CN103961140B - 一种超声探头定位传感器固定装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声探头定位传感器固定装置，其特征在于：包括上盖和下盖，所述上盖设有定位传感器固定部和与下盖相扣的锁扣公端，所述下盖设有与上盖相扣的锁扣母端，所述上盖和下盖还设有防脱滑结构。所述定位传感器锁扣位于所述上盖的外表面正中部，用于扣住所述定位传感器，以保证当所述定位传感器固定在所述上盖外表面时，所述定位传感器的轴心线与所述超声探头轴心线平行且处于所述超声探头横向正中。本发明还提供一种探头校准方法。本发明提供的定位传感器固定装置，结构简单，定位传感器固定方便牢固。根据超声探头外部结构设计，大大缩短校准时间。本发明提供的探头校准方法方便、实用、可行性强。

Description

一种超声探头定位传感器固定装置及其方法

技术领域

本发明涉及超声诊断领域，特别涉及一种定位传感器固定装置及其方法。

背景技术

Freehand三维超声技术是一种获取三维超声成像的技术，它是将可以自由移动的定位传感器固定在传统的通用二维超声探头上，当探头扫描体内器官时，探头的空间位置被固定在上面的定位传感器所跟踪，二维图像中每一个像素点都对应三维空间中的一个点。

授权公告日为2012年7月25日的中国实用新型专利CN202342032U公开了一种基于磁场跟踪定位技术的电子产程图系统，其中胎头位置和方向的测算就是应用Freehand三维超声技术，将二维图像中标记的特征点的坐标映射到三维空间中，计算这种映射关系即称为探头校准。关于探头校准，国内外很多学者都提出了各自的实验模型，力求解决这些问题。Po-Wei Hsu等在《Freehand3DUltrasound Calibration:A Review》一文中对之前各学者研究的探头校准模型和校准算法进来全面的分析与比较。

这些探头校准方法准确度较高，可以比较准确的把二维超声图像中感兴趣的特征点映射到三维空间中。但是使用这类校准方法时，对操作人员要求很高，使用也非常不便，耗时也非常长。为此，本发明提出了一种新的超声探头定位传感器固定装置及其探头校准方法，利用定位传感器和超声探头的机械几何结构对探头进行校准。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种超声探头定位传感器固定装置，其特征在于：包括上盖和下盖，所述上盖设有定位传感器固定部和与下盖相扣的锁扣公端，所述下盖设有与上盖相扣的锁扣母端。所述上盖与下盖相扣成管状体，所述管状结构内部形状与所述超声探头手柄部外部形状相匹配。

进一步，为了防止所述固定装置滑脱，所述上盖和下盖还设有防脱滑结构。

使用时，将所述上盖和下盖分别从超声探头手柄部的上方和下方，通过锁扣和紧扣在一起，并使所述上盖和下盖的防脱滑结构与超声探头表面相匹配。

进一步，所述定位传感器固定部位于所述上盖的外表面正中部，用于扣住所述定位传感器，并保证当所述定位传感器固定在所述上盖外表面时，所述定位传感器的轴心线、与所述超声探头轴心线平行，所述定位传感器的顶端朝向所述超声探头的顶端。

进一步，所述定位传感器固定部还设有小孔，所述小孔用于固定所述定位传感器。

进一步，本实施例还提供一种基于超声探头定位传感器固定装置的探头校准方法，即提供一种计算超声图像中任一点P在定位传感器坐标系S的坐标PS的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1、将所述定位传感器、所述定位传感器固定装置依次锁扣在所述超声探头上；

步骤A2：所述定位传感器的中心点记为O，所述超声探头扫描表面的中心点记为B，所述超声探头扫描表面的两边界中点记为C、A，经过点C向所述定位传感器轴心线做垂线，交点记为D，经过点B向所述超声探头轴心线做垂线，交点记为E；

步骤A3：测量线段|OE|、|EB|、|CD|的长度，分别记为l、h、w；

步骤A4：建立定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I；

步骤A5：计算超声图像中任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标P^I；

步骤A6：计算点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S公式。

进一步，步骤A4中建立定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I方法如下：

定位传感器坐标系记为S，其原点在所述定位传感器固定部的中心点O，沿定位传感器固定装置中心轴向探头扫描方向为x轴正向，垂直于探头表面向下为y轴正向，以垂直xy方向为z轴正向，坐标轴x,y,z满足右手法则；超声平面α坐标系记为I，其原点在超声探头扫描表面的中心点B，x轴正向沿超声图像扫描方向，y轴正向沿超声图像横向向右，以垂直xy方向为z轴正向，坐标轴x,y,z满足右手法则。

定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I须满足以下关系：两个坐标系x轴正向平行且同向，定位传感器坐标系S的z轴正向和超声平面α坐标系I的y轴正向平行且同向，定位传感器坐标系S的y轴正向和超声平面α坐标系I的z轴正向平行且反向。

进一步，步骤A5中任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标P^I的计算方法，包括以下步骤：

步骤A51：测量线段|BP|的距离；

步骤A52：根据点B、P超声图像中的坐标，计算线段|BP|与超声平面α坐标系I的x轴正向的夹角θ和与超声平面α坐标系I的y轴正向的夹角δ；

步骤A53：计算点P在超声平面α坐标系I的横坐标：|BP|*cosθ，纵坐标：|BP|*cosδ，得出P^I＝(|BP|*cosθ,|BP|*cosδ,0,1)。

进一步，步骤A6中计算点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S公式：P^S＝(l+|BP|*cosθ,h,|BP|*cosδ,1。)

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明定位传感器固定装置，结构简单，定位传感器固定方便牢固。

2、使用本发明提供的定位传感器固定装置，根据超声探头外部结构设计，使用时，定位传感器与超声探头相对位置始终不便，只要超声探头不替换，探头校准公式即可以保持不变，大大缩短校准时间。

3、在某些应用场合下，特别是测量允许一定的误差范围(比如±0.3cm)的情况下，本发明提供的探头校准方法方便、实用、可行性强。

附图说明

图1为实施例1的超声探头定位传感器固定装置结构示意图；

图2为实施例1的定位传感器固定装置使用示意图；

图3为实施例1的定位传感器固定部与探头轴线关系示意图；

图4为实施例2的超声探头定位传感器固定装置结构示意图；

图5为实施例2的定位传感器固定装置使用示意图；

图6为实施例2的定位传感器固定部与探头轴线关系示意图；

图7为实施例1～2选用的定位传感器及其固定部结构示意图；

图8为实施例1～2的定位传感器固定装置及超声探头尺寸示意图；

图9为实施例1～2的定位传感器和超声图像坐标系三维示意图；

图10为实施例1～2的超声图像坐标系二维示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

作为本发明的第1个实施例，如图1～3所示，一种超声探头定位传感器固定装置，其特征在于：包括上盖101和下盖102，所述上盖101设有定位传感器固定部1013和与下盖102相扣的锁扣公端1012，所述下盖102设有与上盖101相扣的锁扣母端1022。所述上盖101与下盖102相扣成管状体，所述管状结构内部形状与超声探头手柄部外部形状相同。

进一步，为了防止所述定位传感器固定装置从超声探头滑脱，所述上盖101和下盖102还分别设有条状防脱滑孔1011、1021。

本实施例中，所述超声探头为腹部探头，如图2所示。所述超声探头手柄部上下各有三排条状突起，为了防止定位传感器固定装置脱滑，所述上盖101和下盖102分别相应的设有可透过条状突起的条状防脱滑孔1011、1021。

使用时，如图2～3所示，将所述上盖101和下盖102从超声探头手柄部两侧，通过锁扣1012和1022紧扣在一起，并使超声探头的条状突起与所述上盖101、下盖102的条状防脱滑孔1011、1021相匹配，以保证正常使用时，所述定位传感器固定装置与超声探头相对位置保持不变，并防止所述定位传感器固定装置滑脱。

进一步，如图3所示，所述定位传感器固定部1013位于所述上盖101的外表面正中部，用于扣住定位传感器，并保证当所述定位传感器固定在所述上盖外表面时，所述定位传感器的轴心线301、与所述超声探头轴心线302平行，所述定位传感器的顶端朝向所述超声探头顶端。

实施例2

作为本发明的第2个实施例，如图4～6所示，一种超声探头定位传感器固定装置，其特征在于：包括上盖401和下盖402，所述上盖401设有定位传感器固定部4013和与下盖402相扣的锁扣公端4014，所述下盖402设有与上盖401相扣的锁扣母端4024。所述上盖401与下盖402相扣成管状体，所述管状结构内部形状与超声探头手柄部外部形状相同。

进一步，为了防止所述定位传感器固定装置滑脱，所述上盖401和下盖402还分别设有条状防脱滑孔4011、4021和心形凹陷4012、4022。

本实施例中，所述超声探头为腹部探头，如图5所示。所述超声探头手柄部上下各有一个条状突起和心状凹陷，为了防止定位传感器固定装置脱滑，所述上盖401和下盖402还分别设有可透过条状突起的条状防脱滑孔4011、4021，同时还在对应位置分别设有心形凹陷4012、4022。

使用时，如图5～6所示，将所述上盖401和下盖402分别从超声探头手柄部的两侧，通过锁扣4014和4024紧扣在一起，并使超声探头的条状突起与所述上盖401、下盖402的条状防脱滑孔4011、4021相匹配，同时使超声探头的心形凹陷与所述上盖401、下盖402的心形凹陷4012、4022相匹配，以保证正常使用时，所述定位传感器固定装置与超声探头相对位置保持不变，并防止所述定位传感器固定装置滑脱。

进一步，如6所示，所述定位传感器固定部4013位于所述上盖301的外表面正中部，用于扣住定位传感器，并保证当所述定位传感器固定在所述上盖外表面时，所述定位传感器的轴心线601与所述超声探头轴心线602平行，所述定位传感器的顶端朝向所述超声探头顶端。

需要说明的是，实施例1、2在设计原理上是一致的，主要区别在于防脱滑结构不一致，实施例1采用了所述条状防脱滑孔1011、1021，实施例2采用了条状防脱滑孔4011、4021、心形凹陷4012、4022，而这些是根据各实施例选用的超声探头的外部结构设置的，其目的都是为了保证定位传感器固定装置与超声探头相对位置不变，以防止定位传感器固定装置从超声探头脱滑。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，如果选用其他类型的超声探头，而因此作出的其他未背离本发明的精神实质与原理下的、常用的防脱滑结构，都应包含在本发明的保护范围之内。

进一步，在实施例1～2所述定位传感器固定部1013或3013是根据定位传感器外部形状设计的，目的是为了保证正常使用时，所述定位传感器与所述定位传感器固定部1013或3013相对位置保持不变。

如图7所示，本实施例选用的定位传感器701是由Ascension公司提供，定位传感器701有一面为平面，其余为弧面，在平面一侧设有楔形扣702，所述定位传感器固定部1013或4013相应还设有小孔703。使用时，用手拿住定位传感器701往定位传感器固定部1013或3013里面送，直到所述楔形扣702卡入小孔703为止。此时定位传感器与固定装置成为一体。

需要说明的是，所述小孔703是根据本实施例选用的定位传感器相应设置的，其目的是为了保证定位传感器与所述定位传感器固定装置相对位置保持不变，防止所述定位传感器移位或旋转。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，如果选用其他类型的定位传感器，而因此作出的其他未背离本发明的精神实质与原理下的、常用的防移位结构，都应包含在本发明的保护范围之内。

进一步，本实施例还提供一种基于实施例1或2的超声探头校准方法。

为了更好的说明所述超声探头校准方法，在本说明书中有以下约定：点P在坐标系A中的坐标记为P^A，从坐标系A到坐标系B的坐标变换记为T_B←A，坐标及变换矩阵用四元数表示法。

需要说明的是，该方法涉及相关坐标转换相关知识，可查看计算机图形学相关知识，这里不再赘述。本实施例所述超声探头校准的目的是为了计算超声图像任一点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S。

在实际应用中，求出P^S之后，还需要再根据定位传感器在世界坐标系W中的姿态计算点P在世界坐标系W的坐标P^W。这时，就把超声图像中的点映射到世界坐标系W中，如果再测量世界坐标系中其他可直接测量的点的坐标，就可以在同一个坐标系下轻松计算这些点之间的空间位置关系。

P^W的计算方法如下：定位传感器在世界坐标系W中的姿态由定位传感器本身记录，包括六个自由度，分别是三个坐标变量(x₀,y₀,z₀)和三个方向角变量(a,e,r)。根据这六个自由度可计算从坐标系S到坐标系W的坐标变换T_W←S为：

$T_{W\←S}=\left[\begin{array}{cccc}\cos e*\cos a& -\cos r*\sin a+\sin r*\sin e*\cos a& \sin r*\sin a+\cos r*\sin e*\cos a& x_0\\ \cos e*\sin a& \cos r*\cos a+\sin r*\sin e*\sin a& -\sin r*\cos a+\cos r*\sin e*\sin a& y_0\\ -\sin e& \sin r*\cos e& \cos r*\cos e& z_0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

求出T_W←S后，就可以利用公式P^W＝T_W←SP^S计算超声图像任一点P在世界坐标系W的坐标P^W。

由此可看出，T_W←S可以根据定位传感器在世界坐标系W中的姿态求出，求出P^W的关键在于计算P^S。本实施例的目的就是为了提供一种计算超声图像任一点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S的方法，即一种超声探头校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1、将所述定位传感器、所述定位传感器固定装置依次锁扣在所述超声探头上；

步骤A2：所述定位传感器的中心点记为O，所述超声探头扫描表面的中心点记为B，所述超声探头扫描表面的两边界中点记为C、A，经过点C向超声探头轴心线302做垂线，交点记为D，经过点B向定位传感器轴心线301做垂线，交点记为E；

步骤A3：测量线段|OE|、|EB|、|CD|的长度，分别记为l、h、w；

步骤A4：建立定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I；

步骤A5：计算超声图像中任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标P^I；

步骤A6：计算点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S公式。

需要指出的是，上述轴心线301和302分别是所述定位传感器固定部1013或3013、超声探头的中心线，根据步骤A2可知，点D是线段|CA|的中点，点B是弧线CA的中点。

进一步，如图9～10所示，步骤A4中建立定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I方法如下：

定位传感器坐标系记为S，其原点在所述定位传感器固定部1013的中心点O，沿定位传感器固定装置中心轴向探头扫描方向为x轴正向，垂直于探头表面向下为y轴正向，以垂直xy方向为z轴正向，坐标轴x,y,z满足右手法则；超声平面α坐标系记为I，其原点在超声探头扫描表面的中心点B，x轴正向沿超声图像扫描方向，y轴正向沿超声图像横向向右，以垂直xy方向为z轴正向，坐标轴x,y,z满足右手法则。

定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I须满足以下关系：两个坐标系x轴正向平行且同向，定位传感器坐标系S的z轴正向和超声平面α坐标系I的y轴正向平行且同向，定位传感器坐标系S的y轴正向和超声平面α坐标系I的z轴正向平行且反向。

需要说明的是，点B是超声探头扫描表面的外部中心点，将点B定义为超声平面α坐标系I的原点有一定误差，这与超声探头生产厂商的工艺有关。这也正是本专利方法系统误差产生的原因。所以在一些需要精确测量的场合，本专利方法可能不太适用。

进一步，步骤A5中任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标P^I的计算方法，包括以下步骤：

步骤A51：测量线段|BP|的距离；

步骤A52：根据点B、P超声图像中的坐标，计算线段|BP|与超声平面α坐标系I的x轴正向的夹角θ和与超声平面α坐标系I的y轴正向的夹角δ；

步骤A53：计算点P在超声平面α坐标系I的横坐标：|BP|*cosθ，纵坐标：|BP|*cosδ，得出P^I＝(|BP|*cosθ,|BP|*cosδ,0,1)。

需要指出的是，在步骤A51中，线段|BP|的距离可利用B超设备配套的软件进行测量，夹角θ和δ可采用目前图像处理中常用的方法，根据点B、P超声图像中的坐标计算线段|BP|与两个坐标轴间的夹角。由图10中可明显看出，按照本实施例坐标系的建立，实际使用时，点P会出现y轴以下，所以点P的横坐标为正值，而纵坐标可取到负值，而夹角的范围0≤θ≤90,-90≤δ≤90，正好可满足坐标符号计算。利用公式a＝|BP|*cosθ,b＝|BP|*cosδ,即可计算任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标。

进一步，步骤A6中计算点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S公式：P^S＝(l+|BP|*cosθ,h,|BP|*cosδ,1)。

需要说明的是，定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I是本实施例为了计算方便自行定义的，而坐标系的选择有很多种，而由此会导致步骤6中P^S计算公式有所不同。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，如果建立其他坐标系，而因此计算出的其他未背离本发明的精神实质与原理下的探头校准公式，都应包含在本发明的保护范围之内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超声探头定位传感器固定装置的超声探头校准方法，其特征在于：

所述超声探头定位传感器固定装置包括上盖和下盖，所述上盖设有定位传感器固定部和与下盖相扣的锁扣公端，所述下盖设有与上盖相扣的锁扣母端；所述上盖与下盖相扣成管状体，所述管状体内部形状与所述超声探头手柄部外部形状相同；

所述上盖和下盖还设有防脱滑结构；

所述定位传感器锁扣位于所述上盖的外表面正中部，用于扣住所述定位传感器，以保证当所述定位传感器固定在所述上盖外表面时，所述定位传感器的轴心线与所述超声探头轴心线平行且处于所述超声探头横向正中，所述定位传感器的顶端朝向所述超声探头顶端；

所述超声探头校准方法，包括以下步骤：

步骤A1、将所述定位传感器、所述定位传感器固定装置依次锁扣在所述超声探头上；

步骤A2：所述定位传感器的中心点记为O，所述超声探头扫描表面的中心点记为B，所述超声探头扫描表面的两边界中点记为C、A，经过点C向所述定位传感器轴心线做垂线，交点记为D，经过点B向所述超声探头轴心线做垂线，交点记为E；

步骤A3：测量线段|OE|、|EB|、|CD|的长度，分别记为l、h、w；

步骤A4：建立定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I；

步骤A5：计算超声图像中任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标P^I；

步骤A6：计算点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S公式。

2.根据权利要求1所述的超声探头校准方法，其特征在于：所述定位传感器固定部还设有小孔，所述小孔用于固定所述定位传感器。

3.根据权利要求1或2所述的超声探头校准方法，其特征在于，步骤A4中建立定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I方法如下：

定位传感器坐标系记为S，其原点在所述定位传感器固定部的中心点O，沿定位传感器固定装置中心轴向探头扫描方向为x轴正向，垂直于探头表面向下为y轴正向，以垂直xy方向为z轴正向，坐标轴x,y,z满足右手法则；超声平面α坐标系记为I，其原点在超声探头扫描表面的中心点B，x轴正向沿超声图像扫描方向，y轴正向沿超声图像横向向右，以垂直xy方向为z轴正向，坐标轴x,y,z满足右手法则；

定位传感器坐标系S和超声平面α坐标系I须满足以下关系：两个坐标系x轴正向平行且同向，定位传感器坐标系S的z轴正向和超声平面α坐标系I的y轴正向平行且同向，定位传感器坐标系S的y轴正向和超声平面α坐标系I的z轴正向平行且反向。

4.根据权利要求3所述的超声探头校准方法，其特征在于，步骤A5中任意一点P在超声平面α坐标系I中坐标P^I的计算方法，包括以下步骤：

步骤A51：测量线段|BP|的距离；

步骤A52：根据点B、P超声图像中的坐标，计算线段|BP|与超声平面α坐标系I的x轴正向的夹角θ和与超声平面α坐标系I的y轴正向的夹角δ；

步骤A53：计算点P在超声平面α坐标系I的横坐标：|BP|*cosθ，纵坐标：|BP|*cosδ，得出P^I＝(|BP|*cosθ,|BP|*cosδ,0,1)。

5.根据权利要求4所述的超声探头校准方法，其特征在于，步骤A6中计算点P在定位传感器坐标系S的坐标P^S公式：P^S＝(l+|BP|*cosθ,h,|BP|*cosδ,1)。