jì)算機(jī)給每一個(gè)換能器晶片獨(dú)立施加不同的延時(shí)激發(fā)，多路超聲信號(hào)相干，使得在焦點(diǎn)處附近產(chǎn)生的超聲信號(hào)最強(qiáng)，通過(guò)軟件控制產(chǎn)生波束的角度、聚焦位置和焦點(diǎn)尺寸。但是硬件上需要多個(gè)換能器晶片形成陣列，比如排列成線陣、圓陣等，并對(duì)多個(gè)晶片進(jìn)行精確地激發(fā)。另外，相控陣的聚焦能力與晶片數(shù)量有關(guān)，能激發(fā)的晶片數(shù)越多，聚焦能力越強(qiáng)、范圍越大，換能器晶片陣列固化之后，聚焦能力固定。
[0005]第三，現(xiàn)有超聲探測(cè)系統(tǒng)圖像拼接反演效果較差。現(xiàn)在的超聲探頭是醫(yī)生手動(dòng)控制，探頭在人體皮膚表面朝著目標(biāo)器官一側(cè)移動(dòng)，獲取一系列二維切面圖像，再通過(guò)軟件算法進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接，得到反映組織或者器官結(jié)構(gòu)的全景圖像。在對(duì)探測(cè)得到的圖像進(jìn)行拼接時(shí)，由于超聲探頭的位置隨機(jī)，且沒(méi)有確定的先驗(yàn)坐標(biāo)信息，因此拼接精度不高。
[0006]第四，現(xiàn)有的超聲探測(cè)系統(tǒng)存在近場(chǎng)盲區(qū)。現(xiàn)有的超聲探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送脈沖信號(hào)，為了避免發(fā)送信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的干擾，發(fā)送的同時(shí)不接收，等待脈沖信號(hào)發(fā)送完畢后才轉(zhuǎn)為接收模式，因此在發(fā)送脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)的反射界面反射的回波信號(hào)會(huì)丟失，也就是說(shuō)，現(xiàn)有的超聲探測(cè)無(wú)法對(duì)距離探頭非常近的皮膚淺層進(jìn)行探測(cè)。
[0007]第五，現(xiàn)有超聲探測(cè)耦合效果不好。超聲從超聲探頭，進(jìn)入到人體時(shí)，需要耦合。因?yàn)榭諝獾穆曌杩狗浅４?，如果耦合不好，超聲信?hào)經(jīng)過(guò)空氣就大幅衰減，而只有少量超聲信號(hào)進(jìn)入到人體。因此，需要在人體表面涂抹醫(yī)用耦合劑排除探頭與人體之間的空氣，實(shí)現(xiàn)耦合。由于超聲探頭是形狀固定的硬質(zhì)器件，在與人體耦合的時(shí)候不僅需要涂抹大量的耦合劑，有時(shí)還需要醫(yī)生用力按壓才能實(shí)現(xiàn)較好的耦合。
[0008]總之，現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)超聲探測(cè)存在橫向分辨率低、拼接反演效果較差、存在近場(chǎng)盲區(qū)以及耦合效果不好等問(wèn)題。
[0009]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
為克服現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)超聲探測(cè)存在橫向分辨率低、拼接反演效果較差、近場(chǎng)盲區(qū)以及耦合效果不好等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種物理調(diào)焦軟耦合自動(dòng)掃描超聲探測(cè)成像裝置與方法。
[0010]物理調(diào)焦軟耦合自動(dòng)掃描超聲探測(cè)成像裝置，包括物理調(diào)焦軟耦合探頭裝置和數(shù)據(jù)處理后臺(tái)。物理調(diào)焦軟耦合探頭裝置和數(shù)據(jù)處理后臺(tái)之間通過(guò)有線或者無(wú)線的方式通
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[0011]所述物理調(diào)焦軟耦合自動(dòng)掃描超聲探測(cè)成像裝置中的數(shù)據(jù)處理后臺(tái)，用于產(chǎn)生寬頻探測(cè)信號(hào)和收發(fā)探頭陣列掃描位置信息，發(fā)送上述寬頻探測(cè)信號(hào)和收發(fā)探頭陣列掃描位置信息給物理調(diào)焦軟耦合探頭裝置，并對(duì)物理調(diào)焦軟耦合探頭裝置接收到的探測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行處理和成像。
[0012]所述的物理調(diào)焦軟耦合探頭裝置包含軟耦合薄膜球、自動(dòng)掃描超聲探頭和支架。所述的軟耦合薄膜球是由透聲性能好的柔軟薄膜制成的球體，薄膜材質(zhì)應(yīng)具有較好的彈性和韌性，比如可以是硅膠、乳膠、單一聚亞胺酯、聚氨酯等。軟耦合薄膜球的大小可依據(jù)具體應(yīng)用而定。軟耦合薄膜球體內(nèi)部充滿了透聲性能好、聲阻抗小的耦合液體，比如水、油。支架用于支撐和固定軟耦合薄膜球以及自動(dòng)掃描超聲探頭，支架可以移動(dòng)，并可以上下左右調(diào)整，以使得軟耦合薄膜球和自動(dòng)掃描超聲探頭可以上下左右調(diào)整，以便于調(diào)整軟耦合薄膜球和被探測(cè)人體之間的相對(duì)位置。
[0013]所述的物理調(diào)焦軟耦合探頭裝置的自動(dòng)掃描超聲探頭包含收發(fā)探頭陣列、控制模塊和可升降機(jī)械臂，其中收發(fā)探頭陣列和可升降機(jī)械臂內(nèi)置于軟耦合薄膜球中，而控制模塊可在軟耦合薄膜球外。
[0014]上述自動(dòng)掃描超聲探頭的控制模塊包含控制單元、存儲(chǔ)單元和通信單元?？刂茊卧糜诳刂谱詣?dòng)掃描超聲探頭中各個(gè)模塊的工作，以及控制可升降機(jī)械臂的移動(dòng)；存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)寬頻探測(cè)信號(hào)和收發(fā)探頭陣列掃描位置信息，以及緩存收發(fā)探頭陣列接收到的回波信號(hào)；通信單元負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)處理后臺(tái)通過(guò)有線或者無(wú)線的方式進(jìn)行通信，包括接收來(lái)自于數(shù)據(jù)處理后臺(tái)的寬頻探測(cè)信號(hào)和收發(fā)探頭陣列掃描位置信息，以及將收發(fā)探頭陣列接收到的回波信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理后臺(tái)進(jìn)行處理。收發(fā)探頭陣列安裝在可升降機(jī)械臂的底部，收發(fā)探頭陣列和可升降機(jī)械臂均與控制模塊相連。
[0015]上述自動(dòng)掃描超聲探頭的收發(fā)探頭陣列包含寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭和可調(diào)焦接收探頭陣列以及支架。可調(diào)焦接收探頭陣列由多個(gè)可調(diào)焦接收探頭組成，它們以寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭為中心排列?？烧{(diào)焦接收探頭的個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求而定，個(gè)數(shù)越多，越有利于得到分辨率高的超聲圖像。支架用于固定和支撐寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭和可調(diào)焦接收探頭陣列。
[0016]上述寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭和可調(diào)焦接收探頭中均包含能量物理調(diào)焦器。能量物理調(diào)焦是利用物理裝置進(jìn)行能量聚焦和焦點(diǎn)尺寸的控制，與相控陣?yán)枚鄠€(gè)晶片產(chǎn)生的信號(hào)相干以實(shí)現(xiàn)聚焦不同。能量物理調(diào)焦器是由扇形柔性薄片卷成的空心錐形體，上述柔性薄片由聲阻抗高的材料制成。該空心錐形體的一個(gè)端面口徑較大，另外一個(gè)端面口徑較小。該空心錐形體的外壁可以是直的，也可以是向外凸出或者向內(nèi)凹?？趶捷^大的端面面積固定，口徑較小的端面的一側(cè)設(shè)有調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)口徑較小端面的面積，即是調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的尺寸。比如可以是用金屬絲環(huán)繞扇形柔性薄片卷成的空心錐形體外部，通過(guò)擰緊金屬絲兩端的螺母或者松開(kāi)螺母調(diào)節(jié)柔性薄片卷合的松緊程度，改變口徑較小的端面的面積。
[0017]所述寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭由超聲換能器和能量物理調(diào)焦器組成。超聲換能器是寬頻大功率超聲換能器，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與超聲信號(hào)、超聲信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使用已有的超聲換能器技術(shù)，可以是壓電超聲換能器，也可以是其它超聲換能器。如果耦合液是非絕緣的，比如水，則超聲換能器要以聲阻抗小的防水材料封裝。上述寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭的能量物理調(diào)焦器口徑較大的端面面積固定，其上安置超聲換能器，超聲換能器的面積與能量物理調(diào)焦器的口徑較大的端面的面積一樣，超聲換能器緊密貼合在口徑較大的端面上。上述能量物理調(diào)焦器的口徑較小的一個(gè)端面靠近探測(cè)目標(biāo)。能量物理調(diào)焦器靠近口徑較小的端面的一側(cè)設(shè)有調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)口徑較小端面的面積，即是調(diào)節(jié)發(fā)送焦點(diǎn)的尺寸。比如可以是環(huán)繞能量物理調(diào)焦器的鐵絲和螺母，可通過(guò)擰緊螺母或者松開(kāi)螺母調(diào)節(jié)能量物理調(diào)焦器中的柔性薄片卷合的松緊程度，改變口徑較小的端面的面積。由于寬頻大功率可調(diào)焦發(fā)送探頭內(nèi)置于軟耦合薄膜球體中，因此，能量物理調(diào)焦器內(nèi)部充滿耦合液體，超聲換能器產(chǎn)生的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)能量物理調(diào)焦器內(nèi)部的耦合液體，從能量物理調(diào)焦器口徑較小的端面發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)大功率超聲換能器的能量聚焦發(fā)送。