CN109999377A - 一种医用超声设备声场声功率校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医用超声设备声场声功率校准方法。本发明将HIFU设备放置于水箱侧面，在水箱另侧贴附吸声尖辟。在水箱壁底侧放置LED条形灯管，其下侧垫有棋盘格背景图像。固定支架和带有刻度的移动支架构成的行走机构由电机驱动，电机由PC端控制。移动支架一端固定有工业相机，将工业相机放置于水箱上方。工业摄像机连接PC端。将工业相机调整到正对棋盘格中心位置后对棋盘格拍摄，然后PC端将棋盘格图像输入声功率神经网络，最终可以得到高强度聚焦超声换能器聚焦声场的声功率。本发明能有效提高HIFU设备声功率校准速度，使医护人员能够更方便有效保证医用超声设备质量。
Description
技术领域
本发明涉及超声设备声场声功率快速校准方法，特别是涉及一种医用超声设备声场声功率校准方法。
背景技术
高强度聚焦超声技术(HIFU)是将超声波聚焦于靶区组织，利用超声波具有的组织穿透性和能量沉积性，将体外发生的超声波聚焦到生物体内病变组织(治疗靶区)，通过超声的热效应、机械效应和空化效应达到治疗疾病的目的，是一种非侵入性、具有巨大潜力的治疗肿瘤和一些非肿瘤疾病的手段，其作用方式与太阳光聚焦后引起放置于焦点处的纸片燃烧的原理相似。但超声波声功率过低会导致治疗没有效果、而过高则会造成不可逆的损伤，因此治疗过程中需要准确控制阈值范围的大小。在这种需求形势下，超声功率的测量具有其重要的实际意义。
HIFU技术的重点在于对各阵元的发射的超声束的相位控制以及对形成声场的能量控制。临床发现当病灶点较深时很难控制超声束的聚焦，可能会出现焦域偏离病灶点，或焦域处能量过多过少的情况。这样往往不能彻底清除肿瘤组织，同时很可能造成肿瘤区域外的非必要损伤。超声手术系统直接作用于人体组织，超声输出功率的大小是涉及超声进入人体安全剂量的重要参数，尽管这些装置的设计目的本身是破坏组织，但也存在辐射不期望的效应能量，因此，输出声功率是治疗过程中需要严格控制的医学参数，也是评价超声外科手术系统仪器性能的重要指标。由此可见，超声聚焦的定位和焦域声功率的精确测量至关重要，医院机构需要对HIFU设备进行周期性的检定校准。
目前校准高强度聚焦超声设备的方法是按照国家标准来进行测量的。国标规定HIFU声场声功率测量辐射力天平法，但对靶子和超声探头的放置角度、距离都有严格要求，所以每次实验都需要花费大量的时间进行位置上的校准。测量HIFU声功率的方法还有量热法、水听器法及光线检测法等。虽然有的方法测量精度高，但是大多数方法测量步骤复杂、测量耗时长，对测量系统的要求苛刻，无法满足对超声医疗系统实时监控的要求。
目前对HIFU设备的声场声功率的校准通常参照国标GB/T 19890-2005。该方法测量步骤复杂、测量耗时长，同样不适合对超声医疗系统实时校准。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种在线快速校准医疗超声设备声场声功率的方案，用于在线快速校准HIFU声场声功率，以便实时保证HIFU的精度以及安全性。
本发明将高强度超声聚焦换能器放置于水箱侧面，利用HIFU信号发生器驱动发出超声波，在其对面的水箱壁上贴附吸声尖辟。在水箱壁底侧周围放置LED条形灯管充当光源，其下侧垫有用于超声校准用的棋盘格背景图像。固定支架和带有刻度的移动支架构成的行走机构由电机驱动，电机由PC端进行控制。移动支架一端固定有工业相机，将工业相机放置于水箱上方。工业摄像机通过数据传输线连接PC端。将工业相机调整到正对棋盘格中心位置后对棋盘格进行地拍摄，然后PC端将棋盘格图像输入声功率神经网络，最终可以得到高强度聚焦超声换能器聚焦声场的声功率。其中声功率神经网络由辐射天平测得的声功率与畸变区域图像建立而成。
本发明的有益效果：
本发明能够有效的提高高强度超声聚焦装置的声功率校准速度，降低医用超声装置的校准成本，使医护人员能够更方便有效的保证医用超声设备的质量，从而减少由于HIFU设备失常而出现手术事故的可能，尽可能避免给患者造成不可逆转的损伤，达到提高HIFU手术成功率的目的。
该校准方法还能应用在其他超声仪器的声场声功率校准上，例如超声人体组织测量设备、超声回波多普勒成像设备、超声电子内窥镜、妇科超声诊断设备等设备。
附图说明
图1为本发明原理图。
①工业相机②待测的高强度聚焦超声设备③HIFU信号发生设备④PC端⑤底座⑥棋盘格背景图像⑦LED条形灯管⑧水箱⑨吸声尖辟⑩固定支架⑪电机⑫标有刻度的移动支架。
图2为本发明图像算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种超声设备声场声功率校准装置，包括工业相机①、底座⑤、棋盘格背景图像⑥、LED条形灯管⑦、水箱⑧、吸声尖辟⑨、固定支架⑩、电机⑪、标有刻度的移动支架⑫。
本发明将待测的高强度聚焦超声设备与吸声尖辟固定在水箱两侧。在水箱的下侧，固定超声校准用的棋盘格背景图像以及LED条形灯管，背景图像紧贴水箱底，灯管放置在背景图像上方；固定支架和带有刻度的移动支架构成的行走机构由电机驱动，电机连接PC端。移动支架一端固定有工业相机，将工业相机放置于水箱上方，工业相机通过数据传输线连接PC端。
本发明的校准原理是：
超声在液体中传播中，会使受超声压缩作用部分的液体密度会变大，受伸张作用部分的密度会变小。因为随着液体密度的不均匀变化，各个区域的折射率也会产生改变，所以在有密度变化的液体里，光束的传播方向会发生弯曲，进而使得工业相机拍摄到的背景图案产生畸变。当超声波焦域声功率不同时，相应的图片畸变程度也会有所差异。
本发明将高强度超声聚焦换能器放置于水箱侧面，利用HIFU信号发生器驱动发出超声波。在其对面的水箱壁上贴附吸声尖辟，用于吸收超声来减小超声反射带来的干扰。在水箱壁底侧周围放置LED条形灯管充当光源用于照明，其下侧垫有用于超声校准用的棋盘格背景图像。固定支架和带有刻度的移动支架构成的行走机构由电机驱动，电机由PC端进行控制。移动支架一端固定有工业相机，将工业相机放置于水箱上方，工业摄像机通过数据传输线连接PC端。将工业相机调整到正对棋盘格中心位置后对棋盘格进行地拍摄，然后PC端通过声功率神经网络对所得的棋盘格图像进行算法处理，最终可以得到高强度聚焦超声换能器聚焦声场的声功率，并在显示器上输出检测结果。其中声功率神经网络由辐射天平测得的声功率与畸变区域图像建立而成。
所述的图像算法具体见图2：
1、通过行走机构扫描，得到工业相机在不同位置对棋盘格拍摄的多组原始图像I1。
2、对工业相机拍得的图像I1进行灰度化处理，得到图像I2。
3、将图像I2分多区域进行Wellner自适应二值化处理，得到图像I3。
4、建立单个棋盘格子的矩形模型w1，使用模型w1对图像I3进行Hough特征提取，滤除正常的棋盘格，得到畸变区域图像I4。
5、通过辐射力天平法测量水箱中棋盘格处声场的声功率。
6、改变超声设备激励信号的电参数，重新进行以上5步，得到大量的图像I4和与其相对应的声功率。
7、将大量已知声功率的图像I4作为输入，声功率作为输出，来进行训练卷积神经网络，得到声功率与畸变图像相关的神经网络。
8、将未知声功率的图像I4输入建立好的神经网络，得到其声功率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (2)
1.一种医用超声设备声场声功率校准方法，其特征在于：将待测的高强度聚焦超声设备与吸声尖辟固定在水箱两侧。在水箱的下侧，固定超声校准用的棋盘格背景图像以及LED条形灯管，背景图像紧贴水箱底，灯管放置在背景图像上方；固定支架和带有刻度的移动支架构成的行走机构由电机驱动，电机连接PC端。移动支架一端固定有工业相机，将工业相机放置于水箱上方，工业相机通过数据传输线连接PC端。将工业相机调整到正对棋盘格中心位置后对棋盘格进行地拍摄，然后PC端通过声功率神经网络对所得的棋盘格图像进行算法处理，最终可以得到高强度聚焦超声换能器聚焦声场的声功率，并在显示器上输出检测结果。其中声功率神经网络由辐射天平测得的声功率与畸变区域图像建立而成。
2.根据权利要求1所述的一种医用超声设备声场声功率校准方法，其特征在于：图像处理的具体方式为:
步骤1、通过行走机构扫描，得到工业相机在不同位置对棋盘格拍摄的多组原始图像I1；
步骤2、对工业相机拍得的图像I1进行灰度化处理，得到图像I2；
步骤3、将图像I2分多区域进行Wellner自适应二值化处理，得到图像I3；
步骤4、建立单个棋盘格子的矩形模型w1，使用模型w1对图像I3进行Hough特征提取，滤除正常的棋盘格，得到畸变区域图像I4；
步骤5、通过辐射力天平法测量水箱中棋盘格处声场的声功率；
步骤6、改变超声设备激励信号的电参数，重新进行以上5步，得到大量的图像I4和与其相对应的声功率。
步骤7、将大量已知声功率的图像I4作为输入，声功率作为输出，来进行训练卷积神经网络，得到声功率与畸变图像相关的神经网络；
步骤8、将未知声功率的图像I4输入建立好的神经网络，得到其声功率。
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