CN112890868A - 一种用于手臂血管三维评估的超声装置和方法 - Google Patents

一种用于手臂血管三维评估的超声装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于手臂血管三维评估的超声装置，包括：超声探头，用于发射和采集超声波信号；超声探头引导支架，用于引导超声探头沿着其长度方向移动，并实时定位超声探头在超声探头引导支架中的位置信息；超声成像系统，其与超声探头和超声探头引导支架通信连接，用于根据超声探头采集的超声波信号以及超声探头在超声探头引导支架中的位置信息，重建手臂血管的三维超声图像。本发明通过引导和限定超声探头的移动方向，并实时定位超声探头的位置信息，可手动完成大范围图像采集，并最终重建三维超声图像。本发明的装置结构简单，易于操作，成本低，精度高。

Description

一种用于手臂血管三维评估的超声装置和方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种用于手臂血管的三维评估的超声装置和方法。
背景技术
中国成年人中慢性肾脏病(CKD)的患病率为10.8％，总数高达1.2亿，其中终末期肾脏病(ESRD)指各种慢性肾脏疾病的终末阶段，与尿毒症的概念类似，当肾小球滤过率降至15GCF时即可诊断，慢性肾脏病到了5期时就进入了终末期肾脏病阶段。在终末期肾脏病的早期可无明显不适，但随着肾功能的进行性下降，毒素在体内进一步蓄积，可引起尿毒症的各种症状，如恶心、呕吐、胃纳差、皮肤瘙痒、口氨臭味、水肿等，并可出现贫血等一系列并发症。
2014年ESRD患者人数接近200万人，到2030年预计将达到315万人。终末期肾病的治疗方法包括肾脏替代治疗和并发症的治疗。肾脏替代治疗包括血液透析、腹膜透析以及肾移植。首选的方式是肾移植，但由于经济原因以及肾源及配型问题，肾移植难度很大，因此常用的方法还是血液透析和腹膜透析。血液透析和腹膜透析各有优缺点，腹膜透析对毒素的清除能力较差。血液透析时血透针从左臂血管扎入做动静脉瘘，由于多次扎入血管，血管易受到创伤而产生血栓导致血管功能逐渐恶化。由于血管创伤频率高，处理不当的患者只能生存2年，目前我国血液透析患者的平均生存期为2.5年。有些医院采用标准超声进行动静脉瘘扎入前血管评估，但是超声设备价格高，部分高达200多万元一台；对医生的经验要求也比较高；且不能提供完整的左臂血管三维评估。
左臂血管三维评估对于血液透析患者至关重要，因为左臂血管的健康状态指示了血液透析患者生命的长度。目前超声虽然可用于左臂血管的评估，但由于二维超声视野有限，对医生经验和技巧要求都很高。现有技术开发了基于二维超声的三维超声重建系统，可对整条血管进行成像并分析，主要为电磁法和光学图像法，然而这两种方法都需要电磁或光学设备支持，系统复杂，成本很高。前者需要一个磁场发生器，超声探头携带传感器可定位探头位置及旋转角度。然而，磁场发生器价格昂贵，且电磁设备易受周围环境影响，导致精度降低。后者则需要摄像头通过影像的手段对超声探头进行定位，但工作的时候需要避免摄像头被遮挡，因而实现机制和设备结构复杂，且该系统价格昂贵。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种用于手臂(尤其是左臂)血管三维评估的超声装置和方法，包括超声探头引导支架，其与超声成像系统连接，并通过引导和限定超声探头的移动方向，并实时定位超声探头的位置信息，可手动完成大范围图像采集，并最终重建三维超声图像。该装置结构简单，易于操作，成本低，精度高。
为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种用于手臂血管三维评估的超声装置，包括：
超声探头，用于发射和采集超声波信号；
超声探头引导支架，用于引导超声探头沿着其长度方向移动，并实时定位超声探头在超声探头引导支架中的位置信息；
超声成像系统，其与超声探头和超声探头引导支架通信连接，用于根据超声探头采集的超声波信号以及超声探头在超声探头引导支架中的位置信息，重建手臂血管的三维超声图像。
进一步地，超声探头为二维超声探头，如图1所示，其下端一般呈长条形(即沿y方向延伸)，并可探测超声探头下方的手臂血管的深度信息(即z方向的信息)，从而可以形成一张包括y轴和z轴方向上的信息的二维超声图。
进一步地，超声探头通过通信线缆与超声成像系统通信连接，以便实时快速地将采集的超声波信号发送至超声成像系统。
进一步地，超声探头引导支架大致为长方形，其长度(x轴方向)大致等于患者手臂的长度，其延伸方向大致与患者手臂长度方向相同；其宽度(y轴方向)大致等于超声探头下端长条形的长度(即超声探头在y轴方向的长度)。
进一步地，超声探头引导支架的长度可设置几种不同的规格，以适应不同患者的手臂长度。
进一步地，超声探头可以在超声探头引导支架内沿着超声探头引导支架的长度方向(x轴方向)滑动。
进一步地，超声探头引导支架可定位超声探头在超声探头引导支架的长度方向(x轴方向)的位置信息，并将该位置信息实时发送至超声成像系统。
进一步地，超声探头引导支架对超声探头的定位可通过位移传感器实现，例如电阻式位移传感器、电位器式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器、光电式位移传感器等。
进一步地，超声探头引导支架可以通过有线的方式，例如通信线缆，与超声成像系统进行通信连接；也可以通过无线的方式，例如蓝牙、WiFi、Zigbee、4G或5G蜂窝网络，与超声成像系统进行通信连接。优选地，超声探头引导支架通过蓝牙模块与超声成像系统进行通信连接。
另一方面，本发明还提供了一种使用上述超声装置对手臂血管进行三维评估的方法，包括以下步骤：
(1)将患者手臂手掌朝上平放，将超声探头引导支架固定于患者手臂上方，使得超声探头引导支架的长度方向(x轴方向)与患者手臂的延伸方向大致相同；
(2)将超声探头置于超声探头引导支架内的一端作为起始点，初始化系统参数，并采集起始点处的二维超声图像(包括y轴和z轴方向的信息)；
(3)沿着超声探头引导支架的长度方向将超声探头向另一端移动，期间每间隔一段距离采集对应位置的二维超声图像；
(4)扫查完毕，提交所有扫查的二维超声图像及其对应的位置信息；
(5)超声成像系统根据二维超声图像及其对应的位置信息，对手臂血管进行三维超声图像重建(包括x轴、y轴和z轴方向的信息)。
进一步地，步骤(1)中患者手臂可通过绑带固定于超声探头引导支架的下方，以减少其相对于超声探头引导支架的位移，进一步提高定位的精确度。
进一步地，步骤(3)中“每间隔一段距离”所指的距离应小于超声探头下端在超声探头引导支架的长度方向(x轴方向)上的宽度，即相邻位置的二维超声图像之间具有重叠部分。
进一步地，步骤(5)中超声成像系统根据二维超声图像及其对应的位置信息对手臂血管进行三维超声图像重建的方法是将所有扫查的二维超声图像按其在超声探头引导支架中的位置信息进行顺序排列和拼接，并扣除相邻位置的二维超声图像之间的重叠部分而得到。
本发明的有益技术效果至少体现在以下几个方面：
(1)本发明的用于手臂血管三维评估的超声装置结构简单，成本低廉，易于操作，对医生的经验要求也比较低。
(2)本发明利用人体手臂较为平直，手臂血管分布较为平坦的特点，针对性地设计了长方形的超声探头引导支架，将患者手臂和超声探头引导支架固定，并限定超声探头的移动方向，在很大程度上避免了由于患者手臂移动而造成的定位精度和成像角度变化带来的不利影响，大大提高了定位精度和二维超声图像之间的连续性，从而减少了超声成像系统在进行三维超声图像重建时的运算量，工作效率更高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的用于手臂血管三维评估的超声装置的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例对二维超声图像进行三维重建后的人体手臂血管三维超声图像。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-2所示，在一个较佳实施例中，本发明的一种用于手臂血管三维评估的超声装置包括：
超声探头1，用于发射和采集超声波信号；
超声探头引导支架2，用于引导超声探头1沿着其长度方向移动，并实时定位超声探头1在超声探头引导支架2中的位置信息；
超声成像系统3，其与超声探头1和超声探头引导支架2通信连接，用于根据超声探头1采集的超声波信号以及超声探头1在超声探头引导支架2中的位置信息，重建手臂血管的三维超声图像。
超声探头1为二维超声探头，其下端呈长条形(即沿y方向延伸)，并可探测超声探头1下方的手臂血管的深度信息(即z方向的信息)，从而可以形成一张包括y轴和z轴方向上的信息的二维超声图(例如图2中的任一条状的超声图)。超声探头1通过通信线缆与超声成像系统3通信连接，以便实时快速地将采集的超声波信号发送至超声成像系统3。
超声探头引导支架2大致为长方形，其长度(x轴方向)大致等于患者手臂的长度，其延伸方向大致与患者手臂长度方向相同；其宽度(y轴方向)大致等于超声探头1下端长条形的长度(即超声探头在y轴方向的长度)。超声探头引导支架2的长度设置有多种不同的规格，以适应不同患者的手臂长度。超声探头1可以在超声探头引导支架2内沿着超声探头引导支架2的长度方向(x轴方向)滑动。
超声探头引导支架2可定位超声探头1在超声探头引导支架2的长度方向(x轴方向)的位置信息，并将该位置信息实时发送至超声成像系统3。超声探头引导支架2对超声探头1的定位可通过位移传感器实现，例如电阻式位移传感器、电位器式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器、光电式位移传感器等。
超声探头引导支架2通过蓝牙通信模块与超声成像系统3进行通信连接。
使用本实施例的用于手臂血管三维评估的超声装置对手臂血管进行三维评估的方法，包括以下步骤：
(1)将患者手臂手掌朝上平放，将超声探头引导支架2固定于患者手臂上方，使得超声探头引导支架2的长度方向(x轴方向)与患者手臂的延伸方向大致相同；
(2)将超声探头1置于超声探头引导支架2内的一端作为起始点，初始化系统参数，并采集起始点处的二维超声图像(包括y轴和z轴方向的信息)；
(3)沿着超声探头引导支架2的长度方向将超声探头1向另一端移动，期间每间隔一段距离采集对应位置的二维超声图像；
(4)扫查完毕，提交所有扫查的二维超声图像及其对应的位置信息；
(5)超声成像系统3根据二维超声图像及其对应的位置信息，对手臂血管进行三维超声图像重建(包括x轴、y轴和z轴方向的信息)。
步骤(1)中患者手臂可通过绑带固定于超声探头引导支架2的下方，以减少其相对于超声探头引导支架2的位移，进一步提高定位的精确度。
步骤(3)中“每间隔一段距离”的距离应小于超声探头1下端在超声探头引导支架2的长度方向(x轴方向)上的宽度，即相邻位置的二维超声图像之间具有重叠部分。
步骤(5)中超声成像系统3根据二维超声图像及其对应的位置信息对手臂血管进行三维超声图像重建的方法是将所有扫查的二维超声图像按其在超声探头引导支架2中的位置信息进行顺序排列和拼接，并扣除相邻位置的二维超声图像之间的重叠部分而得到(如图2所示)。
本发明的用于手臂血管三维评估的超声装置结构简单，成本低廉，易于操作，对医生的经验要求也比较低。本发明利用人体手臂较为平直，手臂血管分布较为平坦的特点，针对性地设计了长方形的超声探头引导支架，将患者手臂和超声探头引导支架固定，并限定超声探头的移动方向，在很大程度上避免了由于患者手臂移动而造成的定位精度和成像角度变化带来的不利影响，大大提高了定位精度和二维超声图像之间的连续性，从而减少了超声成像系统在进行三维超声图像重建时的运算量，工作效率更高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，包括：
超声探头，用于发射和采集超声波信号；
超声探头引导支架，用于引导所述超声探头沿着其长度方向移动，并实时定位所述超声探头在所述超声探头引导支架中的位置信息；
超声成像系统，其与所述超声探头和所述超声探头引导支架通信连接，用于根据所述超声探头采集的超声波信号以及所述超声探头在所述超声探头引导支架中的位置信息，重建手臂血管的三维超声图像。
2.如权利要求1所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述超声探头为二维超声探头，其下端呈长条形。
3.如权利要求1所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，超声探头通过通信线缆与超声成像系统通信连接。
4.如权利要求2所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述超声探头引导支架大致为长方形，其长度大致等于患者手臂的长度，其延伸方向大致与患者手臂长度方向相同；其宽度大致等于所述超声探头下端长条形的长度。
5.如权利要求1所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述超声探头引导支架的长度具有多种不同的规格，以适应不同患者的手臂长度。
6.如权利要求1所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述超声探头可以在所述超声探头引导支架内沿着所述超声探头引导支架的长度方向滑动。
7.如权利要求1所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述超声探头引导支架对所述超声探头的定位通过位移传感器实现。
8.如权利要求7所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述位移传感器选自电阻式位移传感器、电位器式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器、光电式位移传感器中的一种。
9.如权利要求1所述的用于手臂血管三维评估的超声装置，其特征在于，所述超声探头引导支架通过无线的方式与超声成像系统进行通信连接。
10.一种使用如权利要求1-9中任一项所述的用于手臂血管三维评估的超声装置对手臂血管进行三维评估的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将患者手臂手掌朝上平放，将所述超声探头引导支架固定于患者手臂上方，使得所述超声探头引导支架的长度方向与患者手臂的延伸方向大致相同；
(2)将所述超声探头置于所述超声探头引导支架内的一端作为起始点，初始化系统参数，并采集起始点处的二维超声图像；
(3)沿着所述超声探头引导支架的长度方向将所述超声探头向另一端移动，期间每间隔一段距离采集对应位置的二维超声图像；
(4)扫查完毕，提交所有扫查的二维超声图像及其对应的位置信息；
(5)所述超声成像系统根据二维超声图像及其对应的位置信息，对手臂血管进行三维超声图像重建。
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