CN112450977A - 用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人 - Google Patents

用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，包括B超探头，其特征在于，还包括弧形轨道机构、底座机构、摆动底座机构及驱动机构。本发明能够自适应的根据超声或者光声探头调节自身的夹持原件，从而可以适应不同的现有的医用超声探头，并且能够兼具光声成像。本发明能够适应不同的病人，包括但不限于体型、性别、成年或未成年等因素。本发明能够基于已有的超声机器，进行二维图像的获取以及三维图像的片状重建。

Description

用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人
技术领域
本发明涉及一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，属于超声成像、机器人、光声成像、多模态系统成像技术领域。
背景技术
超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图像。常用的超声仪器有多种：A型(幅度调制型)是以波幅的高低表示反射信号的强弱，显示的是一种“回声图”。M型(光点扫描型)是以垂直方向代表从浅至深的空间位置，水平方向代表时间，显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示，应用范围有限。B型(辉度调制型)即超声切面成像仪，简称“B超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱，在探头沿水平位置移动时，显示屏上的光点也沿水平方向同步移动，将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图，为二维成像。至于D型是根据超声多普勒原理制成。C型则用近似电视的扫描方式，显示出垂直于声束的横切面声像图。近年来，超声成像技术不断发展，如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计算机断层成像、三维成像、体腔内超声成像等。
三维超声成像技术可以分为三维重建技术及实时三维技术两大类。三维重建是静态成像，实时三维成像是直接的三维动态成像，它是近几年来的新技术。三维成像数据的采集方法分为两类：1.自由臂式(free-hand)：医师手持探头，获得一系列的B型(二维)超声图像，再通过复杂的图像处理，重建三维结构。这种自由臂式方法对操作者要求很高。2.另一种是：采用容积探头，通过机械或电子学方法获得三维图像信息，这种方法便于操作及应用。
三维超声的显示方法分为：①表面成像：主要显示感兴趣结构的立体形态、表面特征及空间关系的显示。②透明成像：主要显示实质脏器的内部结构的三维成像，如血流分布情况等。
光声成像是一种结合了光学成像和超声成像优点、非侵入性的生物医学成像技术。一方面，用于在光声成像中重建图像的信号是超声信号，生理组织对超声信号的散射比光散射低2至3个数量级，这可以在深层组织成像时提供更高的空间分辨率。另一方面，与超声成像相比，光声成像结果不仅光学对比度更高，还能提供多种功能信息。这种成像方式由于结合了上述所说的光学成像和超声成像的优点而被广泛使用在生物医学、生物分子学等领域。
发明内容
本发明的目的是：可以兼具二维超声和三维超声的旋转扫描机器人。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，包括B超探头，其特征在于，还包括弧形轨道机构、底座机构、摆动底座机构及驱动机构，其中：
B超探头设于底座机构上，由驱动机构驱动底座机构及其上的B超探头沿弧形轨道机构所限定的弧形轨迹移动，将该弧形轨迹所在的水平方向定义为前后方向，将该弧形轨迹所在的竖直方向定义为上下方向，则左右方向垂直于该弧形轨迹所在平面；
弧形轨道机构与摆动底座机构铰接，弧形轨道机构及其上的底座机构、B超探头、驱动机构可绕弧形轨道机构与摆动底座机构之间的铰接点左右摆动；
B超探头在底座机构上可左右摆动的同时还可上下移动。
优选地，所述弧形轨道机构包括位于所述B超探头、所述底座机构及所述驱动机构左右两侧的弧形齿条，由所述驱动机构驱动所述底座机构及其上的所述B超探头沿弧形齿条限定的所述弧形轨迹移动；
优选地，左右两侧的两根所述弧形齿条分别固定在同侧的弧形齿条固定板上；左右两侧的两个弧形齿条固定板分别固定在同侧的弧形外壳上。
优选地，所述底座机构包括固定座结构，所述B超探头设于固定座结构上；固定座结构设于竖直位移结构上，固定座结构及其上的所述B超探头通过竖直位移结构上下移动；竖直位移结构设于安装座的正面，安装座的背面设有摆动结构，安装座及其上的竖直位移结构、固定座结构、所述B超探头可绕摆动结构提供的摆动轴左右摆动。
优选地，所述固定座结构包括探头固定套，探头固定套的正面设有开口的卡环，所述B超探头卡在卡环上；探头固定套的背面设有探头支撑卡板，探头支撑卡板与探头固定套之间通过连接件连接固定；探头支撑卡板的顶部设有卡扣结构、底部设有扭簧压紧结构；滑动面板的顶部设有卡槽及与该卡槽相接的位移槽，探头支撑卡板的卡扣结构卡入卡槽后，连接件位于位移槽内，且探头支撑卡板及其上的探头固定套可在位移槽限定的行程范围内上下移动；滑动面板的底部设有滑动块固定槽及位于滑动块固定槽下方的扭簧固定槽；所述竖直位移结构包括滑动块及滑轨，滑动块设于滑动面板的滑动块固定槽内，滑动块与滑轨相配合并可在其上上下移动，滑轨设于所述安装座的正面；滑动面板的扭簧固定槽内设有扭簧及探头支撑卡板的扭簧压紧结构，扭簧压紧结构压在扭簧的上方，当探头固定套未安装所述B超探头时，扭簧处于无载荷状态，当安装所述B超探头后，在所述B超探头自身重力的作用下，探头固定套、探头支撑卡板向下移动并通过扭簧压紧结构压紧扭簧，扭簧受力压缩后其在前后方向上的尺寸变大至抵住滑轨。
优选地，所述摆动结构包括摆动支座及摆动固定销，摆动支座顶部设有所述摆动轴，底部设有摆动限位槽；摆动固定销穿设在所述安装座的底部内，摆动固定销的端部穿出所述安装座的背面后卡入摆动限位槽内；摆动支座顶部的所述摆动轴伸入位于所述安装座背面顶部的轴孔内，从而使得所述安装座及其上的所述竖直位移结构、所述固定座结构、所述B超探头可绕摆动轴在摆动限位槽限定的角度范围内摆动。
优选地，所述驱动机构包括运动部件底座，运动部件底座与所述摆动支座的底面连接固定；运动部件底座内设有步进电机，且在运动部件底座内穿设有驱动轮轴；步进电机由控制单元控制，控制单元固定于两个所述弧形外壳之间所形成的空间内；驱动轮轴中部设有驱动齿轮，左右两端分别设有行进齿轮；驱动齿轮与步进电机上的动力齿轮相啮合；行进齿轮通过轴承设于驱动轮轴的端部且露于运动部件底座外，左右两侧的行进齿轮分别与同侧的所述弧形齿条相啮合。
优选地，所述运动部件底座的左右两侧分别设有一组可自由滚动的辅助轴承；所述弧形齿条固定板的内侧设有辅助弧形轨道槽；所述运动部件底座左右两侧的两组辅助轴承分别卡入同侧的辅助弧形轨道槽内。
优选地，有两个所述摆动底座机构，两个所述摆动底座机构分别设于所述弧形轨道机构前后两端的底部。
优选地，所述摆动底座机构包括转动底座；转动底座内设有旋转底座及两个转动轴座，两个转动轴座分别位于旋转底座的前后两侧，每个转动轴座开有一个转动轴孔；旋转底座的前后两侧分别设有一转动轴，两个转动轴位于同一直线上，且两个转动轴分别设于同侧的转动轴孔内，使得旋转底座可绕转动轴所在直线左右摆动；旋转底座的顶面设有固定板，所述弧形轨道机构的前端或后端的底部与固定板连接固定；转动底座的底面设有EVA底座垫片。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1)能够自适应的根据超声或者光声探头调节自身的夹持原件，从而可以适应不同的现有的医用超声探头，并且能够兼具光声成像。(需要配有相应的光声信号发生、采集、成像装置)
2)能够适应不同的病人，包括但不限于体型、性别、成年或未成年等因素。
3)能够基于已有的超声机器，进行二维图像的获取以及三维图像的片状重建。
本发明提供的用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人可以应用在：包括但不限于颈部二、三维超声成像，颈部二、三维光声成像，例如：甲状腺，颈动脉血管等；腹部各部位二、三维超声成像，二、三维光声成像，以及同比例放大的设备应用。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2及图3为本发明的内部结构示意图；
图4为本发明中底座机构的爆炸图；
图5为本发明中底座机构的立体结构示意图；
图6为摆动底座机构的爆炸图；
图7为驱动机构的爆炸图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本实施例公开的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，包括B超探头2、弧形轨道机构1、底座机构3、摆动底座机构4及驱动机构5。B超探头2固定在底座机构3上，由驱动机构5驱动底座机构3及其上的B超探头2沿弧形轨道机构1所限定的弧形轨迹移动。本实施例中，将该弧形轨迹所在的水平方向定义为前后方向，将该弧形轨迹所在的竖直方向定义为上下方向，则左右方向垂直于该弧形轨迹所在平面。
如图2及图3所示，弧形轨道机构1包括位于B超探头2、底座机构3及驱动机构5左、右两侧的弧形齿条1-1。由驱动机构5驱动底座机构3及其上的B超探头2沿弧形齿条1-1限定的弧形轨迹移动。左、右两侧的两根弧形齿条1-1通过螺钉1-5分别与同侧的弧形齿条固定板1-2连接固定。弧形齿条固定板1-2上有辅助弧形轨道槽1-4，辅助弧形轨道槽1-4位于同侧的弧形齿条1-1的上方。左、右两侧的两个弧形齿条固定板1-2通过螺钉1-6分别与同侧的弧形外壳1-3连接固定。左、右两侧的弧形外壳1-3之间固定有四根固定杆1-7，固定杆1-7的左、右两端分别与同侧的弧形外壳1-3连接固定。两根固定杆1-7为一组，两组固定杆1-7分别位于弧形齿条1-1及辅助弧形轨道槽1-4的前、后两端，达到加强结构强度的目的。
本实施例中，有两个摆动底座机构4，分别位于弧形轨道机构1的前、后两端，弧形轨道机构1支撑在两个摆动底座机构4上。两个摆动底座机构4的结构相同，结合图6，包括转动底座4-1及旋转底座4-2。转动底座4-1带有两个转动轴座4-3，旋转底座4-2位于转动底座4-1内，且两个转动轴座4-3分别位于旋转底座4-2的前后两侧。每个转动轴座4-3开有一个转动轴孔；旋转底座4-2的前后两侧分别相对应地设有一转动轴，两个转动轴位于同一直线上。旋转底座4-2前后两侧的两个转动轴分别位于同侧的转动轴孔内，从而使得旋转底座4-2可绕转动轴所在直线左右摆动，进而使得弧形轨道机构1可以绕旋转底座4-2的转动轴所在直线左右摆动。旋转底座4-2的顶面设有固定板4-4，两个弧形外壳1-3的前端固定在位于前端的摆动底座机构4的固定板4-4的左、右两侧，相应地，两个弧形外壳1-3的后端固定在位于后端的摆动底座机构4的固定板4-4的左、右两侧。在本实施例中，位于前端的摆动底座机构4的固定板4-4上还固定有控制单元6，控制单元6为PCB控制板，控制单元6用于控制驱动机构5中的步进电机5-2。转动底座4-1的底面设有EVA底座垫片4-5。
B超探头2安装在底座机构3上，B超探头2在底座机构3上可左右摆动的同时还可上下移动。
结合图4及图5，底座机构3包括探头固定套3-3及滑动面板3-5。探头固定套3-3的正面设有开口的卡环，B超探头2卡在卡环上。探头固定套3-3的背面设有探头支撑卡板3-4，在探头固定套3-3及探头支撑卡板3-4的顶面开有螺孔，螺栓3-11穿过螺孔后由螺母3-12紧固，从而将探头固定套3-3与探头支撑卡板3-4连接固定为整体。探头支撑卡板3-4的顶部设有卡扣结构3-4-1、底部设有扭簧压紧结构3-4-2。滑动面板3-5的顶部设有卡槽3-5-1及与该卡槽3-5-1相接的位移槽3-5-2；滑动面板3-5的底部设有滑动块固定槽3-5-3及位于滑动块固定槽3-5-3下方的扭簧固定槽。探头支撑卡板3-4的卡扣结构3-4-1卡入滑动面板3-5的卡槽3-5-1后，螺母3-12位于位移槽3-5-2内，从而使得探头支撑卡板3-4及其上的探头固定套3-3可在位移槽3-5-2限定的行程范围内上下移动。
滑动面板3-5的滑动块固定槽3-5-3内设有滑动块3-6，滑动块3-6与滑轨3-7相配合并可在其上上下移动，滑轨3-7则固定在安装座3-1的正面。滑动面板3-5的扭簧固定槽内设有扭簧3-10及探头支撑卡板3-4的扭簧压紧结构3-4-2，扭簧压紧结构3-4-2压在扭簧3-10的上方。当探头固定套3-3未安装B超探头2时，扭簧3-10处于无载荷状态。当安装所述B超探头2后，在B超探头2自身重力的作用下，探头固定套3-3、探头支撑卡板3-4向下移动并通过扭簧压紧结构3-4-2压紧扭簧3-10，扭簧3-10受力压缩后其在前后方向上的尺寸变大至抵住滑轨3-7。因此，在操作B超探头2上下移动过程中，稍向上提起B超探头2，从而解除扭簧压紧结构3-4-2对扭簧3-10的作用力，此时，滑动块3-6可顺畅地沿滑轨3-7上下移动。移动到位后，放下B超探头2，在B超探头2自身重力的作用下，扭簧3-10发生形变至抵住滑轨3-7，从而对滑动块3-6沿滑轨3-7的移动产生阻力。
安装座3-1的背面设有摆动结构，安装座3-1及其上的B超探头2可整体绕摆动结构提供的摆动轴3-2左右摆动。本实施例中，摆动结构包括摆动支座3-8及摆动固定销3-9。摆动支座3-8顶部设有摆动轴3-2，底部设有摆动限位槽。摆动固定销3-9穿设于安装座3-1的底部内，摆动固定销3-9的端部穿出安装座3-1的背面后卡入摆动限位槽内。摆动支座3-8顶部的摆动轴3-2伸入位于安装座3-1背面顶部的轴孔内，从而使得安装座3-1及其上的B超探头2可整体绕摆动轴3-2在摆动限位槽限定的角度范围内摆动。
结合图7，本实施例公开的驱动机构5包括运动部件底座5-1，运动部件底座5-1与摆动支座3-8的底面连接固定。运动部件底座5-1内设有由控制单元6控制的步进电机5-2，且在运动部件底座5-1内穿设有驱动轮轴5-3。驱动轮轴5-3中部设有驱动齿轮5-4，左右两端分别设有行进齿轮5-5。驱动齿轮5-4与步进电机5-2上的动力齿轮5-7相啮合，行进齿轮5-5通过轴承5-6设于驱动轮轴5-3的端部且露于运动部件底座5-1外，左右两侧的行进齿轮5-5分别与同侧的弧形齿条1-1相啮合。当步进电机5-2在控制单元6的控制下工作后，驱动行进齿轮5-5转动，从而带动底座机构3及其上的B超探头2沿弧形齿条1-1限定的弧形轨迹移动。在运动部件底座5-1的左、右两侧分别设有一组可自由滚动的辅助轴承5-8。弧形外壳1-3的内侧设有辅助弧形轨道槽1-4。运动部件底座5-1左右两侧的两组辅助轴承5-8分别卡入同侧的辅助弧形轨道槽1-4内，由辅助弧形轨道槽1-4确保底座机构3及其上的B超探头2沿弧形齿条1-1限定的弧形轨迹移动。

Claims (10)

1.一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，包括B超探头(2)，其特征在于，还包括弧形轨道机构(1)、底座机构(3)、摆动底座机构(4)及驱动机构(5)，其中：
B超探头(2)设于底座机构(3)上，由驱动机构(5)驱动底座机构(3)及其上的B超探头(2)沿弧形轨道机构(1)所限定的弧形轨迹移动，将该弧形轨迹所在的水平方向定义为前后方向，将该弧形轨迹所在的竖直方向定义为上下方向，则左右方向垂直于该弧形轨迹所在平面；
弧形轨道机构(1)与摆动底座机构(4)铰接，弧形轨道机构(1)及其上的底座机构(3)、B超探头(2)、驱动机构(5)可绕弧形轨道机构(1)与摆动底座机构(4)之间的铰接点左右摆动；
B超探头(2)在底座机构(3)上可左右摆动的同时还可上下移动。
2.如权利要求1所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述弧形轨道机构(1)包括位于所述B超探头(2)、所述底座机构(3)及所述驱动机构(5)左右两侧的弧形齿条(1-1)，由所述驱动机构(5)驱动所述底座机构(3)及其上的所述B超探头(2)沿弧形齿条(1-1)限定的所述弧形轨迹移动；
3.如权利要求2所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，左右两侧的两根所述弧形齿条(1-1)分别固定在同侧的弧形齿条固定板(1-2)上；左右两侧的两个弧形齿条固定板(1-2)分别固定在同侧的弧形外壳(1-3)上。
4.如权利要求3所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述底座机构(3)包括固定座结构，所述B超探头(2)设于固定座结构上；固定座结构设于竖直位移结构上，固定座结构及其上的所述B超探头(2)通过竖直位移结构上下移动；竖直位移结构设于安装座(3-1)的正面，安装座(3-1)的背面设有摆动结构，安装座(3-1)及其上的竖直位移结构、固定座结构、所述B超探头(2)可绕摆动结构提供的摆动轴(3-2)左右摆动。
5.如权利要求4所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述固定座结构包括探头固定套(3-3)，探头固定套(3-3)的正面设有开口的卡环，所述B超探头(2)卡在卡环上；探头固定套(3-3)的背面设有探头支撑卡板(3-4)，探头支撑卡板(3-4)与探头固定套(3-3)之间通过连接件连接固定；探头支撑卡板(3-4)的顶部设有卡扣结构(3-4-1)、底部设有扭簧压紧结构(3-4-2)；滑动面板(3-5)的顶部设有卡槽(3-5-1)及与该卡槽(3-5-1)相接的位移槽(3-5-2)，探头支撑卡板(3-4)的卡扣结构(3-4-1)卡入卡槽(3-5-1)后，连接件位于位移槽(3-5-2)内，且探头支撑卡板(3-4)及其上的探头固定套(3-3)可在位移槽(3-5-2)限定的行程范围内上下移动；滑动面板(3-5)的底部设有滑动块固定槽(3-5-3)及位于滑动块固定槽(3-5-3)下方的扭簧固定槽；所述竖直位移结构包括滑动块(3-6)及滑轨(3-7)，滑动块(3-6)设于滑动面板(3-5)的滑动块固定槽(3-5-3)内，滑动块(3-6)与滑轨(3-7)相配合并可在其上上下移动，滑轨(3-7)设于所述安装座(3-1)的正面；滑动面板(3-5)的扭簧固定槽内设有扭簧(3-10)及探头支撑卡板(3-4)的扭簧压紧结构(3-4-2)，扭簧压紧结构(3-4-2)压在扭簧(3-10)的上方，当探头固定套(3-3)未安装所述B超探头(2)时，扭簧(3-10)处于无载荷状态，当安装所述B超探头(2)后，在所述B超探头(2)自身重力的作用下，探头固定套(3-3)、探头支撑卡板(3-4)向下移动并通过扭簧压紧结构(3-4-2)压紧扭簧(3-10)，扭簧(3-10)受力压缩后其在前后方向上的尺寸变大至抵住滑轨(3-7)。
6.如权利要求5所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述摆动结构包括摆动支座(3-8)及摆动固定销(3-9)，摆动支座(3-8)顶部设有所述摆动轴(3-2)，底部设有摆动限位槽；摆动固定销(3-9)穿设在所述安装座(3-1)的底部内，摆动固定销(3-9)的端部穿出所述安装座(3-1)的背面后卡入摆动限位槽内；摆动支座(3-8)顶部的所述摆动轴(3-2)伸入位于所述安装座(3-1)背面顶部的轴孔内，从而使得所述安装座(3-1)及其上的所述竖直位移结构、所述固定座结构、所述B超探头(2)可绕摆动轴(3-2)在摆动限位槽限定的角度范围内摆动。
7.如权利要求6所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述驱动机构(5)包括运动部件底座(5-1)，运动部件底座(5-1)与所述摆动支座(3-8)的底面连接固定；运动部件底座(5-1)内设有步进电机(5-2)，且在运动部件底座(5-1)内穿设有驱动轮轴(5-3)；步进电机(5-2)由控制单元(6)控制，控制单元(6)固定于两个所述弧形外壳(1-3)之间所形成的空间内；驱动轮轴(5-3)中部设有驱动齿轮(5-4)，左右两端分别设有行进齿轮(5-5)；驱动齿轮(5-4)与步进电机(5-2)上的动力齿轮(5-7)相啮合；行进齿轮(5-5)通过轴承(5-6)设于驱动轮轴(5-3)的端部且露于运动部件底座(5-1)外，左右两侧的行进齿轮(5-5)分别与同侧的所述弧形齿条(1-1)相啮合。
8.如权利要求7所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述运动部件底座(5-1)的左右两侧分别设有一组可自由滚动的辅助轴承(5-8)；所述弧形齿条固定板(1-2)的内侧设有辅助弧形轨道槽(1-4)；所述运动部件底座(5-1)左右两侧的两组辅助轴承(5-8)分别卡入同侧的辅助弧形轨道槽(1-4)内。
9.如权利要求1所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，有两个所述摆动底座机构(4)，两个所述摆动底座机构(4)分别设于所述弧形轨道机构(1)前后两端的底部。
10.如权利要求8所述的一种用于超声成像和光声成像的自动扫描机器人，其特征在于，所述摆动底座机构(4)包括转动底座(4-1)；转动底座(4-1)内设有旋转底座(4-2)及两个转动轴座(4-3)，两个转动轴座(4-3)分别位于旋转底座(4-2)的前后两侧，每个转动轴座(4-3)开有一个转动轴孔；旋转底座(4-2)的前后两侧分别设有一转动轴，两个转动轴位于同一直线上，且两个转动轴分别设于同侧的转动轴孔内，使得旋转底座(4-2)可绕转动轴所在直线左右摆动；旋转底座(4-2)的顶面设有固定板(4-4)，所述弧形轨道机构(1)的前端或后端的底部与固定板(4-4)连接固定；转动底座(4-1)的底面设有EVA底座垫片(4-5)。
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