CN114081597A - 一种穿刺装置、超声成像设备和辅助穿刺的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的穿刺装置、超声成像设备和辅助穿刺的方法，其中穿刺装置包括支架、导针器、角度调节器和控制器。支架用于固定在超声探头上；导针器用于引导穿刺针进行穿刺；角度调节器用于调节导针器的角度。控制器用于获取病灶的位置，根据预设的穿刺针初始位置和病灶的位置确定穿刺针的插入角度和插入深度。控制器自动确定穿刺针的插入角度和插入深度，不依赖操作人员的经验，提高了穿刺操作的准确性。

Description

一种穿刺装置、超声成像设备和辅助穿刺的方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种穿刺装置、超声成像设备和辅助穿刺的方法。

背景技术

介入性超声在临床诊断和治疗的应用中越来越广泛，主要是在实时超声的监视和引导下，完成如穿刺、活检、抽液、病灶注药等操作。在穿刺介入的过程中，除了使用超声主机和各种超声穿刺探头外，还需要一些辅助装置、附加导向装置，以协助操作人员更加精确地定位、引导穿刺针穿入病灶。

在传统的穿刺操作中，探头一般配合适配器、角度调整器、导针器等机械设备使用，适配器是固定在探头外壳的支架，角度调节器允许穿刺针在一定的角度范围内调节穿刺角度，导针器允许穿刺针沿着既定的引导线前行，通过这些设备来提高穿刺的稳定性和准确性。这些措施适用于明显的目标、附近无障碍物的组织。

现行技术常依赖B超成像技术、显示穿刺针实时B超图像和位置。该传统方法仅依赖探头的进针导槽、导针器、穿刺架等辅助机械设备，凭借操作人员的穿刺经验，一边观察病灶组织的B超图像，一边进针刺进病灶。该方法一般会同时显示双幅图像，分别用两种不同的发射频率来扫查病灶的B超图像，以突出显示穿刺针体、针头所在的位置，方便操作人员的穿刺引导。该方法存在的问题是B超图像对穿刺针体、针头的显影不明显，穿刺的精确度依赖于操作人员的经验。

发明内容

本发明主要提供一种穿刺装置、超声成像设备和辅助穿刺的方法，旨在提高穿刺操作的准确性。

一实施例提供一种穿刺装置，包括：

支架，用于固定在超声探头上；

导针器，用于引导穿刺针进行穿刺；

角度调节器，用于调节所述导针器的角度；所述导针器设置在所述角度调节器上，所述角度调节器设置在所述支架上；

控制器，用于获取病灶的位置，根据预设的穿刺针初始位置和所述病灶的位置确定穿刺针的插入角度和插入深度。

一实施例提供的穿刺装置中，

所述控制器还用于输出所述穿刺针的插入角度和插入深度；和/或，

所述穿刺装置还包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置用于驱动所述导针器转动或驱动所述角度调节器转动以调节所述导针器的角度；所述第二驱动装置用于驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺；所述控制器还用于通过第一驱动装置驱动所述导针器转动或所述角度调节器转动，使所述导针器的角度等于所述插入角度，之后，通过所述第二驱动装置驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺，移动距离为所述插入深度。

一实施例提供的穿刺装置中，还包括位移传感器；所述位移传感器用于实时检测所述穿刺针从所述初始位置开始移动的距离，并将检测的移动距离输出给所述控制器。

一实施例提供的穿刺装置中，还包括角度传感器；所述角度传感器用于实时检测所述导针器的角度，并将检测的角度输出给所述控制器。

一实施例提供的穿刺装置中，所述控制器还用于在所述移动距离达到所述插入深度时，输出对应的提示信息。

一实施例提供的穿刺装置中，所述控制器还用于判断当前导针器的角度与所述插入角度的偏差是否超过预设阈值，若是则输出对应的报警信息。

一实施例提供的穿刺装置中，所述控制器还用于接收所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度，根据实时的移动距离和实时的导针器的角度模拟出穿刺针的实时位置并叠加在包含有所述病灶的超声图像上；输出叠加有穿刺针实时位置的所述超声图像。

一实施例提供的穿刺装置中，所述控制器还用于接收所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度，根据实时的移动距离和实时的导针器的角度定位出所述穿刺针针头的当前位置，在包含有所述病灶的超声图像上标记出所述穿刺针针头的当前位置。

一实施例提供的穿刺装置中，所述穿刺装置还包括通信模块，所述通信模块用于与外部的超声成像设备连接；所述控制器获取病灶的位置，包括：

通过所述通信模块接收超声成像设备发出的病灶的位置；或者，

通过所述通信模块接收超声成像设备发出的包含有所述病灶的超声图像，基于所述超声图像得到所述病灶的位置。

一实施例提供的穿刺装置中，所述控制器还用于：

获取病灶的实时位置；

将所述病灶的实时位置与所述病灶的初始位置进行比较，得到两者的差异量；所述病灶的初始位置为确定所述插入角度和插入深度所用到的病灶位置；

在所述差异量超过预设的差异阈值时，输出对应的报警信息。

一实施例提供的穿刺装置中，所述控制器还用于：

根据预设的穿刺针初始位置和所述病灶的位置模拟出穿刺针的初始期望轨迹；

获取病灶的实时位置；

判断所述病灶的实时位置是否位于穿刺针的初始期望轨迹上，若没有位于穿刺针的初始期望轨迹上则输出对应的报警信息。

一实施例提供一种辅助穿刺的方法，包括：

控制超声探头向包含有病灶的目标组织发射超声波并接收所述超声波的回波；其中，所述超声探头上固定有穿刺装置，所述穿刺装置包括支架、导针器和角度调节器；所述支架用于固定在所述超声探头上，所述导针器用于引导穿刺针进行穿刺，所述角度调节器用于调节所述导针器的角度；

根据所述超声波的回波生成超声图像；

基于所述超声图像得到所述病灶的位置；

获取穿刺针初始位置；

根据所述穿刺针初始位置和所述病灶的位置确定穿刺针的插入角度和插入深度；

显示所述插入角度和插入深度。

一实施例提供的所述方法中，所述穿刺装置还包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置用于驱动所述导针器转动或驱动所述角度调节器转动以调节所述导针器的角度；所述第二驱动装置用于驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺；所述方法还包括：

通过第一驱动装置驱动所述导针器转动或所述角度调节器转动，使所述导针器的角度等于所述插入角度；

之后，通过所述第二驱动装置驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺，移动距离为所述插入深度。

一实施例提供的所述方法中，所述穿刺装置还包括位移传感器，所述位移传感器用于实时检测所述穿刺针从所述初始位置开始移动的距离；所述方法还包括：

获取所述位移传感器检测所述穿刺针从所述初始位置开始的移动距离；

显示所述移动距离，和/或，在所述移动距离达到所述插入深度时，输出对应的提示信息。

一实施例提供的所述方法中，所述穿刺装置还包括角度传感器；所述角度传感器用于实时检测所述导针器的角度；所述方法还包括：

获取所述角度传感器检测的导针器的角度；

显示所述导针器的角度，和/或，判断当前导针器的角度与所述插入角度的偏差是否超过预设阈值，若是则输出对应的报警信息。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

根据所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度模拟出穿刺针的实时位置并叠加显示在所述超声图像上。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

根据所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度定位出所述穿刺针针头的当前位置，在所述超声图像上标记出所述穿刺针针头的当前位置。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

获取病灶的实时位置；

将所述病灶的实时位置与所述病灶的初始位置进行比较，得到两者的差异量；所述病灶的初始位置为确定所述插入角度和插入深度所用到的病灶位置；

在所述差异量超过预设的差异阈值时，输出对应的报警信息。

一实施例提供的所述方法中，还包括：

根据预设的穿刺针初始位置和所述病灶的位置模拟出穿刺针的初始期望轨迹；

获取病灶的实时位置；

判断所述病灶的实时位置是否位于穿刺针的初始期望轨迹上，若没有位于穿刺针的初始期望轨迹上则输出对应的报警信息。

一实施例提供一种超声成像设备，包括：

超声探头；

发射/接收控制电路，用于控制超声探头向目标组织发射超声波并接收所述超声波的回波；

人机交互装置，用于进行可视化输出，接收用户的输入；

处理器，用于执行程序以实现如上所述的方法。

依据上述实施例的穿刺装置、超声成像设备和辅助穿刺的方法，其中穿刺装置包括支架、导针器、角度调节器和控制器。支架用于固定在超声探头上；导针器用于引导穿刺针进行穿刺；角度调节器用于调节导针器的角度。控制器用于获取病灶的位置，根据预设的穿刺针初始位置和病灶的位置确定穿刺针的插入角度和插入深度。控制器自动确定穿刺针的插入角度和插入深度，不依赖操作人员的经验，提高了穿刺操作的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的穿刺装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的穿刺装置中，穿刺过程一实施例的示意图；

图3为本发明提供的穿刺装置一实施例的结构框图；

图4为现有技术中，包含有穿刺针的超声图像；

图5为本发明提供的穿刺装置中，模拟有穿刺针图像的超声图像；

图6为本发明提供的超声成像设备一实施例的结构框图；

图7为本发明提供的辅助穿刺方法一实施例的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

如图1-图3所示，本发明提供的穿刺装置包括：支架30，角度调节器40和导针器50。导针器50设置在角度调节器40上，角度调节器40设置在支架30上。

支架30用于固定在超声探头110上。

导针器50用于引导穿刺针20进行穿刺，例如其为圆管状，内部为中空结构供穿刺针20通过，中空结构的长度方向即为穿刺针20的进针和退针方向。

角度调节器40用于调节导针器50的角度，也就是调节穿刺针20的角度。其实现方式多样，例如，导针器50与角度调节器40转动连接，从而转动导针器50即可调节角度，又例如，角度调节器40与支架30转动连接，从而转动角度调节器40即可调节导针器50角度。不论何种方式，导针器50都可相对于支架30转动。

控制器60用于获取病灶的位置N，根据预设的穿刺针初始位置M和病灶的位置N确定穿刺针的插入角度A°和插入深度D。其中，控制器60用于获取病灶的位置N可以有多种方式。例如，如图3所示，穿刺装置还包括通信模块70，通信模块70用于与外部设备通信，如与外部的超声成像设备连接，控制器60可以通过通信模块70接收超声成像设备发出的病灶的位置N，也可以通过通信模块70接收超声成像设备发出的包含有病灶的超声图像，进而基于超声图像得到病灶的位置N，如控制器60根据预设的算法识别出该超声图像的病灶从而得到病灶的位置N，或者通过连接的显示器显示超声图像，基于用户在所述超声图像上的标记得到病灶的位置N等。通信模块70可以是通信接口，用于与超声成像设备有线连接，也可以是无线通信模块（如蓝牙模块、WIFI模块、4G通信模块、5G通信模块等），与超声成像设备无线连接。控制器60可将病灶的位置N在超声图像上标记出来，并输出给连接的显示器显示，便于用户穿刺。

穿刺针初始位置M可以是导针器50相对于支架30转动的旋转中心，即导针器50可绕旋转中心（穿刺针初始位置M）转动。而且穿刺针初始位置M与超声探头110的扫查平面处于同一个平面。导针器50其他部位到超声探头的距离随角度的变化而变化，采用旋转中心来定位导针器50，使得导针器50到超声探头的距离不受角度的影响，简化了插入角度和插入深度的计算。该旋转中心可设置在导针器50的入口和出口连线上的任意位置，也可以设置在所述入口和出口连线的延长线上的任意位置，如此，只要让旋转中心和病灶在同一直线上即可确定插入角度，计算量大为减少。本实施例以旋转中心位于导针器50出口的中心为例进行说明。

穿刺装置的结构和尺寸是已知的，与其配套的超声探头110的尺寸也是已知的，故旋转中心到超声探头110的距离是固定的，超声图像中病灶到超声探头110的距离是固定的，故旋转中心到病灶的角度和距离也是确定的，因此穿刺针初始位置M可以预先求出并存储在控制器60中。穿刺针初始位置M是相对超声探头110或者说是相对支架30而言的，例如，将旋转中心M到超声探头110前表面（与人或动物组织接触的面）中心P的相对位置作为穿刺针初始位置。现有的探头类型多样，因此尺寸、外形也多种多样，可在各类超声探头上设置一固定部，该固定部用于固定支架30，各类超声探头的固定部的尺寸（如直径）相同，因此穿刺装置和各类超声探头可形成组件或套件，不论搭配何种超声探头，旋转中心到超声探头110的距离都是相同的，换而言之，穿刺装置无需知道当前搭配的是何种探头。病灶的位置N和穿刺针初始位置M可以是同一坐标系中的坐标，本实施例采用角坐标，用角坐标来体现位置，适合穿刺定位的需求，即便于计算，又直观。例如图2所示，穿刺针初始位置M与超声探头110前表面的中心P的相对位置已知，控制器60以穿刺针初始位置M作为坐标原点（0°，0）建立角度坐标系，则P点的坐标也已知。包含有病灶的超声图像中，各点相对于P点的位置都是已知的，因此识别或标记病灶后，即可根据P点坐标以及病灶相对于P点的位置得到病灶的坐标（A°，D）。坐标系中的角度可以是与x轴的夹角，也可以是与y轴的夹角，本实施例以后者为例进行说明。从图2可知，A°为线段MN与y轴的夹角，D为线段MN的长度。

控制器60确定穿刺针的插入角度A°和插入深度D后，可以输出穿刺针的插入角度A°和插入深度D，例如，通过通信模块70将插入角度A°和插入深度D输出给超声成像设备，由超声成像设备进行显示，也可以通过通信模块70连接显示器，通过通信模块70将插入角度A°和插入深度D输出给显示器显示。用户看到插入角度A°和插入深度D后，将导针器50的角度调整到插入角度A°，然后将穿刺针的插入组织，插入的深度达到D后即可刺入到病灶的中心N。

当然，还可以自动进行穿刺，例如，穿刺装置还包括第一驱动装置和第二驱动装置。第一驱动装置用于驱动导针器50转动或驱动角度调节器40转动以调节导针器50的角度。第二驱动装置用于驱动穿刺针20沿导针器50的引导方向移动以进行穿刺。控制器60确定穿刺针的插入角度A°和插入深度D后，可通过第一驱动装置驱动导针器50转动或角度调节器40转动，使导针器50的角度等于插入角度，之后，通过第二驱动装置驱动穿刺针20沿导针器50的引导方向移动以进行穿刺，移动距离为插入深度，从而可刺入到病灶的中心N。第一驱动装置和第二驱动装置可采用常规手段（如电机+传动机构）来实现上述功能。

如图3所示，穿刺装置还包括位移传感器80和角度传感器90。

角度传感器90用于实时检测导针器50的角度，并将检测的角度输出给控制器60。本实施例中，为了提高角度的定位精度，在角度调节器40上增加可旋转的圆容栅传感器，可将角度的测量精度提高到0.1°，远高于现有的手动测量精度5~10°。

在角度调节器40和导针器50的使用过程中，操作人员或第一驱动装置会不断调节导针器50与y轴的夹角，为了匹配圆容栅传感器的工作方式，需要对两者的结构进行改造。圆容栅传感器非常适用于测量旋转角度的场景，可在角度调节器40上增加动栅盘，将导针器50与定栅盘固定相连，动栅盘和定栅盘彼此平行放置、彼此绝缘，两个扇形盘的直径相等、面积相等，可实现彼此完全覆盖，形成了可变面积的电容器。当然，有的实施例中，动栅盘和定栅盘的位置可以对调。将发射极和接收极放置在动栅盘，将反射极和屏蔽极放在定栅盘，当操作人员或第一驱动装置旋转角度调节器40以改变穿刺针20的角度时，动栅盘和定栅盘发生相对位移，发射电极、反射电极的相对面积发生变化，电容面积的变化量感应到接收电极上，由此接收电极的电荷量与角位移呈一定的比例关系。当然，有的实施例中，发射极+接收极的组合与反射极+屏蔽极的组合的位置可以对调。通过测量接收电极的电荷量，即可等效测出导针器50的倾斜角度值。

圆容栅传感器常用于高精度的电子测角仪，其测量精度由其制作精度、振荡器频率、解调精度等因素决定，精度可高达0.01°~0.1°，其原理不赘述。本发明巧妙地将其测量原理融合到穿刺装置的角度调节器40和导针器50中，通过电子测量的方法精确测出导针器50相对y轴的实际夹角a°，并通过接口（如串口UART1、I²C、SPI等）传输给控制器60。由控制器60进行角度计算、数据发送传输等功能。

根据穿刺引导的实际临床需求，本实施例的角度调节器40可调节范围为0~80°，圆容栅传感器的测量范围也设定为0~80°，测量精度为0.1°。操作人员或第一驱动装置可在0~80°的角度范围内调节导针器50的角度值，圆容栅传感器实时测量角度a°，并将其传输给控制器60。

当然，有的实施例中，也可以采用角度光学传感器、电位器等来测量导针器50的角度。

在确定了插入角度A°（进针角度）后，穿刺针20的针头开始从坐标原点M进针，需要不断地测量其移动距离d（进针距离）、观察针头的位置。现有的进针距离测量方法是利用穿刺针针体上的距离刻度，刻度尺的测量精度最高为1mm，操作人员在每次进针时都需要人工读数，存在肉眼观察的误差。同时观察B超图像，判断穿刺针针头是否接近、进入病灶组织，但B超图像对针体、针头的显像效果不明显，从而影响临床的判断和操作。

为了提高距离d的测量精度，本发明采用位移传感器80，其用于实时检测穿刺针20从初始位置M开始移动的距离d，并将检测的移动距离输出给控制器60。本实施例中，在导针器50和穿刺针20上增加一套直线容栅位移传感器，可将穿刺针移动距离的测量精度提高到0.01mm，远高于刻度尺的理论精度1mm。

在穿刺针20进针和退针的过程中，针头的运动轨迹一直在夹角为A°的直线上，非常适合采用与电子游标卡尺类似的测量原理。为了匹配直线型容栅位移传感器的工作方式，需要增加一些固定装置，将直线型容栅位移传感器的动栅固定相连在导针器50上，将定栅固定相连在穿刺针20上。当然，有的实施例中，动栅和定栅的位置可以对调。发射极和接收极放置在动栅，反射极和屏蔽极放置在定栅。当然，有的实施例中，发射极+接收极的组合与反射极+屏蔽极的组合的位置可以对调。当穿刺针20发生直线位移时，两个栅也发生相对位移，对应的电极之间电容量也发生变化，在接收板上产生一个幅度固定、相位跟随位移变化的电信号，通过鉴相电路测量出该信号的相位变化，即可得到针头的行进距离。

直线容栅位移传感器由于具有误差平均效应，测量精度可高达0.005~0.01mm，广泛应用于直线距离测量。本发明巧妙地将其测量原理融合到穿刺针体与导针器的相对位移测量中，通过电子测量的方法替代机械测量法，所测量到的针头相对于初始位置的距离d，通过接口（如串口UART2、I²C、SPI等）传输给控制器。由控制器60进行距离计算、数据发送传输等功能。

由图2可见，决定穿刺准确性的两个因素是角度A°和深度D，提高A°和D的测量精度和定位精度，即可提高穿刺引导的精度，本实施例采用圆容栅传感器和直线容栅位移传感器，测量精度高。

穿刺针20在进针过程中通常通过超声成像设备实时采集超声图像并在显示器上显示出来，便于用户查看和调整穿刺针20，常规包含有穿刺针的超声图像如图4所示，从图中可见穿刺针比较模糊，针头的图像也较粗，只能看个大概。

而本发明可以解决穿刺针在图像上显示模糊的问题。控制器60可接收位移传感器80实时检测的移动距离d和角度传感器90实时检测的导针器50的角度a°，根据实时的移动距离d和实时的导针器的角度a°模拟出穿刺针20的实时位置并叠加在包含有病灶的超声图像上，输出叠加有穿刺针实时位置的超声图像，例如将该超声图像输出给连接的显示器显示，如图5所示，在超声图像中实时模拟出穿刺针图像，也就是给出了穿刺针移动的实时轨迹，其更为清晰，便于供用户参考，而且穿刺针的位置是传感器实时采集的，准确性高。

控制器60还可以根据实时的移动距离d和实时的导针器的角度a°定位出穿刺针针头的当前位置，在包含有病灶的超声图像上标记出穿刺针针头的当前位置，如图2所示。标记穿刺针针头的实时位置，例如，可以用包络线包围针头，从而凸显出针头。控制器60输出该超声图像，例如输出给显示器显示该超声图像，如此，用户在超声图像上不仅能看到穿刺针，还能准确的知晓针头的实时位置，便于用户判断针头是否刺入病灶。控制器60还可以将病灶的位置标记在显示的超声图像上，便于用户分辨。

控制器60还可以将实时的移动距离d和实时的导针器的角度a°输出给显示器显示。用户可根据实时的移动距离d、实时的导针器的角度a°、穿刺针20的实时位置和/或穿刺针针头的实时位置，调节导针器的角度a°，直至达到预期的插入角度A°，使预期进针轨迹穿过病灶标记点，并将角度调节器调节的角度固定在A°。其中，实时的移动距离d和实时的导针器50的角度a°可以与超声图像一起显示。控制器60除了在超声图像上实时模拟出穿刺针20，还可以根据M点和N点的位置在超声图像上模拟出穿刺针20的期望轨迹并显示出来，便于用户查看实际的穿刺针20是否偏离了期望轨迹。

控制器60还可根据角度传感器90实时检测的导针器50的角度，判断当前导针器50的角度a°与插入角度A°的偏差是否超过预设阈值，若是则输出对应的报警信息，例如输出给连接的显示器显示该报警信息，或者输出给连接的扬声器发出该报警信息对应的报警音，或者输出给连接的指示灯发出该报警信息对应的光信号等。从而提示用户穿刺针20的角度偏差过大。预设阈值可根据需要进行设置，如2°、3°、4°等。如此，无需用户盯着屏幕查看，实现自动预警。

控制器60还在进针过程中实时地获取病灶的位置，即获取病灶的实时位置N’(A’°，D’)，将病灶的实时位置N’(A’°，D’)与病灶的初始位置（A°，D）进行比较，得到两者的差异量，该差异量可以是角度的差异△A°，和/或位移的差异△D；病灶的初始位置为确定插入角度和插入深度所用到的病灶位置。进而控制器60判断所述差异量是否超过预设的差异阈值，若差异量超过预设的差异阈值，则认为病灶此时的位置与初始的位置发生了明显偏差（如影响穿刺成功与否的偏差），输出对应的报警信息，以提示医生病灶当前的位置发生了偏移。差异阈值可根据需要进行设置，其也可以是一个经验值。

控制器60还可以根据预设的穿刺针初始位置M和病灶的初始位置N模拟出穿刺针的初始期望轨迹，例如将M和N的连线作为初始期望轨迹，判断病灶的实时位置是否位于穿刺针的初始期望轨迹上，若没有位于穿刺针的初始期望轨迹上则输出对应的报警信息。

当然，为了更为准确的进行报警，控制器60还可以在差异量超过预设的差异阈值，且病灶的实时位置没有位于穿刺针的初始期望轨迹上时，才输出对应的报警信息。输出对应的报警信息，例如输出给连接的显示器显示该报警信息，或者输出给连接的扬声器发出该报警信息对应的报警音，或者输出给连接的指示灯发出该报警信息对应的光信号等。该方法用于检测一些意外的探头移动导致实时病灶位置发生偏移，病灶相对探头前表面P点的坐标发生明显变化，可能导致穿刺针按照预期轨迹无法准确进入病灶组织。通过此方法可及时地发现穿刺针轨迹偏离病灶真实位置的情况，无需用户盯着屏幕查看，实现自动预警。

控制器60还可以在移动距离d达到插入深度D时，输出对应的提示信息，同样的，可以输出给连接的显示器显示该提示信息，或者输出给连接的扬声器发出该提示信息对应的报警音，或者输出给连接的指示灯发出该提示信息对应的光信号等。此时针头进入病灶组织内，操作人员可进行活检取样、定点注药等操作。

控制器60可以设置在支架30上，例如其可以是处理器；控制器60也可以单独设置，通过线缆与上述传感器、驱动装置等连接，例如其可以是上位机的主机。

现有技术中，超声B图像不能清晰地显示针体、针头位置，角度调节器和穿刺针的测量精度较低，穿刺活检极大地依赖于操作人员的经验和技能，在复杂组织、血管丰富的位置施展穿刺手术的难度也较大。

本发明提出了病灶标记、角度和距离自动测量、进针轨迹可视化相结合的方案，在超声B图像中标记出病灶的位置，自动测量出标记点的角度和距离的坐标(A°,D)；穿刺针初始位置设定为坐标原点，虚拟出穿刺针的预期进针轨迹叠加显示在超声B图像上。通过将针体实时轨迹、预期进针轨迹图像化和可视化，引导穿刺针准确地穿入病灶组织，让用户更加清晰明了穿刺针当前的位置和预期的位置，大大地降低了穿刺操作的难度，即使是经验不足的人员也可顺利完成穿刺操作。

本发明提出的方案将机械装置和容栅位移传感器结合，为了精确地测量穿刺针角度，采用了可旋转的圆容栅传感器，将动栅盘固定在角度调节器，将定栅盘固定相连在导针器上，将导针器与y轴的夹角转换为动栅盘的角位移，通过测量接收电极的电荷量变化，等效地测出穿刺针的倾斜角度a°。为了精确地测量穿刺进针距离，采用了直线容栅位移传感器，将动栅固定相连在导针器，将定栅固定相连在穿刺针上，将穿刺针的进针距离转换为两栅之间的相对位移，通过测量接收电极的电信号的相位变化，等效地测出针头与初始位置的直线距离d。通过这种电子传感器测量的方法，取代了机械测量、人工读数的传统方法，减少了操作人员的工作量，同时大大提高了测量的精度。

上述控制器的功能也可以由超声成像设备来完成，如图6所示，超声成像设备包括超声探头110、发射控制电路130、接收控制电路140、处理器120、人机交互装置170和存储器180。

超声探头110包括由阵列式排布的多个阵元组成的换能器（图中未示出）。阵元用于根据激励电信号发射超声波，或将接收的超声波变换为电信号。因此每个阵元可用于实现电脉冲信号和超声波的相互转换，从而实现向目标对象的生物组织发射超声波、也可用于接收经组织反射回的超声波的回波。

发射控制电路130用于根据处理器120的控制，激励超声探头110向目标组织发射超声波。

接收控制电路140用于通过超声探头110接收从目标组织返回的超声回波以获得超声回波信号，还可以对超声回波信号进行处理。接收控制电路140可以包括一个或多个放大器、模数转换器(ADC)等。

人机交互装置170用于进行人机交互，例如输出可视化信息以及接收用户的输入。其接收用户的输入可采用键盘、操作按钮、鼠标、轨迹球、触摸板等，也可以采用与显示器集成在一起的触控屏；其输出可视化信息可以采用显示器。

存储器180用于存储各类数据。

超声成像设备还可以包括波束合成模块150和IQ解调模块160。

波束合成模块150和接收控制电路140信号相连，用于对回波信号进行相应的延时和加权求和等波束合成处理，由于被测组织中的超声波接收点到接收阵元的距离不同，因此，不同接收阵元输出的同一接收点的通道数据具有延时差异，需要进行延时处理，将相位对齐，并将同一接收点的不同通道数据进行加权求和，得到波束合成后的超声图像数据，波束合成模块150输出的超声图像数据也称为射频数据（RF数据）。波束合成模块150将射频数据输出至IQ解调模块160。在有的实施例中，波束合成模块150也可以将射频数据输出至存储器180进行缓存或保存，或将射频数据直接输出至处理器120进行图像处理。

波束合成模块150可以采用硬件、固件或软件的方式执行上述功能。波束合成模块150可以集成在处理器120中，也可以单独设置，本发明不做限定。

IQ解调模块160通过IQ解调去除信号载波，提取信号中包含的组织结构信息，并进行滤波去除噪声，此时获取的信号称为基带信号（IQ数据对）。IQ解调模块160将IQ数据对输出至处理器120进行图像处理。在有的实施例中，IQ解调模块160还将IQ数据对输出至存储器180进行缓存或保存，以便处理器120从存储器180中读出数据进行后续的图像处理。

IQ解调模块160也可以采用硬件、固件或软件的方式执行上述功能。同样的，IQ解调模块160可以集成在处理器120中，也可以单独设置，本发明不做限定。

处理器120用于配置成能够根据特定逻辑指令处理输入数据的中央控制器电路(CPU)、一个或多个微处理器、图形控制器电路(GPU)或其他任何电子部件，其可以根据输入的指令或预定的指令对外围电子部件执行控制，或对存储器180执行数据读取和/或保存，也可以通过执行存储器180中的程序对输入数据进行处理，例如根据一个或多个工作模式对采集的超声数据执行一个或多个处理操作，处理操作包括但不限于调整或限定超声探头110发出的超声波的形式，生成各种图像帧以供后续人机交互装置170的显示器进行显示，或者调整或限定在显示器上显示的内容和形式，或者调整在显示器上显示的一个或多个图像显示设置(例如超声图像、界面组件、定位感兴趣区域)。

接收到回波信号时，所采集的超声数据可由处理器120在扫描期间实时地处理，也可以临时存储在存储器180上，并且在联机或离线操作中以准实时的方式进行处理。

本实施例中，处理器120控制发射控制电路130和接收控制电路140的工作，例如控制发射控制电路130和接收控制电路140交替工作或同时工作。处理器120还可根据用户的选择或程序的设定确定合适的工作模式，形成与当前工作模式对应的发射序列，并将发射序列发送给发射控制电路130，以便发射控制电路130采用合适的发射序列控制超声探头110发射超声波。

处理器120还用于对超声数据进行处理，以生成扫描范围内的信号强弱变化的灰度图像，该灰度图像反映组织内部的解剖结构，称为B图像。处理器120可以将B图像输出至人机交互装置170的显示器进行显示。

超声成像设备辅助穿刺的过程如图7所示，包括如下步骤：

步骤1、处理器120通过发射控制电路130控制超声探头110向包含有病灶的目标组织发射超声波，并通过接收控制电路140控制超声探头110接收超声波的回波。其中，超声探头110上固定有穿刺装置，该穿刺装置包括上述的支架30、上述的导针器50和上述的角度调节器40。

步骤2、处理器120根据超声波的回波生成超声图像，具体过程在上述内容中已阐述，在此不做赘述。

步骤3、处理器120基于超声图像得到病灶的位置，其具体方式可以有多种方式。例如，处理器120识别出该超声图像的病灶从而得到病灶的位置N，或者通过人机交互装置的显示器显示超声图像，通过人机交互装置的输入装置接收用户在超声图像上标记的病灶，从而得到病灶的位置N等。

步骤4、处理器120获取穿刺针初始位置M，具体方式也可以由多种，例如，穿刺装置还包括上述的通信模块70和存储器，处理器120通过通信模块70获取穿刺装置的存储器存储的穿刺针初始位置M。又例如，处理器120根据穿刺装置的型号得到该型号预先关联的穿刺针初始位置M，穿刺装置的型号可以通过与穿刺装置的通信得到，也可以由用户输入得到。

步骤5、处理器120根据穿刺针初始位置M和病灶的位置N确定穿刺针的插入角度A°和插入深度D，该插入角度A°是穿刺针的期望角度，该插入深度D是穿刺针的期望进针深度。同样的，穿刺针初始位置M可以是导针器50相对于支架30转动的旋转中心。而且穿刺针初始位置M与超声探头110的扫查平面处于同一个平面。该旋转中心可设置在导针器50的入口和出口连线上的任意位置，也可以设置在所述入口和出口连线的延长线上的任意位置。本实施例以旋转中心位于导针器50出口的中心为例进行说明。穿刺针初始位置M是相对超声探头110或者说是相对支架30而言的，例如，将旋转中心M到超声探头110前表面中心P的相对位置作为穿刺针初始位置。病灶的位置N和穿刺针初始位置M可以是同一坐标系中的坐标，本实施例采用角坐标，用角坐标来体现位置，适合穿刺定位的需求，即便于计算，又直观。例如图2所示，穿刺针初始位置M与超声探头110前表面的中心P的相对位置已知，处理器120以穿刺针初始位置M作为坐标原点（0°，0）建立角度坐标系，则P点的坐标也已知。包含有病灶的超声图像中，各点相对于P点的位置都是已知的，因此识别或标记病灶后，即可根据P点坐标以及病灶相对于P点的位置得到病灶的坐标（A°，D）。坐标系中的角度可以是与x轴的夹角，也可以是与y轴的夹角，本实施例以后者为例进行说明。从图2可知，A°为线段MN与y轴的夹角，D为线段MN的长度。

处理器120确定穿刺针的插入角度A°和插入深度D后，可以输出穿刺针的插入角度A°和插入深度D，例如，输出给显示器，由显示器显示插入角度A°和插入深度D，便于用户看到后，调整导针器50的角度从而开始穿刺。

当然，还可以自动进行穿刺，例如，穿刺装置还包括上述的第一驱动装置和上述的第二驱动装置。处理器120通过第一驱动装置驱动导针器50转动或角度调节器40转动，使导针器50的角度等于插入角度，之后，通过第二驱动装置驱动穿刺针20沿导针器50的引导方向移动以进行穿刺，移动距离为插入深度，从而可刺入到病灶的中心N。

在穿刺针20进针的过程中，超声成像设备还实时采集超声图像并在显示器上显示出来。

如图3所示，穿刺装置还包括上述的位移传感器80和上述的角度传感器90。处理器120分别与位移传感器80和角度传感器90连接，接收位移传感器80实时检测的移动距离d和角度传感器90实时检测的导针器50的角度a°，根据实时的移动距离d和实时的导针器的角度a°模拟出穿刺针20的实时位置并叠加在包含有病灶的超声图像上，输出叠加有穿刺针实时位置的超声图像给显示器显示，如图5所示。

处理器120还可以根据实时的移动距离d和实时的导针器的角度a°定位出穿刺针针头的当前位置，在显示器实时显示的超声图像上标记出穿刺针针头的当前位置，如图2所示。控制器60还可以将病灶的位置标记在显示的超声图像上，便于用户分辨。

处理器120还可以将实时的移动距离d和实时的导针器的角度a°输出给显示器显示，可以与超声图像一起显示。处理器120除了在超声图像上实时模拟出穿刺针20，还可以根据M点和N点的位置在超声图像上模拟出穿刺针20的期望轨迹并显示出来，便于用户查看实际的穿刺针20是否偏离了期望轨迹。

处理器120还可根据角度传感器90实时检测的导针器50的角度，判断当前导针器50的角度a°与插入角度A°的偏差是否超过预设阈值，若是则输出对应的报警信息，例如输出给连接的显示器显示该报警信息，或者输出给连接的扬声器发出该报警信息对应的报警音，或者输出给连接的指示灯发出该报警信息对应的光信号等。从而提示用户穿刺针20的角度偏差过大。

处理器120还在进针过程中实时地获取病灶的位置，即获取病灶的实时位置N’(A’°，D’)，例如实时的通过探头发射超声波，并接收超声回波进而生成实时的超声图像，从而自动识别病灶得到病灶的实时位置。处理器120将病灶的实时位置N’(A’°，D’)与病灶的初始位置（A°，D）进行比较，得到两者的差异量，该差异量可以是角度的差异△A°，和/或位移的差异△D；病灶的初始位置为确定插入角度和插入深度所用到的病灶位置。进而处理器120判断所述差异量是否超过预设的差异阈值，若差异量超过预设的差异阈值，则认为病灶此时的位置与初始的位置发生了明显偏差（如影响穿刺成功与否的偏差），输出对应的报警信息，以提示医生病灶当前的位置发生了偏移。差异阈值可根据需要进行设置，其也可以是一个经验值。

处理器120还可以根据预设的穿刺针初始位置M和病灶的初始位置N模拟出穿刺针的初始期望轨迹，例如将M和N的连线作为初始期望轨迹，判断病灶的实时位置是否位于穿刺针的初始期望轨迹上，若没有位于穿刺针的初始期望轨迹上则输出对应的报警信息。

当然，为了更为准确的进行报警，处理器120还可以在差异量超过预设的差异阈值，且病灶的实时位置没有位于穿刺针的初始期望轨迹上时，才输出对应的报警信息。输出对应的报警信息，例如输出给连接的显示器显示该报警信息，或者输出给连接的扬声器发出该报警信息对应的报警音，或者输出给连接的指示灯发出该报警信息对应的光信号等。该方法用于检测一些意外的探头移动导致实时病灶位置发生偏移，病灶相对探头前表面P点的坐标发生明显变化，可能导致穿刺针按照预期轨迹无法准确进入病灶组织。通过此方法可及时地发现穿刺针轨迹偏离病灶真实位置的情况，无需用户盯着屏幕查看，实现自动预警。

处理器120还可以在移动距离d达到插入深度D时，输出对应的提示信息，同样的，可以输出给连接的显示器显示该提示信息，或者输出给连接的扬声器发出该提示信息对应的报警音，或者输出给连接的指示灯发出该提示信息对应的光信号等。

可见，本发明提供的超声图像不仅能提示用户穿刺针需要的插入角度和插入深度，而且还能在超声图像上对穿刺针的实时位置和针头以图形化的形式呈现出来，对用户非常友好，不论用户经验是否丰富，都能轻松、准确穿刺到病灶。

本文参照了各种示范实施例进行说明。然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本文范围的情况下，可以对示范性实施例做出改变和修正。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件，可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现（例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中）。

另外，如本领域技术人员所理解的，本文的原理可以反映在计算机可读存储介质上的计算机程序产品中，该可读存储介质预装有计算机可读程序代码。任何有形的、非暂时性的计算机可读存储介质皆可被使用，包括磁存储设备（硬盘、软盘等）、光学存储设备（CD-ROM、DVD、Blu Ray盘等）、闪存和/或诸如此类。这些计算机程序指令可被加载到通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备上以形成机器，使得这些在计算机上或其他可编程数据处理装置上执行的指令可以生成实现指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可以指示计算机或其他可编程数据处理设备以特定的方式运行，这样存储在计算机可读存储器中的指令就可以形成一件制造品，包括实现指定功能的实现装置。计算机程序指令也可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，从而在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生一个计算机实现的进程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令可以提供用于实现指定功能的步骤。

虽然在各种实施例中已经示出了本文的原理，但是许多特别适用于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和部件的修改可以在不脱离本披露的原则和范围内使用。以上修改和其他改变或修正将被包含在本文的范围之内。

前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此，对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的，并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样，有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素，或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体，皆属于非排他性包含，这样包括要素列表的过程、方法、文章或设备不仅包括这些要素，还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统、文章或设备的其他要素。此外，本文中所使用的术语“耦合”和其任何其他变体都是指物理连接、电连接、磁连接、光连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

Claims (16)

1.一种穿刺装置，其特征在于，包括：

支架，用于固定在超声探头上；

导针器，用于引导穿刺针进行穿刺；

角度调节器，用于调节所述导针器的角度；所述导针器设置在所述角度调节器上，所述角度调节器设置在所述支架上；

控制器，用于获取病灶的位置，根据预设的穿刺针初始位置和所述病灶的位置确定穿刺针的插入角度和插入深度；

所述控制器还用于获取病灶的实时位置；将所述病灶的实时位置与所述病灶的初始位置进行比较，得到两者的差异量；所述病灶的初始位置为确定所述插入角度和插入深度所用到的病灶位置；在所述差异量超过预设的差异阈值时，输出对应的报警信息；和/或，还用于根据预设的穿刺针初始位置和所述病灶的位置模拟出穿刺针的初始期望轨迹；获取病灶的实时位置；判断所述病灶的实时位置是否位于穿刺针的初始期望轨迹上，若没有位于穿刺针的初始期望轨迹上则输出对应的报警信息。

2.如权利要求1所述的穿刺装置，其特征在于，

所述控制器还用于输出所述穿刺针的插入角度和插入深度；和/或，

所述穿刺装置还包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置用于驱动所述导针器转动或驱动所述角度调节器转动以调节所述导针器的角度；所述第二驱动装置用于驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺；所述控制器还用于通过第一驱动装置驱动所述导针器转动或所述角度调节器转动，使所述导针器的角度等于所述插入角度，之后，通过所述第二驱动装置驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺，移动距离为所述插入深度。

3.如权利要求1所述的穿刺装置，其特征在于，还包括位移传感器；所述位移传感器用于实时检测所述穿刺针从所述初始位置开始移动的距离，并将检测的移动距离输出给所述控制器。

4.如权利要求3所述的穿刺装置，其特征在于，还包括角度传感器；所述角度传感器用于实时检测所述导针器的角度，并将检测的角度输出给所述控制器。

5.如权利要求3所述的穿刺装置，其特征在于，所述控制器还用于在所述移动距离达到所述插入深度时，输出对应的提示信息。

6.如权利要求4所述的穿刺装置，其特征在于，所述控制器还用于判断当前导针器的角度与所述插入角度的偏差是否超过预设阈值，若是则输出对应的报警信息。

7.如权利要求4所述的穿刺装置，其特征在于，所述控制器还用于接收所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度，根据实时的移动距离和实时的导针器的角度模拟出穿刺针的实时位置并叠加在包含有所述病灶的超声图像上；输出叠加有穿刺针实时位置的所述超声图像。

8.如权利要求4所述的穿刺装置，其特征在于，所述控制器还用于接收所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度，根据实时的移动距离和实时的导针器的角度定位出所述穿刺针针头的当前位置，在包含有所述病灶的超声图像上标记出所述穿刺针针头的当前位置。

9.如权利要求1所述的穿刺装置，其特征在于，所述穿刺装置还包括通信模块，所述通信模块用于与外部的超声成像设备连接；所述控制器获取病灶的位置，包括：

通过所述通信模块接收超声成像设备发出的病灶的位置；或者，

通过所述通信模块接收超声成像设备发出的包含有所述病灶的超声图像，基于所述超声图像得到所述病灶的位置。

10.一种辅助穿刺的方法，其特征在于，包括：

控制超声探头向包含有病灶的目标组织发射超声波并接收所述超声波的回波；其中，所述超声探头上固定有穿刺装置，所述穿刺装置包括支架、导针器和角度调节器；所述支架用于固定在所述超声探头上，所述导针器用于引导穿刺针进行穿刺，所述角度调节器用于调节所述导针器的角度；

根据所述超声波的回波生成超声图像；

基于所述超声图像得到所述病灶的位置；

获取穿刺针初始位置；

根据所述穿刺针初始位置和所述病灶的位置确定穿刺针的插入角度和插入深度；

显示所述插入角度和插入深度；

获取病灶的实时位置；将所述病灶的实时位置与所述病灶的初始位置进行比较，得到两者的差异量；所述病灶的初始位置为确定所述插入角度和插入深度所用到的病灶位置；在所述差异量超过预设的差异阈值时，输出对应的报警信息；和/或，根据预设的穿刺针初始位置和所述病灶的位置模拟出穿刺针的初始期望轨迹；获取病灶的实时位置；判断所述病灶的实时位置是否位于穿刺针的初始期望轨迹上，若没有位于穿刺针的初始期望轨迹上则输出对应的报警信息。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述穿刺装置还包括第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置用于驱动所述导针器转动或驱动所述角度调节器转动以调节所述导针器的角度；所述第二驱动装置用于驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺；所述方法还包括：

通过第一驱动装置驱动所述导针器转动或所述角度调节器转动，使所述导针器的角度等于所述插入角度；

之后，通过所述第二驱动装置驱动所述穿刺针沿导针器的引导方向移动以进行穿刺，移动距离为所述插入深度。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述穿刺装置还包括位移传感器，所述位移传感器用于实时检测所述穿刺针从所述初始位置开始移动的距离；所述方法还包括：

获取所述位移传感器检测所述穿刺针从所述初始位置开始的移动距离；

显示所述移动距离，和/或，在所述移动距离达到所述插入深度时，输出对应的提示信息。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述穿刺装置还包括角度传感器；所述角度传感器用于实时检测所述导针器的角度；所述方法还包括：

获取所述角度传感器检测的导针器的角度；

显示所述导针器的角度，和/或，判断当前导针器的角度与所述插入角度的偏差是否超过预设阈值，若是则输出对应的报警信息。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度模拟出穿刺针的实时位置并叠加显示在所述超声图像上。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

根据所述位移传感器实时检测的移动距离和所述角度传感器实时检测的导针器的角度定位出所述穿刺针针头的当前位置，在所述超声图像上标记出所述穿刺针针头的当前位置。

16.一种超声成像设备，其特征在于，包括：

超声探头；

发射/接收控制电路，用于控制超声探头向目标组织发射超声波并接收所述超声波的回波；

人机交互装置，用于进行可视化输出，接收用户的输入；

处理器，用于执行程序以实现如权利要求10至15中任意一项所述的方法。

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