CN107205719A - 超音波数据采集 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种校正超音波扫描器的方法，通过旋转轴及垂直于轴的θ轴，其包含有：将一换能器沿轴旋转并收集在扫描平面上来自目标反射面上的第一数据；根据第一数据计算第一最大峰值强度的角度；将换能器沿θ轴旋转180°；将换能器沿轴旋转并收集在相同扫描平面上来自相同目标反射面的第二数据；根据第二数据计算出第二最大峰值强度的角度；将两最大峰值强度的角度相减得一差值。本发明可根据此差值以校正超音波扫描器，不仅可以省略现有使用水箱或额外超音波目标物的校正手法，同时可避免因视差所造成的校正误差。

Description

超音波数据采集
优先权主张
本专利申请案主张2014年2月5日申请的美国申请案号第61/936,232号申请案的优先权，并且该案以引用的方式并入本文中。
附图说明
图1-51示出本发明一个或多个实施例的特征。
具体实施方式
本专利申请案旨在描述本发明的一个或多个实施例。但是应当理解的是本专利所使用的绝对值，如"必须"、"会"及其类似物，以及具体数量，将被解释适用于一个或多个具体实施例，但是并非所有的实施例。因此，本发明的实施例可能省略、或包含各种变型，一个或多个特征或面貌描述在这些绝对术语前后。
本发明的实施例可用于目前众多通用或专用的电脑系统环境或配置。如众所皆知的电脑系统、环境，和/或配置可以适用于本发明所使用，但并不限于，电子医疗设备、个人电脑、伺服器电脑、手持式或膝上型装置、多功能处理器系统、基于微处理器的系统、机上盒、可编程消费电子产品、网络PC、小型计算机，大型计算机、包含任何上述系统或设备的分布式计算环境及其相似功能等。
本发明的实施例可在计算机执行一般指令如上下文所描述，如程序模块，可以执行于电脑和/或可读取电脑的媒介使指令或模块可以被储存。一般而言，程序模块包含例行程序、程序、物件、组件、数据结构等，他们可以执行特定任务或实现特定抽像数据类型。本发明也可以将任务通过个人通信网络连接远程处理元件执行分散式计算环境中实现。在分布式计算环境中，程序模块可以被设置于本地及远程计算储存媒介包含记忆储存设备。
本发明实施例可包含或以各种计算机可读媒介所实现。计算机可读媒介可以是由一计算机的任何合适的媒介访问，包含一挥发性媒介、非挥发性媒介、可移动媒介和不可移动媒介。举例来说，但非针对其限制，计算机可读媒介可以包含计算机储存媒介及通信媒介。计算机储存媒介包含挥发性、非挥发性、可移动、不可移动媒介以实现于任何方法或技术以储存信息如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机储存媒介包含但不限于，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器或其他储存技术、CD-ROM、DVD或其他光盘存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器、或任何磁储存设备、或任何可以被用来储存所需信息的媒介并且可由计算机访问。通信媒介通常包含计算机可读指令，数据结构，程序模块或其他在模块化数据信号内的数据如载波或其他传输机制，并且包含任何信息传递媒介。所述的"模块化数据信号"指的是包含有一个或多个特征设定或改变来进行编码的信息信号。举例来说，但非针对其限制，通信媒介包含有线媒介如有线网络或直接有线连接、无线媒介包含声学、RF、红外线或任何无线媒介。上述任何的组合也应包含在计算机可读媒介的范围之内。
根据一个或多个实施例中，可创造一个机器或设备以得到结合软件或可执行计算机指令的计算机可读媒介。同样地，可创造一个机器或设备以得到通过处理元件执行软件或可执行计算机指令，根据一实施例，他可以在处理装置中或一自身。
与此相对应，但是可以理解的是，计算机可读媒介可被储存其上的软件或计算机可执行指令变换。同样地，处理装置在执行软件或计算机可执行指令的过程中改变。此外，这是可以理解的，在第一组数据输入至处理装置，或以其他相关的由所述处理装置执行的软件或计算机可执行指令可转换成一第二组数据做为执行的结果。第二组数据可以随后被储存、显示或传达。这种转换，暗示在上述每个例子中，可以是一个结果，或以其他方式涉及一计算机可读媒介的物理改变的部分。这种转换，暗示在上述每个例子中，可以是一个结果，或以其他方式涉及的物理变化。例如，当执行处理装置的软件或通过处理装置执行计算机可执行指令的寄存器和/或相关的计数器的状态。
如本文所用，一流程”自动地”执行可以意味着该流程可以是机器执行指令的结果，相较于其他需要手动的以建立的结果。
本发明公开了一些相较于现有特定型式的超音波扫描器的校正方法的潜在可选优势(在本文中，可以为BladderScan产品)。一个实施例中试着解决校正流程的三个问题。第一，该方法检测所述换能器与圆顶中心的错位量(错位量为已知降低校正结果的因素)，且最大限度的降低校正流程的负面影响。第二，该方法试图最小化其因齿轮齿隙(backlash)和/或加工误差造成的双向扫描所获得的两影像帧间的未对准情形。一实施例中试着解决第三个问题，使校正无须使用水箱或额外的超音波目标物。
一实施例提出一优于现存的超音波扫描器的可选择的校正手法。
BladderScan产品通过获取及分析三维锥状超音波数据以量测膀胱体积。一个影响BladderScan是否准确量测体积的最主要的重要因素为几何结构，这是通过获得3D超音波数据的一组校正参数而决定。我们发现现有的校正演算法中的校正参数对由组装误差导致的旋转换能器与圆顶中心的错位量很敏感。因此，提出解决第一个问题的方法，侦测旋转中心及圆顶中心的错位量及最小化其校正过程的负面影响。
不同于仅以一个方向扫描的BladderScan 9400，次世代的膀胱扫描产品执行两方向的扫描，数据帧可以通过顺时针或逆时针方向或连续两个方向移动的马达获取。双向扫描的一个优点为在同一马达速度下，实时B模式的帧率(Frame Rate)是单向扫描的两倍。此外，3D体积的数据采集时间可以减少一半。另一方面，由于潜在的加工误差及齿轮齿隙，由两个不同的扫描获取的数据帧彼此将不会自动对齐，导致实时B模式成像的偏差与对体积量测准确度的负面影响。所以一个实施例中通过对准双向扫描所获得的超音波影像打算解决第二个问题。
针对目前的BladderScan 9400校正流程，一螺旋状超音波目标物被用来安装在一塑料水箱中。操作者需要足够的水填满水箱以执行校正，且须于完成补偿后清空水箱，此为非常耗时的。此外，如上所述，当前的校正演算法的一假设为旋转中心与圆顶中心完美对齐。由于超音波目标被设在水箱中，亦存在圆顶中心与螺旋状超音波目标中心须对齐的一需求。类似于旋转换能器与圆顶中心的偏差，圆顶中心与超音波目标物中心的小偏差亦会导致不正确的偏移补偿值和有时的校正失败。因此，我们可以通过移除校正流程中水箱的需求，以消除影响校正不准确结果的一个误差来源。所以，我们想要解决的第三个问题是为了使校正不使用任何外部装置，如水箱和超音波目标物。
针对三种不同的手段进行探讨。第一种手段(即，演算法I)确定性的计算旋转中心与圆顶中心的错位量，估算双向扫描的击发偏移(Firing Offset)值，以及检测DCM中潜在的故障。第二种手段(即，演算法II)试图解决递回式优化方式的校正参数，其中最佳化参数是通过计算圆顶几何球体与完美球体最小化的差异所估算。第三种手段利用互相交联的推算偏移补偿值与齿轮齿隙值。
演算法I
概论
图1绘示演算法I的高阶方块图。该演算法的第一步骤为检测BladderScan的数据收集模块(Data Collection Module,DCM)的旋转中心与圆顶中心的距离(即，错位量)。在检测偏差以及最大错位量的一对应平面后，该演算法旋转θ马达直至所述平面垂直于原平面。所述的流程可以于图2(a)更清楚描述，其中粗实线圆圈表示圆顶(从探测器的顶部观看)。相较于总是在第一个θ平面执行校正动作(在面内(in-plane)的旋转中心与圆顶中心的错位量极可能存在)，该演算法用最小量的面内(in-plane)偏差执行平面校正(图2(b))，所以使偏差的负面影响达到最小化。在旋转θ马达后，该演算法依据对称信息的数据平面以确认正向扫描与反向扫描的击发偏移。通过计算击发偏移，该校正演算法控制DCM至取得一组新的三维数据，其为用来检测DCM中潜在的脊柱歪斜。最后，从所有数据平面的中心扫描线中比对他们之间的相似性。如果这些扫描线间的差异小于一预设截止值，则此校正流程成功。反之，因脊柱严重歪斜导致该校正流程失败。
步骤1.偏差检测
图3绘示检测旋转中心与圆顶中心的错位量示意图。粗实线圆圈表示圆顶(从探测器顶部观看)，大实点代表圆顶中心。小实点代表旋转中心且细实线代表在第一θ平面上的第一扫描线。细实线长度代表旋转中心到圆顶壁的距离。细实线圆圈是由细实线绕着旋转中心(即小实点)旋转360度后所构成。
假设旋转中心与圆顶中心无偏差，即小实点与大实点在同一位置，则细实线圆圈与粗实线圆圈应彼此重叠。此代表旋转中心到所有θ平面距离应一样。然而，由于旋转中心与圆顶中心有偏移，细实线圆圈与粗实线圆圈将不再彼此重叠，如图3所示。旋转中心与圆顶之间的距离将随着不同的平面而有所改变。图3中，旋转中心与圆顶之间的最短距离与最长距离分别以S2及S3表示。
理论上，距离S1、S2及S3可以根据混响模式(Reverberation Patterns)存在于所述的超音波反射回声中所推估，此于演算法II中讨论。然而，该计算值对噪音的影响非常敏感。基于线S1、S2及S3的相对位移，旋转中心(小实点)及圆顶中心(大实点)的距离可以通过下列公式推估：
d1＝disp(S2,S1) (1)
d2＝disp(S3,S1) (2)
d＝(abs(d1)+abs(d2))/2 (3)
其中，disp(,)代表计算2信号间的位移并将其转换成距离，abs()为获得其绝对值，d1和d2分别代表S1到S2及S1到S3间的距离，d则是代表旋转中心与圆顶中心间的错位量。
获得旋转中心与圆顶中心间的错位量后，我们同时可知道具有最大面内(in-plane)错位量的一平面。所以该演算法可以指挥DCM去旋转θ马达将所述平面垂直于具有最大面内偏差(图2(a))的平面与执行剩余的校正流程。
步骤2.判定正向扫描的击发偏移，此为从原点(垂直)到换能器开始收集数据的角度的盲点
正向扫描击发偏移值的目的是为了确定在正向扫描期间的第一扫描线(即，第一个超音波发送)位置以确保正向扫描帧是对称的。在对称性信息的数据帧内该正向扫描击发偏移值可以被反复判断，如图4所示。开始于一默认的击发偏移值，可获取一个正向扫描的数据并推算出一非对称性的数据。基于不对称性的量，使用更新后的偏移值再次获取正向扫描数据，并且逐渐调整及更新该偏移值。多次重复这些流程如图4，直到实点曲线穿过零值，即意味着找到最佳的击发偏移值，如同非对称性数据的量最少。并且这个正向扫描击发偏移值可以被保存作为一个扫描参数且亦可用于其余校正流程中。
步骤3.判定反向扫描击发偏移
在确保正向扫描帧是对称后，该演算法试图将反向扫描匹配到正向扫描框。为什么反向扫描帧的击发偏移的判定不用如图4的相同步骤的原因是因为可能存在齿轮齿隙(Gear Backlash)将使正向扫描帧与反向扫描帧无法彼此对准。为了补偿齿轮齿隙，将使用不同手法以判定反向扫描击发偏移值。
判定反向扫描击发偏移值的流程如图5所示。细实线代表正向扫描的扫描线，粗实线代表反向扫描的扫描线。为了对准正向扫描及反向扫描，我们需要将最后一条的正向扫描的扫描线(细)与第一条反向扫描的扫描线(粗)对齐。当马达以等速运行时，连续的两个扫描线的间距理应一样，因此通过对齐最后一条正向扫描的扫描线及第一条反向扫描的扫描线以对齐正向扫描平面与反向扫描平面。
为了将寻找最佳化匹配的正向扫描及反向扫描的2扫描线的时间最小化，通过更频繁地发送及接收超音波信号以形成更高密度的扫描线，如图5所示。当马达移动时，因超音波信号通过不同区域的圆顶反射回来致使各扫描线的超音波特征具多样化。当2条扫描线通过圆顶的同一位置反射时，其彼此间的关联性应为最大化。通过计算最后一条正向扫描的扫描线与反向扫描的每一条扫描线(高密度)的关联性，可识别出最佳匹配的反向扫描的扫描线，且扫描线的时间可以被反向扫描的击发偏移值所使用。
步骤4.检测脊柱歪斜
导致不准确的膀胱体积量测的一个主要来源为脊柱歪斜，如图6(b)所示，TXU代表移动方向为进出纸张方向的转能器。他是有益的选择去检测DCM中潜在的脊柱歪斜及更好的补偿量测体积误差。
在判定正向扫描与反向扫描的击发偏移值后，假设DCM的脊柱无明显歪斜，来自于所有影像平面的中心扫描线应非常相似，因为他们理应反射自圆顶的同一位置，如图7(a)所示。另一方面，由于歪斜脊柱如图7(b)，不同平面上的中心线将于圆顶的不同位置上相交，其中，较大的歪斜脊柱将导致中心扫描线有较大的差异。当扫描线(由相关系数量测)之间的差异数量超过一预定截止值时，其可被判定与体积误差有关，其校正演算法应该告知客户关于DCM的故障，如图1所示。
演算法II
在本演算法中，我们使用连续的图案间间隙大小以作为换能器与圆顶表面的距离。通过结合间隙大小信息与来自于表格与歪斜角度/偏移值所得到的换能器位置信息，每一扫描线对应的圆顶表面的采样点位置(即，圆顶几何形状)是可被推测的。这个过程可以被重复于使用多种歪斜角度/偏移值直到我们得到的圆顶几何形状最接近于一完美球体。对应于最佳匹配圆顶几何形状的歪斜角度/偏移值信息被用来作为校正参数作为依赖该换能器与该圆顶表面的距离的本演算法，旋转换能器及圆顶中心的刻意的偏移值是乐见的，藉以避免因对称性检测不到运动误差(图9)。例如，如果旋转换能器与圆顶的中心是相同的，将无法检测出换能器中马达的错误偏移值，因为无论如何偏移，换能器-圆顶的距离是永远是固定的。根据系统的不同可获得不同的平面数量及扫描线数量。以下是所提出的校正演算法的详细流程(图8)。
步骤1.收集超音波数据
校正第一步骤，收集在空气中(非水箱及超音波目标物)的超音波数据。
步骤2.推估空气扫描图样间的间距大小
连续的空气扫描混响图案间的间隙大小与换能器-圆顶的距离成正比(图10)。间隙大小可以通过检测在B模式影像的空气扫描图案中得知。做为更佳的方法，可以检测混响图案的主要空间频率(Dominant Spatial Frequncy)以提升估算间隙大小的准确性(图11)。
步骤3.推估圆顶几何形状
如果我们假设换能器的运动没有误差，则可以由及旋转信息得到该换能器对每个扫描线的三维位置。然后，可通过扫描线的间隙大小信息推估出对应于每个扫描线的圆顶表面采样点的位置。有关这个圆顶几何形状的推测结果的一个实施例如图12所示。使用相同的方式，当换能器运动存在误差时可推测出圆顶几何形状。通过改变换能器的歪斜角度和偏移值，重复多次本圆顶几何形状推测流程。
步骤4.选择最佳匹配的歪斜角度/偏移值
一个最佳的合适球体可被用来确认每个推测的圆顶几何形状(图13)。基于该圆顶形状为完美球型的假设，与合适球体具有最小偏差(如，均方误差(Mean Squared Error))的圆顶几何形状被选作为最佳匹配情况。在最佳化匹配情况下，对应的歪斜角度与偏移值可被认定为是该校正的校正结果。
演算法III
校正流程中一个主要目的为推估适当的偏移及延迟击发值(Firing DelayValue)使B模式图像的方向是正确的。此可以通过比对一个B模式图像与另一个在同一扫描平面并将θ旋转180度后的B模式图像如图14。为了增加偏离角(Off-angle)检测的敏感度，在旋转及圆顶中心间的一个刻意的偏移是乐见的。
一些小误差存在于自身运动中，如，齿轮齿隙，无法以上述方式被检测到。为了推估偏移及延迟击发值去补偿齿轮齿隙，一个额外的步骤是可选择且有益的。除了不移动θ马达以比对具有不同动作的采集图像，本流程基本上与图14相同。简单空气扫描校正的详细步骤流程如下(图15)：
a.偏移校正
步骤1：在一扫描平面上收集空气扫描数据(B模式)。
步骤2：在相同的扫描平面及动作下，将θ旋转180度后收集其他的空气扫描数据。
步骤3：推估两个B模式影像的角度差，两个图像间的交联性可被做为一个简单的推算方法。
步骤4：如果推估的角度差异足够小，则使用当前的偏移/延迟击发值做校正。反之，根据差异性调整偏移/延迟击发，然后重复步骤1～4。
b.齿隙校正
步骤1：在一个扫描平面上做正向运动并收集空气扫描数据(B模式)。
步骤2：在同一个扫描平面上做反向运动并收集另一空气扫描数据。
步骤3：推估两个B模式影像的角度差，两个图像间的交联性可被做为一个简单的推算方法。
步骤4：如果推估的角度差异足够小，则使用当前的偏移/延迟击发值做齿隙校正。反之，根据差异性调整偏移/延迟击发，然后重复步骤1～4。
使用位置感测器的实时C模式(C-Mode)的方法
由于声音行波和/或机械换能器移动的延迟时间，三维超音波具有可实现的容积率限制。与现有超音波膀胱扫描仪具有相同的限制，如果扫描期间探测器没有保持在停止状态，将会有严重的动作模糊发生。出于此原因，绝大多数的膀胱扫描器不提供探测器瞄准的实时成像型态。一些新近推出的膀胱扫描器通过限制换能器在一个平面内的动作以提高帧率(Frame Rate)藉以提供实时B模式。这些B模式是有帮助的，但是因为B模式成像平面垂直于探测器运动的平面使得依然不方便。相反的，作为一个理想的瞄准目标，本发明引入实时C模式膀胱成像方式和两种实现它的方法。第一种方法使用来自位置感测器衍伸的探测器平移/旋转信息以补偿探测器移动。另一种方法使用一种新的使用者界面使用户更有效地解释该动作模糊数据。
由于声音行波的延迟时间，三维超音波具有可实现容积率的限制。在使用机械化3D探头下，由于换能器的运动会产生额外的延迟，将使得限制变更严苛，这些状况在现今的超音波膀胱扫描器通常需要2-3秒的体积扫描。在此低容积率下，由一操作者操作探测器动作可能在超音波数据中产生严重的动作模糊。由于这个原因，现今大多数的超音波膀胱扫描器没有提供实时成像型态。这些导致了瞄准探测器的不便利性。近来，一些新的膀胱扫描器通过限制换能器在一个平面内动作以提高帧率(Frame Rate)藉以提供实时B模式，但是对于探测器瞄准来说，B模式因为仅提供部分的膀胱位置及形状信息，仍然离理想成像型态有差距。此外，因为成像平面垂直于探测器移动平面，无法简单的使用B模式。与此相反，C模式因为成像面平行于探测器移动平面，使得C模式非常直观。然而，因为需要完整的三维体积数据，C模式很难执行于实时低容积率探测器。
本发明的一实施例引入实时C模式膀胱成像作为理想的探测器瞄准目标的新方法。第一种方法使用感测器，如，惯性量测单元、磁性及光学感测器等，可用于量测/驱动与超音波数据结合的探测器位置及方向信息。概述一个位置感测器的实时C模式流程如下：
a.实时且同步地获得对应的超音波及探测器位置感测器数据。
b.检测在最近的1-5秒内超音波数据对应于膀胱壁的每一扫描线的采样点。
c.从探测器推导出膀胱壁采样点的相对位置信息。
d.从每条扫描线的位置感测器数据中推导出探测器绝对位置及方向信息；推导出每条扫描线的探测器平移及旋转信息。
e.通过补偿每条扫描线的探测器平移及旋转，将相对膀胱壁的采样点位置转换成绝对位置。
f.基于膀胱壁的绝对位置优化探测器的运动补偿；微调探测器运动参数使采样点集合成膀胱状。
g.计算经由运动补偿膀胱壁的采样点预测，使采样点的平面垂直于探测器视线；从探测器视点推估膀胱形状。从该预测产生C模式影像。
h.确认在C模式中的膀胱中心位置。如果他在一特定时间内已很集中，打开目标物上(On-target)的指示器(或者自动地开始体积量测)。
i.(可选择的)检测最新体积数据中的探测器动作。如果不再放大动作，当请求被回应时，利用在缓冲器的数据立即计算且显示膀胱体积。
第二种方法不需使用位置感测器，而是使用一种新的使用者界面(UI)，假设模糊的目标看起来像彗星的尾巴，可以利用人眼看到的事实推测目标动作以确认正确目标位置。这个新的UI通过制作膀胱壁使得对应于最新数据拥有更深的颜色或降低透明性来实现。尽管这个新的C模式仍然有动作模糊，但可以提供探测器瞄准的一切所需信息。总结新的UI实时C模式流程如下：
a.实时且同步地获得对应的超音波及探测器位置感测器数据。
b.检测在最近的1-5秒内超音波数据对应于膀胱壁的每一扫描线的采样点。
c.从探测器推导出膀胱壁采样点的相对位置信息。
d.通过b膀胱壁信息产生C模式影像。让更多最新的信息更不透明或产生更深的颜色，使动作模糊C模式看起来像有尾巴的彗星。
e.确认C模式中的膀胱中心位置。如果他在一定时间内很收敛，打开目标物上(On-target)的指示器(或自动开始体积量测)。
a.超音波膀胱扫描器的探测器难以瞄准：没有任何超音波膀胱体积扫描器曾经由探测头的视野提供实时C模式以显示膀胱形状。不同于B模式需要时常训练，C模式因为影像平面平行于探测器移动平面，使得C模式是非常直观的，这类似于在皮肤表面上通过虚拟视窗看到膀胱。
b.当膀胱体积量测时探测器动作(位置感测器方法)：在探测器上的开始按钮会导致探测器的小移动，这可能会增加膀胱体积量测误差。在实时C模式中，当膀胱正确的在目标物上时，操作者不需按压任何按钮设备即可自动开始体积量测。此外，当体积数据采集时，加速度计会监控探测器的移动。如果检测到太大的动作，设备可以闪烁警告信号或自动重新收集数据直到探测器保持静止状态。
c.探针控制台对齐问题(位置感测器方法，可选择的)：通过追踪探测器的绝对方向，C模式显示的方向可被自动对准于探测器的方向。因此，无论控制台位置在哪，操作者可以在没有任何混乱状态或手动调整显示状态下从患者的两侧进行检测。
方法1：使用位置感测器的实时C模式
详述位置感测器的实时C模式流程：
步骤1：数据获得
实时且同步地获得对应的超音波及探测器位置/旋转的感测器数据(图17.1)。由三轴加速度计、磁力计和陀螺仪所组成的惯性量测单元(IMU)即为一个位置感测器的例子。一个带有标记的光学感测器、具有一发射器的磁感测器或任何IMU的组合、光学与磁感测器可被用来追踪位置。数据缓冲器应大到足以储存最新的1-5秒获取数据。
步骤2：膀胱壁检测
检测从最近的1-5秒获取的超音波数据中的每一扫描线对应于膀胱壁的采样点。本流程可使用BVI9400演算法或任何新的演算法。可从检测结果推导出膀胱壁上采样点的三维相对位置信息。在此阶段，在每一扫描线上的膀胱壁的位置与探测器有关，即，未补偿探测器的动作且可能有动作模糊(图17.2)。
步骤3：推估探测器位置/方向
从位置感测器数据中，每条扫描线可以推测出探测器位置与方向信息。
步骤4：探测器动作补偿
膀胱壁的相对位置可通过补偿在每一扫描线的探测器平移或旋转以转换成绝对位置(图17.2与图17.3间)。
步骤5：微调动作补偿(可选择的)
位置/旋转感测器的输出有时并不稳定，特别是具有IMU时。例如，在加速度计输出一个小的偏移可能导致推算的平移值有好几英寸的误差。因此，为了稳定动作补偿结果的一个附加步骤是被希望的。一个可能的手法为，推算感测器的偏移值以使所得到的膀胱壁采样点得以形成球体状(或，可替换地，尽可能接近对方)。如果有其它感测器可以量测探测器位置，如，光学感测器，它可以被用来补偿加速度计/陀螺仪的误差。
步骤6：产生C模式影像
为了产生C模式，或者从探测器视点推测膀胱形状，计算该动作补偿膀胱壁采样点的推测以使该平面垂直于探测器视线(图17.3)。可通过检测推测采样点的轮廓而生成C模式影像(图17.4)。在此流程中，亦可使用9x或其他相似演算法以检测穿过耻骨的扫描线。
步骤7：目标(on-target)指示器
从产生的C模式中，可以检测出膀胱是否足够集中与否。如果它在一段时间内皆很集中，如，2秒，可打开一个目标(On-target)指示器(图17.5)。该目标指示器亦可被用来触发膀胱体积计算流程。
步骤8：探测器动作检测(可选择的)
可选择的，加速度计数据可以被用来做检测最新的1-2秒的探测器运动。基于此信息，完整的最新体积数据可以被检查，此意味着膀胱体积计算已经可以使用数据缓冲器中的数据来完成。这使得能够显示一个对应的膀胱体积。
方法2：一个改善的使用者界面的实时C模式
如果不使用位置感测器，在C模式中的动作模糊是无法避免的。然而，即使在这种情况下，一个新的使用者界面(UI)可将模糊的C模式减少困扰并且更加实用。举例来说，一个典型雷达显示器(图18)具有非常低的帧率；最新的数据使用一个明亮的颜色来显示。因此，使用者可通过加权的明亮信息以更准确的追踪目标位置。
另一个例子是冰球增强技术(Hockey Puck Enhancement Technology)，以使看起来像一个有尾巴的彗星。虽然彗星尾巴是一种动作模糊(Motion Blur)，但他不会混淆目标位置，而且可以帮助推算冰球(Puck)下一个位置。这是因为人类视觉系统可自然的由彗星尾巴状的目标中察觉运动的方向和速度。
一个类似的手法可被用于实时C模式。新的UI基本上近似于9x的C模式，即，在x-y平面上绘制所检测的膀胱壁位置。然而，新的UI将最新的数据降低透明度(或使用较暗的颜色，等等)显示以使膀胱的轨迹像有尾巴的彗星。在这个模式下，基于彗星尾巴的形状(图20)，人的眼睛集中在”彗星头部”且可自然的追踪其动作。尽管这个新的C模式看起来与传统的C模式不同，他以直观的方式提供了瞄准的一切所需信息。
详述新UI的实时C模式流程：
步骤1：数据采集
实时且同步地获取对应的超音波与探测器位置/旋转感测器数据(图22.1)。数据缓冲器应大到足以储存最新获取的1-5秒数据。
步骤2：膀胱壁检测
从最新的1-5秒所获得的超音波数据中检测在每个扫描线对应于膀胱壁的采样点。本流程可使用BVI9400演算法或任何新的演算法。通过本流程，所有的扫描线可分成两组：1)穿过膀胱的扫描线，及2)其他(图22.2)。在此流程中，亦可使用9x或其他相似演算法以检测穿过耻骨的扫描线。
步骤3：产生C模式影像
在彗星尾巴模式中，穿过膀胱的扫描线被绘制成x-y平面上的点(图22.3)。将最新获得的数据点降低其透明度以使C模式具有彗星尾巴形状。耻骨信息可被叠加在彗星尾巴影像上。
步骤4：目标(On-target)指示器(可选择地)
从生成的C模式中，可以检测出膀胱是否足够集中与否。如果它在一段时间内皆很集中，如，2秒，可打开一个目标(On-target)指示器(图22.4)。该目标指示器亦可被用来触发膀胱体积计算流程。
使用板状目标物的校正方法
典型的超音波膀胱扫描器使用一单一元件换能器，以使其在圆顶形状的探测器头中机械式移动。对于这类型的设备来说，精准的换能器动作校正对于提升体积量测精准度是有益的选择的。为了这个目的，典型常见于在水箱内设置具有公知形状(如，螺旋状或绳状)的超音波目标物。一个典型的校正手法问题为，可能具有视差争议。本发明的一实施例通过利用光束由一板状目标反射的强度信息以取代使用螺旋状/绳状目标位置/形状信息解决了此问题，并且提供其他好处，包含更小的校正夹具(Fixture)及更佳的可靠度。
本发明的一实施例中提供一种检测用来作为膀胱体积量测的机械化三维单通道超音波探测器的感测器异常运动的方法。这类型的探测器在圆顶形状探测器顶部具有充满耦合/润滑液(如：矿物油)的一移动式换能器。在这种探测器中，换能器动作的特征在于有两旋转轴，和θ，如图23。作为换能器运动可能不准确的几个原因，如：旋转轴的歪斜角度、齿轮齿隙、磨损等等，为了使体积量测准确，需要被精准的量测及校正，现有使用浸在水槽中的外部校正目标(如，螺旋状或绳状)以完成上述目的。
一个典型的校正手法问题为，可能具有视差争议。图24(a)显示一个具有一个歪斜换能器的探测器。在这种情况下，超音波束不走笔直向下，将不同于该装置的原有意图。为了补偿这个误差，典型的校正手法试图匹配在对θ轴旋转180度前后所获得的两张超音波影像中的校正目标位置。如果换能器无歪斜，如图24(b)，该装置可以准确得找到角度使光束可以笔直向下。然而，在一个歪斜的换能器中，由于视差的误差将使得实际的校正结果仍然无法精准，如图24(c)。伴随着这种视差，如图24(d)中所期望的校正结果是很难被实现的。如果将一个校正目标远离换能器，视差的问题即可被解决，但随之的远处低侧向解析度的超音波将会影响校正的准确性，且校正夹具可能变的过于笨重。
作为一个不会有视差问题的新校正方法，一实施例中使用一反射板状目标物，如：金属表面，取代一典型的绳状或螺旋状目标物。通过使用从板状目标物的反射光束的强度信息，以取代典型所使用的目标位置信息，一实施例提供一种更准确的方法去做校正而没有任何视差问题，以及如更小的夹具及更佳的可靠度的其他好处。
a.校正视差：本发明的一实施例使用不具有视差问题的板状目标物。
b.笨重校正夹具：因一个板状目标物可以非常贴近于探测器，小的夹具(Fixture)可被用来做板状校正。所以，一个实施例能够使用不同类型的校正夹具，例如：将一板状目标物置入一校正杯或一小橡胶块内，以取代传统的笨重水浴。
c.探测器的小公差-目标校准：使用所提出的方法，校正时板状目标物不需非常精准的对准探测器。此意味着因一些错位量或校正夹具的误差不会影响校正结果，使得板状校正相较于传统的方法来的可靠。
A.偏移校正
一个校正流程的主要目的是推估适当的偏移及延迟击发值以使B模式影样的方向正确。这可以通过比对一个光束峰值强度分布(Beam Peak Intensity Profiles)与于相同扫描平面但将θ旋转180度的另一光束峰值强度分布来完成，如图25。举例来说，对于一个不具有任何误差的一个系统中，在第一分布(Profiles)与第二分布中具有最大峰值强度的角度(Peak Intensity Angles)分别为与存在有一关系，对于一个光束的角因歪斜于正确方向的系统来说，最大峰值的两个角度将满足以下等式：利用这个两个峰值强度角间的关系，可通过下列步骤计算偏移：
步骤1：在一扫描平面收集超音波数据(RF、IQ或B模式)。
步骤2：从数据中计算最大超音波强度分布(Profile)。
步骤3：在θ旋转180度后，在相同动作及相同的平面上收集其他超音波数据。
步骤4：从第二次的数据中计算第二最大强度分布(Profile)。
步骤5：推算两分布(Profiles)的角度差。更加精准的峰值检测或交联方法可在翻转发送分布后(After Flipping The Send Profile)使用。
步骤6：如果推估的角度差异足够小，使用最新的偏移/延迟击发值做校正。反之，根据差异调整偏移/延迟击发。如果有必要，重复步骤1-6。
一个板状校正的优点是不论目标表面的角度为何，峰值角度间的关系仍是有效的，因而可以将目标歪斜于探测器，如图24。因此，相较于传统方式，板状校正夹具包含探测器夹持器可以以降低精度的形式更简单的被制作出。
B.齿轮齿隙校正
如果一探测器通过在双向上旋转马达以执行双向扫描，有可能在正向扫描与反向扫描间因齿轮齿隙而存在小的错位量。这种齿轮齿隙可通过一类似于偏移估算的方法被推算出，如图26。在这种情况下，两个峰值角度和将会满足以下公式：详述校正流程如下：
步骤1：在一扫描平面的正向移动中收集超音波数据(RF、IQ或B模式)。
步骤2：从这些数据计算最大超音波强度分布。
步骤3：在相同扫描平面的反向移动中收集其他的超音波数据。
步骤4：从第二次的数据中计算第二最大强度分布。
步骤5：推算两分布的角度差。两分布的交联性可被用来作为一个推算方法。
步骤6：如果推算的角度差够小，使用最新的齿隙值做校正。反之，根据差异调整齿隙。如有必要，重复步骤1-6。
C.推算垂直于该扫描平面的歪斜角度
虽然在运动方向的几何误差(Type I误差)可以通过调整偏移/齿隙而被补偿，还有另一种型式的误差(Type II误差)垂直于扫描平面。在实际上，一个几何误差几乎为此两种不同type误差的组合物。Type II误差是很难通过控制马达动作或延迟击发来做物理补偿，但Type II误差信息可以被用来检测不正确的探测器或在软件上补偿膀胱体积。使用一板状目标时，可根据下列流程推测Type II误差：
步骤1：在正向移动时，在一板状目标物上收集超音波锥数据(RF、IQ或B模式)。
在所有覆盖于一锥形的扫描线中，至少有一个扫描线是垂直于该板状目标物。(这是因为该板可被认为是所述锥体的一切面。穿过接触点的扫描线是垂直于该板状目标物。扫描线的数量可以通过内插法而被增加，藉以得到更佳的角度精度。)然而，可能存在的一个特殊情况是一个像飓风眼的孔，由于Type II误差的存在使得没有扫描线可穿过。在这种情况下，没有扫描线可以被垂直于该板状目标物。为了避免这种状况，需要由从探测器直接看到的表面上倾斜该板状目标物。举例来说，如果预期的最大Type II误差是5度时，则该板状目标物至少需要被倾斜5度。
步骤2：找到一个垂直于该板的扫描平面。然后，找到该入射角与峰值强度的关系。
可通过找寻拥有最大峰值强度的扫描线来找到垂直于该板状目标物的扫描线。包含上述扫描线的该扫描平面应垂直于该板。在这个扫描平面中，多亏了垂直关系，我们可以由该板状目标物推导出入射角(角)与峰值强度的关系。
步骤3：收集一扫描平面上的超音波数据，然后再收集相同平面但旋转θ180度后的另一超音波数据。在此情况下，确保板状目标物倾斜至少达到预期中从探测器的方向垂直于扫描平面笔直看到的表面的最大Type II误差。
取代这个分离的数据收集步骤，我们可将第一个扫描平面重叠于旋转θ180度后的最后一个扫描平面以方便步骤1使用。或者，如果探测器与板状目标物没有任何移动的话，可以将在偏移校正的数据拿来再次使用。
步骤4：计算由步骤2推导出的入射角-峰值强度关系并于步骤3所获得的两平面数据中拥有最大强度光束的入射角。将上述两入射角的差除以二以得到Type II误差。
如果此时没有Type II误差，两平面应完全重叠，则两入射角在偏移校正后应完全一样。由于Type II误差的存在，两平面间应具有一角度的间隙以致两入射角一差值。由于我们在步骤3倾斜目标物的角度比最大Type II误差还大，两扫描平面在扫描平面上往相同的方向倾斜。因此，可以简单的将两入射角相减后除以二以计算出Type II误差。
D.模拟实例
为了呈现一个所提出方法的例子，使用Matlab模拟出一个13个面峰值强度分布(Profile)数据。第一个平面与第十三个平面重叠并具有180度θ角的差异。在这个模拟结果中，我们假设板状目标物是刻意朝东南歪斜5度，同时探测器有3度的偏移及1度的TypeII误差。
图27显示在#1平面与#13平面的两个强度分布(翻转以进行比对)。可于图中清楚观察到偏移3度所导致的两峰值间有6度的差异。为了精准推测偏移，可以内插强度分布以提升角度的解析度。需要注意的是彼此的峰值强度不同。此意味着在此状况下的Type II误差不为零。在此模拟中没有测试齿隙，但它可以通过使用与推测偏移相同的原理被推算出。
。图28显示反射光束在1040条扫描线位置上的峰值强度(80条扫描线x13个平面)。在本图中，拥有最大强度的扫描线是在第10个平面上。所以，我们可以假设第10个平面垂直于该板状目标物。(为了更精准，我们可以在第10个平面与第11个平面间内插，以使找到实际垂直于该板的平面)在所述平面的峰值强度分布中，我们可以推导出光束入射角与峰值强度的关系如图29。为了得到更佳的准确性，这个分布可以通过内插使的更为平滑。
在图27中，在#1平面与#13平面的峰值强度分别为2.32及3.16。这些值在图29分别对应于6.05度与4.03度的入射角。通过将这两个角度的差值除以2，我们可以得到Type II误差，即(6.05-4.03)/2＝1.01度。这个值与模拟参数Type II误差的1度相匹配。
球窝(Ball-and-Socket)半球体的扫描机构
一个实施例包含了使用一个可靠的半球体扫描机构，例如：Bladderscan与Aortascan的产品线。
1.一个实施例的描述：
a.目的
这个机构被发明为在各个想要的方向上作为支持与指向指令发送及接收设备的目的，由此在一个半球状区域内映射出一个有兴趣的二维区域。
b.图示
本发明的一个实施例绘示于图30～图38。为了清楚起见，并未绘示马达及小齿轮(图34)。
c.部件说明
本发明的一实施例中(图38)包含三个主要组件，一具有完整”纬度”轮齿(GearTeeth)的球状”眼球”换能器夹持器(图35)、一具有完整”经度”轮齿的万向环(GimbalRing)(图36)及一具有精度环槽的支撑框架(图37)。
经度马达(为了清楚，图未示)连接(Attached)于支撑框架，纬度马达(为了清楚，图未示)连接(Attached)于万向环。万向环的内表面形成一球状轮廓。该换能器夹持器球体被支撑于万向环组件的适当位置上。球型轮廓具有一与万向环匹配的外表面。
当换能器夹持器与万向环被两个电动马达所驱动时，通过小齿轮(为了清楚，图未示)，一个方向性的换能器可以在一个半球型区指向任何想要的方向。
d.使用
在操作上，两个马达独立的且同步的移动及定位内部换能器夹持器与外部万向环，以便将换能器在一个半球型区域内指向所需的一任一经纬度坐标。
e.特征
半球型扫描机构通常使用两个马达及两个相关联的齿轮机构为了使换能器设备能在一半球型区域内指向各个方向。两个常见的现有技术机构是经纬仪座(Alt-AzimuthMount)，通常用来支撑望远镜(图30)，以及万向架座(Gimbal Mount)(图31)，通常用来支撑罗盘和陀螺仪。
该经纬仪座与万向架座有不足之处以使本发明的一实施例欲规避。特别是，现有技术中的装置是大的，精致的且复杂的。这使得他们较重、较贵，不可靠及无法忍受滥用造成的损坏。
本发明的一实施例通过结合两个新颖想法以避开上述缺陷：
1.使用一个球窝支撑机构(图32)取代较常见的空枢轴承(Trunion Bearings)(图33)。
2.整合两个所需的驱动齿轮至相对应的万向环及换能器夹持器部件。
特征
作为该新颖特征的一个结果，本发明相较现有技术的半球型扫描机构有下列的优点。
·需要相对较少的组件
·较少的组件相对容易制造
·较少的组件特别坚固因此耐磨损
·较少的组件可便宜制造
·较少的组件不论垂直向或横向皆不会延伸至非常远。这使得该机构可作为一个整体，紧密且坚固。
·较少的组件不论垂直向或横向皆不会延伸至非常远。此允许给一个具弹性功能的防震架的空间。
·较少的组件不论垂直向或横向皆不会延伸至非常远。此允许在一个探测器手持件内给更多电子电路的空间。
·较少的组件不论垂直向或横向皆不会延伸至非常远。这允许在一个探测器手持件内给电子电路更好的电屏蔽的空间。
·可在半球体内的多个空间方向采样，不会使换能器的电连接电缆在一个或多个马达轴线上被反复缠绕与解开。
·换能器装置的电连接器可以被制作成相对的短，因此减少信号干扰机会。
f.测试
一实施例中创造出一个计算机CAD模型以允许检测各个组件的相对运动，以模拟它们在实际使用中的移动。
球面的螺旋路径扫描机构
2.一个实施例的描述：
a.目的
本发明的一实施例实现在任何预想方向上支持及指点发送和接收装置指令的目的，从而在一个半球面区域中映射出一个感兴趣的二维区域。
b.图示
本发明的一实施例绘示如图41～图49。
c.部件描述
一实施例的扫描机构包含5个主要组件，当一马达驱动以移动一个方向性的换能器时，以便指向在一个半球体区域的多个方向。
该组件有：一万向架座，具有1)内部环及2)外部壳，以支撑换能器夹持器3)一杯体，具有螺旋槽以引导换能器沿着一螺旋路径指向方向4)一换能器夹持器，具有一个从夹持器主体延伸向下的短插销，与在该含槽杯体主体上的一个螺旋槽接合以迫使换能器的指向沿一限定的螺旋路径5)一开槽杯(Slopped Cup)去移动该螺旋槽以引导插销在一螺旋方向6)一个可选的梭特征(未于图中示意出)，允许该插销在一个锐角穿过螺旋槽而没有在槽的交叉点改变方向的机会。
d.使用
在操作中，马达扭矩被施加在从开槽杯组件向下延伸的一个转轴上。该扭矩旋转该开槽杯。当该开槽杯旋转时，从该换能器夹持器底部向下沿伸的捕捉插销功能，被限制于跟随着包含该捕捉插销的一个螺旋插槽。当该被捕捉插销随着该螺旋插槽移动时，该换能器装置则必定指向远离插销的一个与自身同轴的方向。以这种方式，一个螺旋状扫描路径是通过设置于在万向环内上的该换能器装置发送和/或接收的任何能量光束而行进。
e.创新特征
半球型扫描机构通常使用两个马达及两个相关联的齿轮机构以使一个换能器装置在一半球体区域内指向任何方向。本发明的一实施例，非描述于现有文献中，一个换能器机构在一半球内于一个有兴趣的区域内指向多个方向而不使用任何齿轮机构。并且，通过采用一螺旋扫描路径，该机构仅需使用一个马达即可在一半球体区域的两个空间坐标扫描多个点。
因为该方法大幅缩短该机构在一个半球区域内为了扫描网格点(A Grid OfPoints)必须经过的该角度的路径，该螺旋路径扫描方法是非常有用的。大幅度缩短角度的扫描路径可允许一个非常快的扫描速率和/或大大降低机构功耗。
一个实施例增加了一个新颖观点是选择式的结合一个纵横交错的螺旋槽功能。该纵横交错的槽允许该螺旋的换能器光束在不改变旋转元件的旋转方向或速度下指向从中心区域往外及从外围区域往内的螺旋路径。这允许了在维持一个高的角度扫描速度下同时降低驱动电源需求。
f.特征
作为该新颖特征的一个结果，本发明相较现有技术的半球型扫描机构有下列的优点。
·需要相对较少的组件
·较少的组件组成相对简单
·较少的组件特别坚固因此耐磨损
·较少的组件可便宜制造
·较少的组件在驱动马达上方不会延伸到非常远。这使得该机构可作为一个整体，紧密且坚固。
·较少的组件在驱动马达上方不会延伸到非常远。此允许给一个具弹性功能的防震架的空间。
·较少的组件在驱动马达上方不会延伸到非常远。此允许在一个探测器手持件内给更多电子电路的空间。
·较少的组件在驱动马达上方不会延伸到非常远。这允许在一个探测器手持件内给电子电路更好的电屏蔽的空间。
·仅使用一个马达以降低成本
·仅使用一个马达以减小体积
·仅使用一个马达以减轻重量
·对一个给定数量的空间扫描点来说，总螺旋扫描路径长度短。这使得可在一个非常短的时间内在多个空间方向采样。
·快的扫描时间以降低运动伪影(Motion Artifact)
·快的扫描时间允许流畅的实时扫描成像
·螺旋扫描路径不会对换能器频繁的加速或减速。这降低了马达使用功率。
·螺旋扫描路径不会对换能器频繁的加速或减速。这减少了机构的震动。
·螺旋扫描路径不会对换能器频繁的加速或减速。这降低了机械的磨损，因而增加可靠度。
·在换能器电连接线不会反复缠绕于一个或多个马达轴线上的情况下，可于一半球体内的多个空间方向进行采样。
·换能器装置的电连接器可以被制作成相对的短，因此减少信号干扰机会。
·如果轴向对称换能器的主要及次要绕组(Windings)被使用于耦合(Couple)换能器信号流入和/或流出该旋转子组件，可以使用一个纵横交错的螺旋槽功能。纵横交错的螺旋槽功能提供了以大幅度提升扫瞄速度并同时降低驱动功率需求的机会。
g.测试
一个计算机CAD模型被创造出以允许检测各个组件的相对运动，以模拟它们在实际使用中的移动。
图41-伴随插销的分度槽的换能器夹持器
图42-内部的方向环
图43-外部的方向轭
图44-槽杯
图45-开槽杯
图46-机器剖面图
图47-机器等角视图
图48-纵横交错螺旋扫描路径上视图
椭圆形凹槽上的物体不会"脱轨"或在凹槽交错点跟随错的路径。任何迟滞"齿隙"(Backlash)皆可以被校准出。
图49-椭圆形凹槽上的插销维持行进方向
具有界面至通用计算显示器(Generic Computing Display)的无线抛弃式影像喉头镜(Video Laryngoscope)
本发明的一实施例是一单一患者使用抛弃式影像喉头镜叶片于一通用平板电脑(或其他设备)执行专用的应用软件用以无线沟通与显示影像。这种架构可以通过降低系统建置成本与使用与维护的复杂性来破坏喉头镜积空间(Product Topology)。在这种系统架构中，显示组件不会是一专属的设备，而是可以利用在医院环境中现有的通用移动计算设备。近期有将平板电脑作为办公设备，并仅执行该应用软件以注册成医疗装置的先例。
一实施例可选择的有利特点可使这项技术包含：
1.无线通信协议，可以在有限的延迟或信号传输中断中实时串流以便插管流程。
2.低功率无线通信协议允许设备在一主要电池上操作，而不需要充电或有线电源连接。
3.丰富的通信协议可使医疗装置显示在可通信计算机显示器上，而不需要特定的医疗装置显示元件。
4.在医疗装置与电脑间有可靠的无线通信协议及频带(Band)。
5.快速配对方法以连接医疗装置与显示，如在一医疗装置包装上扫描一条码/QR码，RFID标签或NFC标签以独占关联的医疗装置与显示器。
6.可挠性电路上的低成本芯片使低成本商品可能的贩卖装置目标售价为$12-15。
7.一种闭锁电源按钮以确保医疗设备不被重复使用。
这种架构可以通过降低系统建置成本与使用与维护的复杂性来破坏喉头镜积空间(Product Topology)。
·降低成本
无专用监视器，无可充电电池，无充电器，无立架，无电缆。
·减少维护
没有充电极充电状态的管理，两使用间不需消毒，减少ER设备占地面积。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (2)

1.一种根据上述描述的原理的系统。
2.一种根据上述描述的原理的方法。
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