CN102697526B - 超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，包括探头、支架和图形工作站。探头具有内凹的端部，发射超声波并接收回波，采集浅表组织与器官的垂直体表方向的二维超声图像。探头安装在支架上，支架驱动探头移动并产生触发信号，探头依据触发信号采样连续的多帧二维超声图像。图形工作站连接到探头，获取二维超声图像容积数据，基于二维超声图像重构浅表组织与器官的三正交切面，即横切面、矢状面和冠状面图像，图形工作站包括预处理服务器、切面图像处理服务器和三正交切面同步处理服务器。本发明的采用具有凹形端面的探头，适合于探测乳腺、甲状腺、四肢及躯干等浅表组织和器官，图形工作站的三正交切面成像的过程更加简单。

Description

超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备

技术领域

本发明涉及医学影像设备领域，尤其涉及一种用于浅表组织与器官的容积成像设备。

背景技术

超声（Ultrasound）医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科。凡研究高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用即超声医学。包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程等，所以超声医学具有医、理、工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗疾病中有很高的价值。

超声医学的中的一个重要的项目就是超声成像技术。超声成像技术就是由一探头发射超声波并接收反射的超声波。依据超声波的回声信号来产生图像。每秒振动2万-10亿次，人耳听不到的声波称为超声波。利用超声波的物理特性进行诊断和治疗的影像学科，称为超声影像学。其临床应用范围广泛，目前已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法。

目前常规的超声诊断仪器包括主机和探头，一个主机可以配置一个、两个或更多的探头，而一个探头内可以安装数十个以至上千个以上晶片，这些晶片组成阵元，依次轮流工作、发射和接收声能。晶片由电致伸缩材料构成，担任电/声或声/电的能量转换，故也称为换能器。探头的种类按频率分有单频、多频和宽频探头。按压电晶片的排列分有线阵、环阵、凸阵，按用途分又有体表、腔内、管内等等。

超声诊断的基本原理如下：超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。

一般的普通超声所采集的图像为二维平面图像，目前普通超声是使用最为广泛的超声诊断技术。但是二维平面图像有其局限性，通常只能观察到垂直体表或稍有一定角度切面的组织情况，并且受位置等影响较大，无法实现冠状面的观察诊断。

近年来，为了克服传统普通超声的不足，研发了三维超声技术。三维超声的基本工作原理如下：通过机械工艺保证探头的匀速运行，在匀速运行的探头所观察到的二维平面图像中，以固定的时间间隔采样图像，比如以10ms为间隔采集由探头采集的二维平面图像。在获取了一系列的平面图像后，将这些平面图像以图像帧的形式提供给图形工作站，由图形工作站依据这些图像帧进行建模，产生三维模型，达到三维超声的效果。图形工作站通常采用一种称为三维容积断层技术（iSlice）来处理由探头采集的二维平面图像，将这些二维平面图像构建成三维图形，从而可以重建出各个方向切面（包括冠状面）图像。用于浅表组织和器官的三维超声探头结构复杂，外观呈方形，使用起来就像对病灶加盖印章，对于稍大的病灶很难获取其完整图像信息。最近，基于乳放的结构特点，超声厂家开发出了自动乳腺容积扫描（auto breast volume scanner,ABVS），并在部分大医院开始应用于临床，其探头采用特制的15.4cm长的线阵探头，扫描距离达16.8cm。通过机械工艺保证探头的匀速运行，在匀速运行的过程中按一定的时间间隔采样二维平面图像图像，然后由图形工作站重建出冠状面图像。由于其体积庞大，不适用于应用于甲状腺、四肢等部位的检测。他们共同的缺点是应用的灵活性不足，全套设备成本高昂，很多医院难以承受，不适合广泛推广。

发明内容

本发明旨在提出一种适用于乳腺、甲状腺和四肢等浅表组织与器官的容积扫描断层成像设备。

根据本发明的一实施例，提出一种超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，包括探头、支架和图形工作站。探头为具有内凹的端部，发射超声波并接收回波，生成浅表组织与器官的垂直体表方向的二维超声图像。探头安装在支架上，支架驱动探头移动并产生触发信号，探头依据触发信号采样连续的多帧二维切面超声图像数据，所述支架包括：支架本体，支架本体上设置有滑轨；探头固定件，探头固定件滑动安装在滑轨上，探头固定件固定所述探头；驱动机构，驱动机构驱动探头固定件连同探头沿滑轨移动；信号发生器，信号发生器探测探头固定件的位置，信号发生器基于探头固定件的位置产生触发信号，信号发生器连接到所述探头，探头按一定的时间间隔等距离采集二维超声图像数据。图形工作站连接到超声探头，获取超声探头采集的二维超声图像容积数据，基于二维超声图像重构浅表组织与器官的三正交切面，即横切面、矢状面和冠状面图像，图形工作站包括预处理服务器、切面图像处理服务器和三正交切面同步处理服务器。

在一个实施例中，探头固定件包括滑块和架托，滑块滑动安装在滑轨上，架托固定连接到滑块，探头架设在架托上，架托上具有弹簧件，弹簧件夹紧探头。

在一个实施例中，驱动机构为步进电机，步进电机驱动滑块沿滑轨移动，信号发生器连接到步进电机，信号发生器包括距离计算器、缓冲触发器和信号产生器。距离计算器连接到步进电机，根据步进电机的旋转周数计算探头固定件的移动距离。缓冲触发器连接到距离计算器，缓冲触发器累加探头固定件的移动距离，累加的移动距离达到触发值则发出触发信号并清空缓冲触发器。信号产生器连接到缓冲触发器，信号产生器根据触发信号产生采样信号。

在一个实施例中，预处理服务器包括滤波装置、增强装置和分割装置。滤波装置对二维超声图像进行滤波消除噪声。增强装置基于灰度分布增强二维超声图像中的感兴趣区域。分割装置获取每一帧二维超声图像中对应的切面的数据，依据切面的数据建立直方图，依据直方图确定分割阈值并对感兴趣区域进行分割，分割装置使用下述之一的方法对感兴趣区域进行分割：区域生长、全交互分割和Fast marching。

在一个实施例中，切面图像处理服务器包括横切面成像装置、矢状面成像装置冠状面成像装置，使用与分割对应的Marching Cubes方法绘制浅表组织与器官的横切面、矢状面和冠状面图像。

在一个实施例中，三正交切面同步处理服务器包括空间同步装置和时间同步装置，空间同步装置采用空间算法使得浅表组织与器官的三正交切面超声图像在空间上同步，时间同步装置基时间同步算法使得浅表组织与器官的三正交切面超声图像在时间上同步。

本发明的超声浅表组织与器官容积成像设备采用具有凹形端面的探头，根据实际情况可设计为长度7-12cm，频率7-15MHz，所述探头采集的连续多帧二维切面超声图像容积数据，适合于探测表面具有一定弧度的乳腺、甲状腺和四肢等浅表组织和器官，该设备具有较好的适应性，支持多种数据格式，图形工作站的三正交横切面、矢状面和冠状面重建过程更加简单，可以简化图工作站的要求，该超声浅表组织与器官容积成像设备能够实现小型化和便携化。

附图说明

图1揭示了根据本发明的一实施例的超声浅表组织与器官容积成像设备的结构图。

图2a和2b揭示了根据本发明的一实施例的探头的结构。

图3揭示了根据本发明的一实施例的支架与探头的结构图。

图4a与图4b是图3所示的结构的局部放大图。

图5揭示了根据本发明的一实施例的预处理服务器的结构。

图6揭示了根据本发明的一实施例的切面处理服务器的结构。

图7揭示了根据本发明的一实施例的三正交切面同同步处理服务器的结构。

具体实施方式

参考图1所示，图1揭示了根据本发明的一实施例的超声浅表组织与器官容积成像设备的结构图。该超声浅表组织与器官容积成像设备100包括：探头102、支架104和图形工作站106。探头102发射超声波并接收回波，探头102具有内凹的端部，探头102采集浅表组织与器官的连续的多帧二维切面超声图像数据。探头102安装在支架104上，支架104驱动探头移动并产生触发信号，探头102依据触发信号采样一个切面的二维超声图像。图形工作站106连接到探头102，图形工作站106获取探头102生成的二维超声图像，基于二维超声图像重构浅表组织与器官的横切面、矢状面和冠状面图像，图形工作站106包括预处理服务器107、切面图像处理服务器108和三正交切面同步处理服务器109。

图2a和2b揭示了根据本发明的一实施例的超声浅表组织与器官容积成像设备的探头的结构。本发明主要适用于对浅表组织与器官的超声扫描成像，根据乳腺、甲状腺和四肢等浅表组织与器官的具有一定生理弧度的特点，本发明使用的探头102的端面是内凹的。根据不同的应用需求，内凹的端面可以是大圆弧凹面，比如图2a所示的形式，或者小圆弧凹面，比如图2b所示的形式。探头102发射超声波并接收回波，根据回波采集浅表组织与器官的连续的多帧二维切面超声图像数据。在一个实施例中，探头102采集的二维超声图像是DICOM格式，采集的频率是每秒30帧，或者相当于每秒30帧的采集密度。

图3揭示了根据本发明的一实施例的超声浅表组织与器官容积成像设备中支架与探头的结构图。如图3所示，支架104包括如下的结构：支架本体202、探头固定件204、驱动机构206和信号发生器208。

支架本体202可以呈矩形盒状，材质可以选用有机玻璃，也可以使用其他材质。可依据探头的长度设计相适应的支架体宽度，支架体的长度可设计为7－12cm。支架本体202的顶部和底部都可以开口。如图3所示，支架本体202的侧壁上安装有滑轨203。在图3所示的实施例中，滑轨203是沿水平方向布置的滑轨。参考图4a和图4b所示的局部放大图，探头固定件204滑动安装在滑轨203上，探头固定件204固定探头102。探头固定件204包括滑块240和架托241。滑块240滑动安装在支架本体202的滑轨203上。在图3、4a和4b所示的实施例中，滑轨203是水平方向布置的滑轨，因此滑块240是竖直方向设置的滑块，滑块240包括插入在滑轨之间的杆部和一体积较大的头部。架托241固定连接到滑块240，架托241共有两个，分别设置在探头102的两侧，架托241从两侧夹紧探头102。架托241上设置有弹簧件242，弹簧件242连接在架托241和滑块240之间，弹簧件242向架托241施加向内的弹簧力，夹紧探头102。

驱动机构206驱动探头固定件204连同探头102沿滑轨203移动。在图3所示的实施例中，驱动机构206为步进电机，步进电机驱动滑块240沿滑轨203移动。信号发生器208探测探头固定件204的位置，信号发生器208基于探头固定件204的位置产生触发信号，信号发生器208连接到探头102。探头102依据触发信号采样一个切面的二维超声图像。信号发生器208依据驱动机构206，即步进电机的运转周数来计算探头固定件204的位置。步进电机可以准确记录其运转周数，并且根据运转周数可以计算出其驱动的探头固定件204的移动距离。在该种实现方式中，信号发生器208包括如下的部件：距离计算器、缓冲触发器和信号产生器。距离计算器连接到步进电机，根据步进电机的旋转周数计算探头固定件的移动距离，即根据步进电机的旋转周数乘以每一周对应的移动距离得出探头固定件的移动距离。缓冲触发器连接到距离计算器，缓冲触发器累加探头固定件的移动距离，累加的移动距离达到触发值则发出触发信号并清空缓冲触发器。缓冲触发器可以设置一个触发值，比如0.001mm，每次当距离计算器计算探头固定件的移动距离达到0.001mm时，缓冲触发器发出触发信号，并且清空缓存触发器，等待下一次的触发。信号产生器连接到缓冲触发器，信号产生器根据触发信号产生采样信号。触发值的设置是根据采样密度的要求，如果采样密度要求为每秒30帧，那么可以计算得到相应的触发值。

图形工作站106连接到探头102，图形工作站106获取探头102采集的二维超声图像，基于二维超声图像重构浅表组织与器官的三正交横切面、矢状面和冠状面图像。图形工作站106包括预处理服务器107、切面图像处理服务器108和三正交切面同步处理服务器109。

图5揭示了根据本发明的一实施例的预处理服务器的结构。预处理服务器107包括滤波装置170、增强装置171和分割装置172。滤波装置170对二维超声图像进行滤波消除噪声。滤波是针对噪声而言，现在图像质量比较好，不过对于某些场合还是需要进行滤波操作的，滤波采用一般的图像处理滤波。增强装置171基于灰度分布增强二维超声图像中的感兴趣区域。分割装置172获取每一帧二维超声图像中对应的切面的数据，依据切面的数据建立直方图，直方图有助于用户交互式分割确定阐值，了解大概的图像灰度分布信息。分割装置172依据直方图确定分割阈值并对感兴趣区域进行分割，分割装置172使用下述之一的方法对感兴趣区域进行分割：区域生长、全交互分割和Fast marching。分割装置172还对分割后的结果进行统计，并保存在数据库中，还可以对各种输入数据的格式进行转换并保存结果。

图6揭示了根据本发明的一实施例的切面处理服务器的结构。切面处理服务器108包括横切面绘制装置180、矢状面绘制装置181和冠状面绘制装置182。切面绘制装置180使用与分割对应的Marching Cubes方法绘制浅表组织与器官横切面、矢状面和冠状面图像。

图7揭示了根据本发明的一实施例的三正交切面同步处理服务器的结构。三正交切面同步处理服务器109包括空间同步装置190和时间同步装置191。三正交切面同步处理保证横切面、矢状面和冠状面在空间上和时间上相互对应，同步显示。

本发明的超声浅表组织与器官容积成像设备采用具有凹形端面的探头，更加适合于探测表面具有一定弧度的乳腺、甲状腺和四肢等浅表组织和器官，该设备具有较好的适应性，图形工作站的断层成像的过程更加简单，可以简化图工作站的要求，该超声浅表组织与器官容积成像设备能够实现小型化和便捷化。

Claims (8)

1.一种超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，包括

探头，探头发射超声波并接收回波，探头具有内凹的端部，探头采集浅表组织与器官的连续多帧二维切面超声图像容积数据；

支架，所述探头安装在支架上，支架驱动探头移动并产生触发信号，所述探头依据触发信号采样连续多帧二维切面超声图像数据，所述支架包括：

支架本体，支架本体上设置有滑轨；

探头固定件，探头固定件滑动安装在滑轨上，探头固定件固定所述探头；

驱动机构，驱动机构驱动探头固定件连同探头沿滑轨移动；

信号发生器，信号发生器探测探头固定件的位置，信号发生器基于探头固定件的位置产生触发信号，信号发生器连接到所述探头，探头按一定的时间间隔等距离采集二维超声图像数据；

图形工作站，连接到所述探头，图形工作站获取所述探头采集的连续多帧二维切面超声图像容积数据，基于二维超声图像重构浅表组织与器官的正交横切面、矢状面和冠状面超声图像，所述图形工作站包括预处理服务器、切面图像处理服务器和三正交切面同步处理服务器。

2.如权利要求1所述的超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，所述探头固定件包括：

滑块，滑块滑动安装在滑轨上；

架托，架托固定连接到所述滑块，探头架设在所述架托上，所述架托上具有弹簧件，弹簧件夹紧所述探头。

3.如权利要求2所述的超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，所述驱动机构为步进电机，步进电机驱动所述滑块沿滑轨移动，所述信号发生器连接到所述步进电机，信号发生器包括：

距离计算器，距离计算器连接到步进电机，根据步进电机的旋转周数计算探头固定件的移动距离；

缓冲触发器，连接到距离计算器，缓冲触发器累加探头固定件的移动距离，累加的移动距离达到触发值则发出触发信号并清空缓冲触发器；

信号产生器，信号产生器连接到缓冲触发器，信号产生器根据触发信号产生采样信号。

4.如权利要求1所述的超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，所述预处理服务器包括滤波装置、增强装置和分割装置；

所述滤波装置对二维超声图像进行滤波消除噪声；

所述增强装置基于灰度分布增强二维超声图像中的感兴趣区域；

所述分割装置获取每一帧二维超声图像中对应的切面的数据，依据切面的数据建立直方图，依据直方图确定分割阈值并对感兴趣区域进行分割，所述分割装置使用下述之一的方法对感兴趣区域进行分割：区域生长、全交互分割和Fast marching。

5.如权利要求4所述的超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，所述切面图像处理服务器包括横切面成像装置、矢状面成像装置冠状面成像装置；

所述切面图像成像装置使用与分割对应的Marching Cubes方法绘制浅表组织与器官的横切面、矢状面和冠状面图像。

6.如权利要求3所述超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，所述三正交切面同步处理服务器包括空间同步装置和时间同步装置；

所述空间同步装置采用空间算法使得浅表组织与器官的三正交切面超声图像在空间上同步；

所述时间同步装置基时间同步算法使得浅表组织与器官的三正交切面超声图像在时间上同步。

7.如权利要求1所述的超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，

所述探头的端面为大圆弧凹面或者小圆弧凹面，可根据实际情况可设计为长度7-12cm，频率7-15MHz，所述探头采集的连续多帧二维切面超声图像容积数据。

8.如权利要求7所述的超声浅表组织与器官容积扫描断层成像设备，其特征在于，所述连续多帧二维切面超声图像是DICOM格式，采集的频率是每秒30帧。

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