CN113397602A - 心脏内三维超声成像导管及系统、心脏三维模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术领域，本发明提出了一种心脏内三维超声成像导管，包括：鞘管，鞘管上设置有牵引件；超声波器件，设置在鞘管的远端；控制手柄，连接牵引件；姿态传感器，用于获取超声波器件的三维姿态坐标；通信单元，用于将超声波器件和姿态传感器的信号传送至超声成像主机。本发明还提出一种心脏内超声三维成像系统及心脏三维模型构建方法。本发明之心脏内三维超声成像导管、三维成像系统及三维成像方法，通过设置姿态传感器，在超声波器件获取三维超声成像电信号的同时获取超声波器件的三维姿态坐标，从而可以在心脏三维模型构建时精准定位超声波器件的姿态和位置，保证成像质量，更好地还原心脏的跳动状态。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种心脏内三维超声成像导管及系统、心脏三维模型构建方法。
背景技术
超声波能够作为光学观察的补充来进行诊断和控制，因为声波可以在对电磁波不透明的介质中行进行，因此在医学领域有着广泛的应用。与之对应的超声三维成像日益成为诊断和治疗诸如心内膜炎、房间隔缺损、卵圆孔未闭和室间隔缺损(VSD)等心脏异常的重要工具，可以通过放置于心腔内部的显像装置来精确获取心脏的解剖结构信息，并可以同步显示心脏血流动力学、实时动态评估局部心肌和整体心脏功能体内。超声成像装置一般包括超声成像主机、超声导管和控制单元。超声导管包括鞘管以及超声波器件，可以通过调整超声换能器的姿态，并获得对应的三维超声成像电信号，超声成像主机再将这些三维超声成像电信号拟合成像。现有的心脏内三维超声成像导管在成像时由于无法精准定位超声波器件的姿态，导致超声成像主机在通过这些三维超声成像电信号进行心脏三维模型构建时发生图像失真的现象，进而影响成像质量。
发明内容
本发明提供了一种心脏内三维超声成像导管及系统、心脏三维模型构建方法，使用时可以精准定位超声波器件的姿态和位置，防止图像失真，保证成像质量。
本申请第一方面的实施例提供了一种心脏内三维超声成像导管，包括：
鞘管，所述鞘管具有远端和近端，所述鞘管上设置有牵引件；
超声波器件，设置在所述鞘管的远端，用于获取三维超声成像电信号；
控制手柄，连接所述牵引件，用于通过所述牵引件控制所述超声波器件的姿态；
姿态传感器，设置在所述鞘管内且与所述超声波器件相邻设置，所述姿态传感器用于获取所述超声波器件的三维姿态坐标；及
通信单元，用于将所述超声波器件和所述姿态传感器的信号传送至超声成像主机。
在其中一些实施例中，所述超声波器件包括依次设置的固定座、柔性电路板、背衬层和超声波芯片。
在其中一些实施例中，所述超声波芯片包括超声波收发器芯片和超声波平面阵列芯片，所述超声波收发器芯片和所述超声波平面阵列芯片通过CMOS半导体工艺三维集成。
在其中一些实施例中，所述背衬层远离所述超声波芯片的一面设置有多个凹槽。
在其中一些实施例中，所述凹槽的侧壁设置有第一反射面和第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面平行于凹槽的底壁且沿所述凹槽的深度方向间隔设置。
在其中一些实施例中，所述第一反射面和所述第二反射面沿所述凹槽的深度方向具有一高度差，所述高度差为超声波波长的1/4。
在其中一些实施例中，在同一个所述凹槽中设置有多个所述第一反射面和多个所述第二反射面，多个所述第一反射面和多个所述第二反射面交替设置，每两个相邻的所述第一反射面和所述第二反射面沿所述凹槽的深度方向具有一高度差，多个高度差不全相等。
本申请第二方面的实施例提供了一种心脏内三维超声成像系统，包括：
如本申请第一方面所述的心脏内三维超声成像导管；及
超声成像主机，所述超声成像主机用于控制所述超声波波器件在心脏内进行超声波发射扫描并接收所述超声波器件输出的实时的三维超声成像电信号，所述超声成像主对所述三维超声成像电信号进行信号处理和图像处理后生产实时的心脏内三维影像。
本申请第三方面的实施例提供了一种心脏三维模型构建方法，包括：
将心腔内三维超声成像导管输送至心腔内，并获得超声波器件的初始扫描点的三维姿态坐标信号；
控制超声波器件进行超声波扫描，通过超声成像主机接收超声波器件输出的实时的三维超声成像电信号并对所述三维超声成像电信号进行信号处理和图像处理之后生成实时的三维超声图像；
调整超声波器件至下一目标扫描点，获取对应的三维姿态坐标信号，通过所述超声波成像主机生成对应的所述三维超声图像；
对多个所述三维超声图像和多个对应的所述三维姿态坐标信号进行拟合，生成心脏三维模型。
在其中一些实施例中，在控制超声波器件进行超声波扫描时，通过心电图设备获取对应的心电周期信号；在生成心脏三维模型时，对心电周期信号、多个所述三维超声图像和多个对应的所述三维姿态坐标信号进行拟合，生成心脏三维模型。
本申请提供的一种心脏内三维超声成像导管的有益效果：通过与超声波器件相邻设置的姿态传感器，在超声波器件获取三维超声成像信息的同时获取超声波器件的三维姿态坐标，从而可以在成像时精准定位超声波器件的姿态和位置，保证成像质量。
本申请之三维成像系统，由于采用超声成像主机对三维超声成像电信号和三维姿态坐标信号进行拟合来生成心脏三维模型，可以获取每一帧三维超声成像对应的姿态坐标，在成像时可以精准定位超声波器件的姿态和位置，超声成像主机在通过这些三维超声成像电信号进行心脏三维模型构建时提高了成像质量。
本申请之三维成像方法，通过对三维超声成像电信号和三维姿态坐标信号进行拟合来生成心脏三维模型，可以精准定位超声波器件的姿态和位置，避免图像失真，还可以根据需要合成心脏跳动时不同阶段的心脏三维模型，减少由于心脏跳动对心脏三维模型合成的影响，同时能更好的表现心脏跳动的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明其中一个实施例中心脏内三维超声成像导管的结构示意图；
图2是本发明其中一个实施例中超声波器件和姿态传感器的相对位置示意图；
图3是图2沿鞘管轴线的剖视图；
图4是本发明其中一个实施例中的鞘管的剖视示意图；
图5是本发明其中一个实施例中背衬层的结构示意图；
图6是本发明其中一个实施例中三维成像系统的结构示意图；
图7是本发明其中一个实施例中三维成像系统的三维成像原理示意图；
图8是本发明其中一个实施例中三维成像方法流程图；
图9是本发明其中一个实施例中超声波器件的三维扫描示意图；
图10是本发明其中一个实施例中心电周期信号和三维姿态坐标的对应关系图。
图中标记的含义为：
100、心脏内三维超声成像导管；10、鞘管；11、远端；12、近端；13、牵引件；20、超声波器件；21、固定座；22、柔性电路板；23、背衬层；231、凹槽；2311、第一反射面；2312、第二反射面；24、超声波芯片；30、控制手柄；40、姿态传感器；50、通信单元；60、心电周期信号；70、三维姿态坐标信号；200、超声成像主机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图即实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了说明本发明的技术方案，下面结合具体附图及实施例来进行说明。
请参考图1至图4，本申请第一方面的实施例提供了一种心脏内三维超声成像导管100，包括鞘管10、超声波器件20、控制手柄30、姿态传感器40和通信单元50。超声波器件20、姿态传感器40设于鞘管10内，控制手柄30设于鞘管10上。
鞘管10具有远端11和近端12，用于姿态传感器40和超声波器件20在体内的推送和撤出，鞘管10具有多层结构，包括编织线，弹簧，雕刻管的一种或多种组成的增强层；鞘管10上设置有牵引件13，用于超声波器件20在体内的方位调整，牵引件13可以设置为沿鞘管10的周向均匀间隔设置的四根牵引丝，通过四根牵引丝的拉伸可以实现鞘管10远端11向不同方向的弯曲，配合鞘管10的旋转可以实现超声波器件20的多姿态调整，牵引丝材质可为聚醚醚酮丝、不锈钢丝或镍钛丝等，鞘管10内可设置套管，使得牵引丝设置在套管内。
超声波器件20设置在鞘管10的远端11，具有声能与电能的相互转换的作用，用于获取三维超声成像电信号。可选的，超声波器件20包括依次设置的固定座21、柔性电路板22、背衬层23和超声波芯片24。超声波芯片24为相控阵超声波收发器芯片，包括超声波收发器芯片和超声波平面阵列芯片，并通过CMOS半导体工艺实现单片三维集成。
超声波平面阵列芯片为一个呈矩阵化排列的M行、N列换能器平面阵列，包括多个换能器单元，换能器单元采用方形或者圆形振膜结构，由微机电PMUT或者CMUT工艺制备而成。超声波收发器芯片包括电源管理模块、时钟电路模块、发射电路模块、接收电路模块、孔径合成电路模块、模数转换电路模块，具有可靠性高、频带宽、灵敏度高等特点，有利于提高图像的成像质量。
控制手柄30连接牵引件13，用于通过牵引件13控制超声波器件20的姿态。控制手柄30上设置有转向控制器，通过控制手柄30上的转向控制器拉动牵引件13，实现鞘管10的远端11的转向，进而实现超声波芯片24在体内的方位调整。
姿态传感器40设置在鞘管10内且与超声波器件20相邻设置，姿态传感器40用于获取超声波器件20的三维姿态坐标。姿态传感器40可以对超声波器件20相对于鞘管10远端11壳体发生旋转运动的位置和速度进行标定，进而获取其三维姿态坐标。姿态传感器40可以设置为x射线、电磁或光学等传感器。
通信单元50用于将超声波器件20和姿态传感器40的信号传送至超声成像主机200。通信单元50可以采用有线通信和/或无线通信，有线通信中通信单元50可以设置连接线路，如线缆连接器，柔性电路板22和电导线均设置在鞘管10的内部，柔性电路板22用于将超声波芯片24的信号传送至超声成像主机200，电导线将姿态传感器40的信号传送至超声成像主机200。
本申请提供的一种心脏内三维超声成像导管，应用于三维成像系统中，通过与超声波器件20相邻设置的姿态传感器40，在超声波器件20获取超声图像信息的同时获取超声波器件的三维姿态坐标，通过对超声图像信息和三维姿态坐标信号进行拟合，可以在成像时精准定位超声波器件的姿态和位置，防止图像失真，保证成像质量。
请参考图3和图5，在其中一些实施例中，背衬层23远离超声波芯片24的一面设置有多个凹槽231。凹槽231用于散射超声波芯片24背面反射的超声波信号(如图5中箭头所示)，超声波芯片24发出的超声波信号在凹槽231内引起强烈的散射，从而有效地减少背面的镜面反射，避免了反射的超声波信号与超声波芯片24中的硅基产生共振，扭曲超声波芯片24的响应，影响超声波芯片24的有用带宽，提高了成像质量，另外，凹槽231还将部分地超声波信号中的纵波转换成背面的横波，而横波通常比入射纵波有更高的传播损失。
背衬层23远离超声波芯片24的一面也可以设置为锯齿状表面，超声波信号在锯齿状表面向四周不规则方向散射，锯齿状表面同样用于散射超声波芯片24背面反射的能量，提高成像质量。
请参考图5，在其中一些实施例中，凹槽231的侧壁设置有第一反射面2311和第二反射面2312，第一反射面2311和第二反射面2312沿凹槽231的深度方向平行于凹槽231的底壁且沿凹槽231的深度方向间隔设置，凹槽231的深度方向为凹槽231的槽口与底壁连线的方向，设置第一反射面2311和第二反射面2312增大了超声波信号的散射面，为超声波信号返回到换能器提供了更长的传播路径，进一步提高了成像的质量。
请再次参考图5，在其中一些实施例中，第一反射面2311和第二反射面2312沿凹槽231的深度方向具有一高度差，高度差为超声波波长的1/4。超声波信号在呈台阶状的第一反射面2311和第二反射面2312内引起更为强烈的散射，从而有效地减少超声波芯片24背面的镜面反射。
在其中一些实施例中，在同一个凹槽231中设置有多个第一反射面2311和多个第二反射面2312，多个第一反射面2311和多个第二反射面2312交替设置，每两个相邻的第一反射面2311和第二反射面2312沿垂直于凹槽231底面方向具有一高度差，多个高度差不全相等。通过设置多个不同的高度差，可以散射不同频率的超声波信号。作为一种可能的实现方式，消除两个独立频率的超声波信号的镜面反射，需要四个不同的高度差。
请参考图6和图7，本申请第二方面的实施例提供了一种心脏内三维超声成像系统，包括：
如本申请第一方面的心脏内三维超声成像导管；及
超声成像主机200，超声成像主机200用于控制超声波波器件在心脏内进行二维M行、N列超声波发射扫描并接收超声波器件20输出的实时的三维超声成像电信号，超声成像主机200对三维超声成像电信号进行信号处理和图像处理后生产实时的心脏内三维影像。
本申请之三维成像系统，由于在心脏内三维超声成像导管上设置姿态传感器40，在超声波器件20获取超声图像信息的同时获取超声波器件20的三维姿态坐标，从而可以在成像时精准定位超声波器件的姿态和位置，防止图像失真，保证成像质量。
请参考图6、图7和图10，在其中一些实施例中，三维成像系统还包括心电图设备，超声成像主机200能够接收心电图设备所获取的心电周期信号60，并对三维超声成像电信号、三维姿态坐标70及心电周期信号60进行拟合，以生成心脏三维模型。实际应用中可以根据需要合成心脏跳动时不同阶段的心脏三维模型，例如可以找到心脏跳动的ST段对应的三维姿态坐标70和三维超声成像电信号，对此时三维超声成像电信号、三维姿态坐标70及心电周期信号60进行拟合，以生成心脏三维模型，从而减少由于心脏跳动对心脏三维模型合成的影响，同时能更好的表现心脏跳动的情况。
请参考图1至图10，本申请第三方面的实施例提供了一种心脏三维模型构建方法，包括：
S10:将心腔内三维超声成像导管100输送至心腔内，并获取超声波器件20的初始扫描点的三维姿态坐标信号；
具体的，经股静脉将心腔内三维超声成像导管100输送至心腔内，并通过操作控制手柄30调整超声波器件20的初始扫描点，使得姿态传感器获取超声波器件20的初始扫描点的三维姿态坐标信号。
S20:控制超声波器件20进行超声波扫描，通过超声成像主机200接收超声波器件20输出的实时的三维超声成像电信号并对三维超声成像电信号进行信号处理和图像处理之后生成实时的三维超声图像。
S30:调整超声波器件20至下一目标扫描点，获取相应的三维姿态坐标信号，通过超声波成像主机生成对应的三维超声图像。
具体的，通过控制手柄30调整超声波器件20至下一目标扫描点时，姿态传感器40获取此时的三维姿态坐标信号，同时通过超声波成像主机200生成对应的三维超声图像。
S40:对多个三维超声图像和多个对应的三维姿态坐标信号进行拟合，生成心脏三维模型。
具体的，超声波成像主机200对对多个三维超声图像和多个对应的三维姿态坐标信号进行拟合，由于三维超声图像和三维姿态坐标一一对应，可以获得精准的心脏三维模型，
本申请之三维成像方法，由于采用超声成像主机200对三维超声成像电信号和三维姿态坐标信号进行拟合来生成心脏三维模型，可以获取每一帧三维超声成像对应的姿态坐标，在成像时可以精准定位超声波器件的姿态和位置，避免超声成像主机在通过这些三维超声成像电信号进行心脏三维模型构建时发生图像失真的现象，提高了成像质量。
在其中一些实施例中，在控制超声波器件20进行超声波扫描时，通过心电图设备获取对应的心电周期信号；在生成心脏三维模型时，对心电周期信号、多个所述三维超声图像和多个对应的所述三维姿态坐标信号进行拟合，生成心脏三维模型。
抽取不同心电周期对应的三维超声成像电信号与三维姿态坐标信号70进行拟合，可以减少由于心脏跳动对脏三维模型合成的影响，同时能更好的表现心脏在不同心电周期跳动的情况。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种心脏内三维超声成像导管，其特征在于，包括：
鞘管，所述鞘管具有远端和近端，所述鞘管上设置有牵引件；
超声波器件，设置在所述鞘管的远端，用于获取三维超声成像电信号；
控制手柄，连接所述牵引件，用于通过所述牵引件控制所述超声波器件的姿态；
姿态传感器，设置在所述鞘管内且与所述超声波器件相邻设置，所述姿态传感器用于获取所述超声波器件的三维姿态坐标；及
通信单元，用于将所述超声波器件和所述姿态传感器的信号传送至超声成像主机。
2.根据权利要求1所述的心脏内三维超声成像导管，其特征在于，所述超声波器件包括依次设置的固定座、柔性电路板、背衬层和超声波芯片。
3.根据权利要求2所述的心脏内三维超声成像导管，其特征在于，所述超声波芯片包括超声波收发器芯片和超声波平面阵列芯片，所述超声波收发器芯片和所述超声波平面阵列芯片通过CMOS半导体工艺三维集成。
4.根据权利要求2所述的心脏内三维超声成像导管，其特征在于，所述背衬层远离所述超声波芯片的一面设置有多个凹槽。
5.根据权利要求4所述的心脏内三维超声成像导管，其特征在于，所述凹槽的侧壁设置有第一反射面和第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面平行于凹槽的底壁且沿所述凹槽的深度方向间隔设置。
6.根据权利要求5所述的心脏内三维超声成像导管，其特征在于，所述第一反射面和所述第二反射面沿所述凹槽的深度方向具有一高度差，所述高度差为超声波波长的1/4。
7.根据权利要求5所述的心脏内三维超声成像导管，其特征在于，在同一个所述凹槽中设置有多个所述第一反射面和多个所述第二反射面，多个所述第一反射面和多个所述第二反射面交替设置，每两个相邻的所述第一反射面和所述第二反射面沿所述凹槽的深度方向具有一高度差，多个高度差不全相等。
8.一种心脏内三维超声成像系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至7中任意一项所述的心脏内三维超声成像导管；及
超声成像主机，所述超声成像主机用于控制所述超声波波器件在心脏内进行超声波发射扫描并接收所述超声波器件输出的实时的三维超声成像电信号，所述超声成像主对所述三维超声成像电信号进行信号处理和图像处理后生产实时的心脏内三维影像。
9.一种心脏三维模型构建方法，其特征在于，包括：
将心腔内三维超声成像导管输送至心腔内，并获取超声波器件的初始扫描点的三维姿态坐标信号；
控制超声波器件进行超声波扫描，通过超声成像主机接收超声波器件输出的实时的三维超声成像电信号并对所述三维超声成像电信号进行信号处理和图像处理之后生成实时的三维超声图像；
调整超声波器件至下一目标扫描点，获取对应的三维姿态坐标信号，通过所述超声波成像主机生成对应的所述三维超声图像；
对多个所述三维超声图像和多个对应的所述三维姿态坐标信号进行拟合，生成心脏三维模型。
10.根据权利要求9所述的心脏三维模型构建方法，其特征在于，在控制超声波器件进行超声波扫描时，通过心电图设备获取对应的心电周期信号；在生成心脏三维模型时，对心电周期信号、多个所述三维超声图像和多个对应的所述三维姿态坐标信号进行拟合，生成心脏三维模型。
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