CN114812892B - 一种机械臂的探头检测压力方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂的探头检测压力方法及系统，方法包括：S1、获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量；S2、对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号；S3、根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW；S4、机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定。本发明可以通过与人体接触的超声探头上的信号，判定人体接触及压力变化的方法，响应时间快，从而有效提高超声探头的成像质量。

Description

一种机械臂的探头检测压力方法及系统

技术领域

本发明涉及超声技术领域，更具体地说，特别涉及一种机械臂的探头检测压力方法及系统。

背景技术

在通过机械臂控制超声探头进行扫查时，控制探头与人体接触并保持一定压力，这对于形成超声图像并保证超声图像至关重要。一般可以通过压力传感器进行检测，存在以下不足：一是压力传感器响应时间长，导致机械臂反应慢，将压力调整恒定前已经对超声图像产生了影响；二是压力传感器放置在探头前，会影响探头成像，因此只能将压力传感器放置于探头尾部或四周，导致压力传感器感受的压力不能完整体现探头与人体接触面之间的压力；三是压力传感器不能反应探头是局部接触还是完全接触，在局部接触下，虽然压力也是恒定的，但是由于局部没有接触人体，造成成像的图像有缺失，影响了成像质量，降低了灵敏度。为此，有必要开发一种机械臂的探头检测压力方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂的探头检测压力方法及系统，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种机械臂的探头检测压力方法，包括以下步骤：

S1、获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量；

S2、对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号；

S3、根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW；

S4、机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定。

进一步地，所述步骤S2中的滤波器函数h(t)采用带通滤波器。

进一步地，所述步骤S3中根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤的步骤包括：

获取探头扫描发射后m点后的设定数量个信号fn(m+i)的平均值S，式中，i为设定数量；

判断平均值S是否大于设定阈值，若是则振元接触到皮肤，否则振元未接触到皮肤。

进一步地，所述步骤S3中根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力的步骤包括：

在探头扫描发射时，获取发射后的前u点信号fn(u)，将前u点信号fn(u)经过滤波器函数h(t)处理后，得到信号Gn(u)的平均值X；

获取前u点信号中的最大值的点W1；

在振元未接触人体前，再进行一次发射扫描过程，得到前u点信号中的最大值W0；

根据公式FW＝(W0-W1)/u计算得到最大形变作为压力值。

进一步地，所述步骤S4中根据压力值FW的变形值获取相对位移变化D＝(FW/508)*1。

本发明还提供一种根据上述机械臂的探头检测压力方法的系统，包括：

获取模块，用于获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量；

滤波模块，用于对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号；

判断模块，用于根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW；

调整模块，用于机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种机械臂的探头检测压力方法，可以通过与人体接触的超声探头上的信号，判定人体接触及压力变化的方法，响应时间快，能够判定探头是否全部接触人体还是局部接触人体，而且能够得出与人体压力的形变相对值，从而有效提高超声探头的成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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是本发明机械臂的探头检测压力方法的流程图。

图2是本发明中超声探头的接触人体示意图。

图3是本发明机械臂的探头检测压力系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-图2所示，本实施例公开了一种机械臂的探头检测压力方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量。

具体的，一般医用超声探头振元数量有128个(假设为n)，每个振元的信号表示为fn(t)，即第一个振元为在时间t的信号表示为f1(t)，第n个振元为在时间t的信号表示为fn(t)。

根据压电效应：超声探头振元的电荷Qn(t)＝d*F(d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力)，可以得出：fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F；(a是超声系统中对探头振元的放大系数)。

步骤S2、对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号。

具体的，fn(t)在压力增大时，fn(t)会增大，反之在压力减小时，fn(t)会减小。如果压力恒定，没有变化，则fn(t)也不会有变化，这样fn(t)将会反应压力的大小。Gn(t)＝fn(t)*h(t)h(t)是滤波器函数，一般根据探头特性，选取对应频率范围的带通滤波器，并去除直流分量。

步骤S3、根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW。

具体的，根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤的步骤包括：

获取探头扫描发射后m点后的设定数量个信号fn(m+i)的平均值S，式中，i为设定数量，优选为64个。因此，获取发射后m点后64个信号fn(m),fn(m+1),fn(m+2),...,fn(m+63)的平均值S＝fn(m)+fn(m+1)+fn(m+2)+...+fn(m+64)/m。

判断平均值S是否大于设定阈值Vt，若是则振元接触到皮肤，否则振元未接触到皮肤。

具体的，根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力的步骤包括：

接触人体后，在探头扫描发射时，获取发射后的前u点信号fn(0),fn(1),fn(2),....fn(u)，将前u点信号fn(u)经过滤波器函数h(t)处理后，得到信号Gn(0),Gn(1),Gfn(2),....Gn(u)的平均值X＝Gn(0)+Gn(1)+Gfn(2)+....+Gn(u)/u；获取前u点信号中的最大值的点W1；在振元未接触人体前，再进行一次发射扫描过程，得到前u点信号中的最大值W0；根据公式FW＝(W0-W1)/u计算得到最大形变作为压力值。

步骤S4、机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定。

具体的，由于超声在人体中，大致每毫米有508个数据点，根据FW的变形值，可以获取相对位移变化，即D＝(FW/508)*1，单位mm。

参阅图3所示，本发明还提供一种根据上述机械臂的探头检测压力方法的系统，包括：获取模块1，用于获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量；滤波模块2，用于对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号；判断模块3，用于根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW；调整模块4，用于机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定。

本发明可以通过与人体接触的超声探头上的信号，判定人体接触及压力变化的方法，响应时间快，能够判定探头是否全部接触人体还是局部接触人体，而且能够得出与人体压力的形变相对值，从而有效提高超声探头的成像质量。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机械臂的探头检测压力方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量；

S2、对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号；

S3、根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW；

S4、机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定；

所述步骤S3中根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤的步骤包括：

获取探头扫描发射后m点后的设定数量个信号fn(m+i)的平均值S，式中，i为设定数量；

判断平均值S是否大于设定阈值，若是则振元接触到皮肤，否则振元未接触到皮肤；

所述步骤S3中根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力的步骤包括：

在探头扫描发射时，获取发射后的前u点信号fn(u)，将前u点信号fn(u)经过滤波器函数h(t)处理后，得到信号Gn(u)的平均值X；

获取前u点信号中的最大值的点W1；

在振元未接触人体前，再进行一次发射扫描过程，得到前u点信号中的最大值W0；

根据公式FW＝(W0-W1)/u计算得到最大形变作为压力值。

2.根据权利要求1所述的机械臂的探头检测压力方法，其特征在于，所述步骤S2中的滤波器函数h(t)采用带通滤波器。

3.根据权利要求1所述的机械臂的探头检测压力方法，其特征在于，所述步骤S4中根据压力值FW的变形值获取相对位移变化D＝(FW/508)*1。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的机械臂的探头检测压力方法的系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取超声探头的振元信号fn(t)＝a*Qn(t)＝a*d*F，式中，a为超声系统中对探头振元的放大系数，Qn(t)为振元的电荷，d时振元材料的压电常数，F是施加在探头振元的压力，n为振元的数量；

滤波模块，用于对振元信号fn(t)通过以下公式进行滤波处理，Gn(t)＝fn(t)*h(t)，式中，h(t)是滤波器函数，Gn(t)为处理后的信号；

判断模块，用于根据振元信号fn(t)判断是否接触到皮肤，再根据处理后的信号Gn(t)计算接触后的压力值FW；

调整模块，用于机械臂的探头在移动时实时调整压力值以保证接触后的压力恒定。

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