CN112807017A - 一种医学影像全波场成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医学成像领域，具体是涉及一种医学影像全波场成像装置及方法，包括采集平台，设置为盆状，其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上采集平台；电连接器，呈球面阵列分布在包覆面上；高频超声波换能器，每个电连接器上均电性连接有一个高频超声波换能器，高频超声波换能器电性连接有脉冲控制器；柔性薄膜，设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域；介质液，填充在柔性薄膜内，本发明设计液态接触介质，增加超声波穿透人体的能量，减小人体表面与外界波阻抗，且形成一个稳定的观测系统，达到高精度成像目的。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像领域，具体是涉及一种医学影像全波场成像装置及方法。
背景技术
医学影像是指为了医疗或医学研究，对人体或人体某部分，以非侵入方式取得内部组织影像的技术与处理过程。它包含以下两个相对独立的研究方向：医学成像系统（medical imaging system）和医学图像处理（medical image processing）。前者是指图像行成的过程，包括对成像机理、成像设备、成像系统分析等问题的研究；后者是指对已经获得的图像作进一步的处理，其目的是或者是使原来不够清晰的图像复原，或者是为了突出图像中的某些特征信息，或者是对图像做模式分类等等。
作为一门科学，医学影像属于生物影像，并包含影像诊断学、放射学、内视镜、医疗用热影像技术、医学摄影和显微镜。另外，包括脑波图和脑磁造影等技术，虽然重点在于测量和记录，没有影像呈显，但因所产生的数据俱有定位特性也可被看作是另外一种形式的医学影像。临床应用方面，又称为医学成像，或影像医学，有些医院会设有影像医学中心、影像医学部或影像医学科，并配备相关的仪器设备，在医学、医学工程、医学物理与生医资讯学方面，医学影像通常是指研究影像构成、撷取与储存的技术、以及仪器设备的研究开发的科学。而研究如何判读、解释与诊断医学影像的是属于放射医学科，或其他医学领域，例如如神经系统学科、心血管病学科等方面的辅助科学。
但是现代医学影像领域，医学成像技术主要有核磁共振（MRI）、CT、超声波等手段，其中核磁共振成本高、设备体积庞大（动辄千万的造假，数百吨钢铁屏蔽强磁场，磁场铁芯也动辄数十吨乃至百吨），对检测目标也有特殊要求（比如不能含有金属）；CT虽然精度高，但是辐射剂量大，设备体积大，成本也相对较高；超声波体积小，成本低，但是只是利用了简单的反射波成像，存在精度不足，无法穿透特殊的部位，以及对特殊部位的杂乱波场无法准确成像等缺点（例如头颅、骨骼等），超声波穿透能力弱，波场在骨腔内来回震荡，难以识别反射和多次杂波干扰，无法精确成像。
发明内容
为解决上述技术问题，提供一种医学影像全波场成像装置及方法，本装置及方法设计液态接触介质，增加超声波穿透人体的能量，减小人体表面与外界波阻抗，在采集信号时，接收点和发射点位置相对固定，形成一个稳定的观测系统，可以精确的对接收到的信号医学成像，达到高精度成像目的（0.5mm级别精度）。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种医学影像全波场成像装置，包括：
采集平台，设置为盆状，其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围所述佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上所述采集平台；
电连接器，呈球面阵列分布在所述包覆面上；
高频超声波换能器，每个所述电连接器上均电性连接有一个高频超声波换能器，高频超声波换能器电性连接有脉冲控制器；
柔性薄膜，设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域；
介质液，填充在所述柔性薄膜内。
可选的，所述介质液为水溶液或者超声耦合凝胶溶液。
可选的，所述柔性薄膜采用具有防水性能的硫化橡胶材料制成，柔性薄膜与采集平台之间可拆卸连接。
可选的，介质液通过泵入的方式填充进入到柔性薄膜内，使得介质液响应位于介质液两侧的压力差而向靠近待检测人员的受检部位的方向产生均匀拉伸，介质液的内壁紧贴受检部位，进而使得采集区域形成一个可容纳受检部位的凹陷空腔，并且所述凹陷空腔的深度可以调节以匹配不同尺寸的受检部位。
可选的，所述高频超声波换能器与所述电连接器之间可拆卸连接。
进一步的，本发明提供一种医学影像全波场成像方法，包括以下步骤：
确定基准位置，对所述基准位置进行一次精确定位空间坐标，得到基准位置精确坐标值；
对基准位置进行二次精确定位空间坐标，得到基准位置参照坐标值；
确定受检部位，进行医学成像；
确定当前医学成像的位置，对所述当前医学成像的位置进行精确定位空间坐标，得到成像部件当前位置，得到当前位置参照坐标值；
根据所述基准位置精确坐标值、所述基准位置参照坐标值和所述当前位置参照坐标值，对成像部件位置改变后进行精确定位空间坐标。
可选的，进行医学成像时所使用的成像装置包括：
采集平台，设置为盆状，其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围所述佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上所述采集平台；
电连接器，呈球面阵列分布在所述包覆面上；
高频超声波换能器，每个所述电连接器上均电性连接有一个高频超声波换能器，高频超声波换能器电性连接有脉冲控制器；
柔性薄膜，设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域；
介质液，填充在所述柔性薄膜内。
可选的，所述介质液为水溶液或者超声耦合凝胶溶液。
可选的，所述柔性薄膜采用具有防水性能的硫化橡胶材料制成，柔性薄膜与采集平台之间可拆卸连接。
可选的，介质液通过泵入的方式填充进入到柔性薄膜内，使得介质液响应位于介质液两侧的压力差而向靠近待检测人员的受检部位的方向产生均匀拉伸，介质液的内壁紧贴受检部位，进而使得采集区域形成一个可容纳受检部位的凹陷空腔，并且所述凹陷空腔的深度可以调节以匹配不同尺寸的受检部位。
本发明的有益效果为：
本发明通过加入液态的接触介质即介质液，增加超声波穿透人体的能量，减小人体表面与外界波阻抗，同时在本发明中在采集信号时，接收点和发射点位置相对固定，形成一个稳定的观测系统，可以更加精确的对接收到的信号进行医学成像，无论是反射波、透射波、绕射、多次等各种复杂波场均可医学成像，达到高精度成像目的（0.5mm级别精度）。与传统超声医学成像时采样精度为8bit-10bit不同，采用本发明的采样精度至少是16bit，甚至达到地震勘探时的采集精度24bit，这样可以获得更大动态范围的振幅变换，最终的成像结果可以反映出更细微的波阻抗变化，得到更加精确的成像结果，方便区分弱能量反射界面，增减肿瘤等波阻抗特种变换不明显的目标识别度。
附图说明
图1为本发明的医学影像全波场成像装置的结构示意图一；
图2为本发明的医学影像全波场成像装置的正视图；
图3为图2中A-A处的剖面示意图；
图4为图3中B-B处的剖面示意图；
图5为本发明的医学影像全波场成像装置的结构示意图二；
图6为图5中A处的放大示意图；
图7为本发明的医学影像全波场成像方法的流程示意图；
图中标号为：
1-采集平台；
2-电连接器；
3-高频超声波换能器；
4-柔性薄膜；
5-介质液；
6-采集区域。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
请参阅图1至图,6，该全波场成像装置包括：
采集平台1，设置为盆状，由硬质材料制成，兼具一定的保护作用，采集平台1其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上采集平台1。
电连接器2，呈球面阵列分布在包覆面上。
高频超声波换能器3，每个电连接器2上均电性连接有一个高频超声波换能器3，高频超声波换能器3电性连接有脉冲控制器，在本实施例中，高频超声波换能器3与电连接器2之间是可拆卸连接的。
进行信号采集时，各个高频超声波换能器3依次激发，或者在特定时间激发（也可以同时激发）发出特定波形的超声波，所有高频超声波换能器3均接受波场信号。记录时间根据目标体速度和厚度设定，例如脑颅骨接收2毫秒，记录采样间隔也根据分辨率的需要，例如1微秒。
柔性薄膜4，设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜4位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域6。
介质液5，填充在柔性薄膜4内，超声波入射到两种不同媒介的分界面上时，二者的声学阻抗相差越大，反射系数越大，超声波穿过界面进入另一种媒介的能量越少。如果介质液5与受检部位之间有空气间隔，或者直接“干接触”，介质液5的探头部分和受检部位之间的空气层会起到强烈的反射作用，使得超声波无法有效地传播。在超声成像过程中，因此加入介质液5以减少超声反射，增加超声透射。
以受检部位为人体的头颅为例，空气中声波速度单程是340m/s，水中大约是750m/s，骨头大约可以到2000m/s，声学阻抗即声波两种不同介质之间的速度及比值，其反射系数为声学阻抗一阶导数。也就是说，声波从低速到高速传播时候，高速越大，反射能能量越多，透射的能量越少，这样从超声波通过空气到骨头被反射的能量远远大于从介质液5到骨头的能量，因此在采集平台1与受检部位采用柔性薄膜4作为介质，目的就是为了减少界面反射能量，增大透射能量。
在本实施例中，柔性薄膜4可以是与采集平台1拆卸连接的，即在进行成像前，先为待检测人员佩戴上介质液5，之后将介质液5填充进入到柔性薄膜4内，再佩戴上采集平台1，使得采集平台1的内壁紧贴柔性薄膜4的外壁，或者为待检测人员佩戴上介质液5，之后再佩戴上采集平台1，使得采集平台1的内壁紧贴柔性薄膜4的外壁，然后将介质液5填充进入到柔性薄膜4内。
在本实施例中，介质液5为水溶液或者超声耦合凝胶溶液，柔性薄膜4采用具有防水性能的硫化橡胶材料制成，也可以采用聚乙烯、聚氯乙烯膜等高聚物材料制成，成本极低，特别适于一次性使用，避免不同受检者之间的交叉感染，且具有良好的生物安全性，无毒无味，排斥微生物和细菌，因此人体皮肤接触的安全性得到可靠的保障。
介质液5通过泵入的方式填充进入到柔性薄膜4内，例如用小型水泵把液态的介质液5泵入柔性薄膜4的空腔内，使得介质液5响应位于介质液5两侧的压力差而向靠近待检测人员的受检部位的方向产生均匀拉伸，介质液5的内壁紧贴受检部位，实现强耦合，进而使得采集区域6形成一个可容纳受检部位的凹陷空腔，并且凹陷空腔的深度可以调节以匹配不同尺寸的受检部位。
这样的向柔性薄膜4内填充介质液5方式，使得柔性薄膜4有效隔绝了其内的介质液5和受检部位，无需为不同的待检测人员更换介质液5，既节约了成本不会造成不同受检者之间的交叉感染，高频超声波换能器3是通过电连接器2安装在采集平台1上的，因此在循环使用者也不会污染到高频超声波换能器3，介质液5也不会影响光声和超声成像的结果。
采用泵入控制对柔性薄膜4进行延展拉伸，使得柔性薄膜4在进行成像时原位上一次成型形成匹配受检部位的形状例如半球形凹陷空腔，不需要从其他额外装置转移到成像仪器上，既节省时间，避免移动导致的形变，又可以减少额外接触造成污染的风险，成型后的凹陷空腔可以匹配受检部位的形状，符合人体工程学，并且柔性薄膜4对于人体皮肤具有良好的触感，还起到稳定固定的作用，减少成像时的运动伪影。
进一步的，请参阅图7，该全波场成像方法，包括以下步骤：
S100）确定基准位置，对基准位置进行一次精确定位空间坐标，得到基准位置精确坐标值。
S200）对基准位置进行二次精确定位空间坐标，得到基准位置参照坐标值。
S300）确定受检部位，进行医学成像。
S400）确定当前医学成像的位置，对当前医学成像的位置进行精确定位空间坐标，得到成像部件当前位置，得到当前位置参照坐标值。
S500）根据基准位置精确坐标值、基准位置参照坐标值和当前位置参照坐标值，对成像部件位置改变后进行精确定位空间坐标。
请参阅图1至图6，进行医学成像时所使用的成像装置包括：
采集平台1，设置为盆状，由硬质材料制成，兼具一定的保护作用，采集平台1其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上采集平台1。
电连接器2，呈球面阵列分布在包覆面上。
高频超声波换能器3，每个电连接器2上均电性连接有一个高频超声波换能器3，高频超声波换能器3电性连接有脉冲控制器，在本实施例中，高频超声波换能器3与电连接器2之间是可拆卸连接的。进行信号采集时，各个高频超声波换能器3依次激发，或者在特定时间激发（也可以同时激发）发出特定波形的超声波，所有高频超声波换能器3均接受波场信号。记录时间根据目标体速度和厚度设定，例如脑颅骨接收2毫秒，记录采样间隔也根据分辨率的需要，例如1微秒。
柔性薄膜4，设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜4位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域6。
介质液5，填充在柔性薄膜4内，超声波入射到两种不同媒介的分界面上时，二者的声学阻抗相差越大，反射系数越大，超声波穿过界面进入另一种媒介的能量越少。如果介质液5与受检部位之间有空气间隔，或者直接“干接触”，介质液5的探头部分和受检部位之间的空气层会起到强烈的反射作用，使得超声波无法有效地传播。在超声成像过程中，因此加入介质液5以减少超声反射，增加超声透射。
以受检部位为人体的头颅为例，空气中声波速度单程是340m/s，水中大约是750m/s，骨头大约可以到2000m/s，声学阻抗即声波两种不同介质之间的速度及比值，其反射系数为声学阻抗一阶导数。也就是说，声波从低速到高速传播时候，高速越大，反射能能量越多，透射的能量越少，这样从超声波通过空气到骨头被反射的能量远远大于从介质液5到骨头的能量，因此在采集平台1与受检部位采用柔性薄膜4作为介质，目的就是为了减少界面反射能量，增大透射能量。
在本实施例中，柔性薄膜4可以是与采集平台1拆卸连接的，即在进行成像前，先为待检测人员佩戴上介质液5，之后将介质液5填充进入到柔性薄膜4内，再佩戴上采集平台1，使得采集平台1的内壁紧贴柔性薄膜4的外壁，或者为待检测人员佩戴上介质液5，之后再佩戴上采集平台1，使得采集平台1的内壁紧贴柔性薄膜4的外壁，然后将介质液5填充进入到柔性薄膜4内。
在本实施例中，介质液5为水溶液或者超声耦合凝胶溶液，柔性薄膜4采用具有防水性能的硫化橡胶材料制成，也可以采用聚乙烯、聚氯乙烯膜等高聚物材料制成，成本极低，特别适于一次性使用，避免不同受检者之间的交叉感染，且具有良好的生物安全性，无毒无味，排斥微生物和细菌，因此人体皮肤接触的安全性得到可靠的保障。
介质液5通过泵入的方式填充进入到柔性薄膜4内，例如用小型水泵把液态的介质液5泵入柔性薄膜4的空腔内，使得介质液5响应位于介质液5两侧的压力差而向靠近待检测人员的受检部位的方向产生均匀拉伸，介质液5的内壁紧贴受检部位，实现强耦合，进而使得采集区域6形成一个可容纳受检部位的凹陷空腔，并且凹陷空腔的深度可以调节以匹配不同尺寸的受检部位。
这样的向柔性薄膜4内填充介质液5方式，使得柔性薄膜4有效隔绝了其内的介质液5和受检部位，无需为不同的待检测人员更换介质液5，既节约了成本不会造成不同受检者之间的交叉感染，高频超声波换能器3是通过电连接器2安装在采集平台1上的，因此在循环使用者也不会污染到高频超声波换能器3，介质液5也不会影响光声和超声成像的结果。
采用泵入控制对柔性薄膜4进行延展拉伸，使得柔性薄膜4在进行成像时原位上一次成型形成匹配受检部位的形状例如半球形凹陷空腔，不需要从其他额外装置转移到成像仪器上，既节省时间，避免移动导致的形变，又可以减少额外接触造成污染的风险，成型后的凹陷空腔可以匹配受检部位的形状，符合人体工程学，并且柔性薄膜4对于人体皮肤具有良好的触感，还起到稳定固定的作用，减少成像时的运动伪影。
本发明的有益效果为：
本发明通过加入液态的接触介质即介质液，增加超声波穿透人体的能量，减小人体表面与外界波阻抗，同时在本发明中在采集信号时，接收点和发射点位置相对固定，形成一个稳定的观测系统，可以更加精确的对接收到的信号进行医学成像，无论是反射波、透射波、绕射、多次等各种复杂波场均可医学成像，达到高精度成像目的（0.5mm级别精度）。与传统超声医学成像时采样精度为8bit-10bit不同，采用本发明的采样精度至少是16bit，甚至达到地震勘探时的采集精度24bit，这样可以获得更大动态范围的振幅变换，最终的成像结果可以反映出更细微的波阻抗变化，得到更加精确的成像结果，方便区分弱能量反射界面，增减肿瘤等波阻抗特种变换不明显的目标识别度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种医学影像全波场成像装置，其特征在于，包括：
采集平台（1），设置为盆状，其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围所述佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上所述采集平台（1）；
电连接器（2），呈球面阵列分布在所述包覆面上；
高频超声波换能器（3），每个所述电连接器（2）上均电性连接有一个高频超声波换能器（3），高频超声波换能器（3）电性连接有脉冲控制器；
柔性薄膜（4），设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜（4）位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域（6）；
介质液（5），填充在所述柔性薄膜（4）内。
2.根据权利要求1所述的一种医学影像全波场成像装置，其特征在于，所述介质液（5）为水溶液或者超声耦合凝胶溶液。
3.根据权利要求2所述的一种医学影像全波场成像装置，其特征在于，所述柔性薄膜（4）采用具有防水性能的硫化橡胶材料制成，柔性薄膜（4）与采集平台（1）之间可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的一种医学影像全波场成像装置，其特征在于，介质液（5）通过泵入的方式填充进入到柔性薄膜（4）内，使得介质液（5）响应位于介质液（5）两侧的压力差而向靠近待检测人员的受检部位的方向产生均匀拉伸，介质液（5）的内壁紧贴受检部位，进而使得采集区域（6）形成一个可容纳受检部位的凹陷空腔，并且所述凹陷空腔的深度可以调节以匹配不同尺寸的受检部位。
5.根据权利要求4所述的一种医学影像全波场成像装置，其特征在于，所述高频超声波换能器（3）与所述电连接器（2）之间可拆卸连接。
6.一种医学影像全波场成像方法，其特征在于，包括：
确定基准位置，对所述基准位置进行一次精确定位空间坐标，得到基准位置精确坐标值；
对基准位置进行二次精确定位空间坐标，得到基准位置参照坐标值；
确定受检部位，进行医学成像；
确定当前医学成像的位置，对所述当前医学成像的位置进行精确定位空间坐标，得到成像部件当前位置，得到当前位置参照坐标值；
根据所述基准位置精确坐标值、所述基准位置参照坐标值和所述当前位置参照坐标值，对成像部件位置改变后进行精确定位空间坐标。
7.根据权利要求6所述的一种医学影像全波场成像方法，其特征在于，进行医学成像时所使用的成像装置包括：
采集平台（1），设置为盆状，其一端具有佩戴口，并形成球面状包覆面以包围所述佩戴口，待检测人员通过佩戴口穿戴上所述采集平台（1）；
电连接器（2），呈球面阵列分布在所述包覆面上；
高频超声波换能器（3），每个所述电连接器（2）上均电性连接有一个高频超声波换能器（3），高频超声波换能器（3）电性连接有脉冲控制器；
柔性薄膜（4），设置为盆状，位于佩戴口内并紧贴包覆面的内壁，柔性薄膜（4）位于佩戴口的内侧形成进行信号采集的采集区域（6）；
介质液（5），填充在所述柔性薄膜（4）内。
8.根据权利要求7所述的一种医学影像全波场成像方法，其特征在于，所述介质液（5）为水溶液或者超声耦合凝胶溶液。
9.根据权利要求8所述的一种医学影像全波场成像方法，其特征在于，所述柔性薄膜（4）采用具有防水性能的硫化橡胶材料制成，柔性薄膜（4）与采集平台（1）之间可拆卸连接。
10.根据权利要求9所述的一种医学影像全波场成像方法，其特征在于，介质液（5）通过泵入的方式填充进入到柔性薄膜（4）内，使得介质液（5）响应位于介质液（5）两侧的压力差而向靠近待检测人员的受检部位的方向产生均匀拉伸，介质液（5）的内壁紧贴受检部位，进而使得采集区域（6）形成一个可容纳受检部位的凹陷空腔，并且所述凹陷空腔的深度可以调节以匹配不同尺寸的受检部位。
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| CN202011486062.XA CN112807017A (zh) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | 一种医学影像全波场成像装置及方法 |
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