CN115670509A - 基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置及检测方法，属于医用超声检测和诊断技术领域，本发明的装置由袖带式超声检测装置、气动装置、电磁控制装置、多通道超声采集卡、显示器和电子计算机组成，本发明利用带有气囊的袖带式超声检测装置无需使用超声耦合剂即可使柔性超声换能器紧贴待测位置的皮肤表面，利用电子计算机和多通道超声采集卡以及深度学习等算法可实现对袖带所覆盖的肢体的内部组织结构进行全面、快速且自动化的三维医学超声成像，本发明相比于传统的医学成像检测装置有效的降低了制造和使用成本、降低了操作人员的操作难度，提高了便携性和用户体验。

Description

基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置及检测方法

技术领域

本发明涉及医用超声检测技术领域，特别涉及基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置及检测方法。

背景技术

医学影像诊断技术通过透视人体内部组织结构和获取基本物理参数实现对人体的健康评估，是目前最直观、最可靠的健康诊断技术之一，电子计算机断层扫描（CT）技术、超声诊断技术、核磁共振成像（MRI）诊断技术等成像技术构成了现代医学影像诊断技术的基础。其中，CT和MRI技术所使用的检测设备一般成本较高并且较为笨重，需要固定的、足够的空间进行摆放，分别对辐射隔离、远离金属等环境条件具有严格的要求，相比之下，超声检测技术具有更丰富的使用场景和更灵活的应用范畴，并且没有对人体的辐射危害。

目前，传统的超声诊断技术大多数采用的是刚性超声换能器，刚性超声换能器由于其刚性的表面无法直接与人体皮肤表面实现紧密的贴合，一般在使用时需要人为施加压力并涂抹超声耦合剂以使超声波排除空气干扰穿透人体皮肤，刚性超声换能器也由于其较为笨重很难实现便携使用和穿戴式的实时检测。

传统的超声检测方法一般是由专业的医师手持超声换能器在待检测人体组织的周围通过不断地移动超声换能器并对超声图像做出专业的评估和研判后实时校正检测位置以进行定位并完成诊断过程，这种检测方法从检测开始到确定待测组织位置所花费的时间较长，同时对操作人员的专业素养要求较高，使用时移动超声换能器和涂抹超声耦合剂的过程对医师和被检测者的用户体验也都造成了一定的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置及检测方法，以实现对人体四肢各关节、组织等的便携、快速且自动化的三维医学超声成像和检测。

基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，包括袖带式超声检测装置、气动装置、电磁控制装置、多通道超声采集卡、显示器和电子计算机，袖带式超声检测装置与气动装置通过软气管连接，袖带式超声检测装置与电磁控制装置通过第一软排线组连接，电磁控制装置与多通道超声采集卡通过第二软排线组连接，气动装置、电磁控制装置、多通道超声采集卡和显示器分别通过标准通信线缆与电子计算机连接进行数据通信。

所述袖带式超声检测装置包括袖带基体、若干片柔性超声换能器、魔术贴公面、若干个气囊、魔术贴母面和若干个气囊袋，魔术贴公面和魔术贴母面分别通过缝纫方式固定在袖带基体正反两个表面的两端，柔性超声换能器均布在袖带基体上，每片柔性超声换能器均由压电陶瓷阵列、硅胶基体和内部线缆组成，气囊设置在气囊袋内，气囊、气囊袋和柔性超声换能器一一对应且中心位置在同一轴线上，该轴线与平铺的袖带基体垂直并穿过袖带基体上预留的孔洞，气囊袋与袖带基体通过缝纫方式连接，柔性超声换能器中远离压电陶瓷阵列3的边缘与袖带基体固接。

所述的气动装置包括软气管、电磁阀、消音器、气泵、溢流阀和第一控制模块，软气管、电磁阀、消音器、气泵和溢流阀按照气动回路的顺序由上至下依次排列，软气管另一端与气囊连接，电磁阀和气泵通过内部引脚和电路与第一控制模块连接，第一控制模块通过标准通信线缆与电子计算机连接进行数据通信。

所述的电磁控制装置包括第一软排线组、多通道电磁继电器、第二控制模块和第二软排线组，第一软排线组是若干软排线的集合，第一软排线组中的每支软排线分别与一片柔性超声换能器的正负极引出线通过焊接方式连接，第一软排线组的另一端成束统一引出与多通道电磁继电器连接，多通道电磁继电器的输出端将各通道导通并通过第二软排线组与多通道超声采集卡连接，多通道电磁继电器通过内部引脚和电路与第二控制模块连接，第二控制模块通过标准通信线缆与电子计算机连接进行数据通信。

基于柔性超声换能器的肢体三维成像检测方法，包括以下步骤：

S1、确定待检测位置，适用检测位置包括但不限于人体四肢各关节和肌肉组织等，确定后，将袖带式超声检测装置的带有柔性超声换能器的一侧向内贴靠皮肤表面，并使袖带式超声检测装置环绕待检测位置，确定贴合程度松紧适当后，将魔术贴公面与魔术贴母面贴合并粘牢确保袖带基体不会从待检测位置脱落且柔性超声换能器能够紧贴待检测位置的皮肤表面；

S2、利用电子计算机与第一控制模块进行数据通讯控制开启气泵并闭塞电磁阀，气囊充气并保持在适当的气压使柔性超声换能器充分贴合皮肤表面；

S3、待气囊内气压稳定后，利用电子计算机与第二控制模块进行数据通讯控制多通道电磁继电器依次使袖带式超声检测装置上的每个柔性超声换能器与多通道超声采集卡接通，利用多通道超声采集卡控制每个柔性超声换能器上的压电陶瓷阵列发射和接收超声波并将成像结果通过电子计算机反馈在显示器；

S4、对于每个柔性超声换能器，利用电子计算机与多通道超声采集卡依次控制压电陶瓷阵列中固定方向上的各列压电陶瓷作为扫查线Ⅰ，通过显示器实时反馈图像，基于人体软组织高精度辨识与预测模型，利用电子计算机中的深度学习等算法对扫查线Ⅰ所反馈的图像进行辨别，直到判断扫查线Ⅰ与最佳检测位置重合后停止，然后以确定的最佳检测位置为基准，依次按照固定的步进角度θ旋转扫查线Ⅰ作为扫查线Ⅱ，通过显示器实时反馈图像并利用电子计算机中的深度学习等算法对扫查线Ⅱ所反馈的图像进行辨别，直到人体软组织高精度辨识与预测模型判断扫查线Ⅱ与最佳检测方向重合后停止，深度学习算法计算完成后即以扫查线Ⅱ的位置和方向上对应的该列压电陶瓷作为最终选通的目标，将该列压电陶瓷所反馈的图像进行基本的处理后反馈在显示器上完成成像；

S5、依次对袖带式超声检测装置中的每个柔性超声换能器完成S4所述的步骤后即完成了对袖带式超声检测装置所覆盖肢体对应位置的全部三维成像工作，成像完成后，可利用电子计算机与第一控制模块进行数据通讯控制关闭气泵并导通电磁阀使气动回路内气体充分排出，然后将魔术贴公面与魔术贴母面分离完成检测流程，如果需要立即进行其他位置的成像，也可以利用电子计算机与第一控制模块进行数据通讯控制导通电磁阀后重复S1开始所述的使用步骤。

本发明的有益效果：

本发明结构简单，相比与传统的医学诊断成像装置，具有成本低、便携、容易操作且对人体无创无害的特点，通过对袖带式超声检测装置上各超声换能器的依次导通，不仅还原了医师手持超声换能器寻找待检测组织的过程，而且仅需一块多通道超声采集卡，即可实现对袖带所包裹范围内人体组织的全面的、快速的三维成像。

本发明使用的基于柔性超声换能器的袖带式检测装置无需涂抹超声耦合剂即可使换能器紧贴皮肤表面，能够在复杂环境下实时连续监测生命体征。

本发明采用的检测方法使用计算机进行控制和协调各组成部分的运作，并通过使用深度学习等算法实现对超声检测图像中人体组织的相应类别、位置、方向等关键信息的识别和评估，免去了对专业操作人员进行培训的人力成本的需求，同时整个流程所采用的穿戴式的检测方法和通过计算机实现的快速的检测速度对操作人员和被检测人员的用户体验都具有极大的提升。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明袖带式超声检测装置的结构示意图；

图3为本发明气动装置的结构示意图；

图4为本发明电磁控制装置的结构示意图；

图5为本发明成像扫查策略的示意图。

其中：18、袖带式超声检测装置，19、气动装置，20、电磁控制装置，21、多通道超声采集卡，22、显示器，23、电子计算机1、袖带基体，2、柔性超声换能器，3、压电陶瓷阵列，4、魔术贴公面5、第一软排线组，6、气囊，7、魔术贴母面8、软气管，9、气囊袋，10、电磁阀，11、消音器，12、气泵，13、溢流阀，14、第一控制模块，15、多通道电磁继电器，16、第二控制模块，17、第二软排线组。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示，基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，包括袖带式超声检测装置18、气动装置19、电磁控制装置20、多通道超声采集卡21、显示器22和电子计算机23，袖带式超声检测装置18与气动装置19通过软气管8连接，袖带式超声检测装置18与电磁控制装置20通过第一软排线组5连接，电磁控制装置20与多通道超声采集卡21通过第二软排线组17连接，气动装置19、电磁控制装置20、多通道超声采集卡21和显示器22分别通过标准通信线缆与电子计算机23连接进行数据通信。

所述袖带式超声检测装置18包括袖带基体1、若干片柔性超声换能器2、魔术贴公面4、若干个气囊6、魔术贴母面7和若干个气囊袋9，魔术贴公面4和魔术贴母面7分别通过缝纫方式固定在袖带基体1正反两个表面的两端，柔性超声换能器2均布在袖带基体1上，每片柔性超声换能器2均由压电陶瓷阵列3、硅胶基体和内部线缆组成，气囊6设置在气囊袋9内，气囊6、气囊袋9和柔性超声换能器2一一对应且中心位置在同一轴线上，该轴线与平铺的袖带基体1垂直并穿过袖带基体1上预留的孔洞，气囊袋9与袖带基体1通过缝纫方式连接，柔性超声换能器2中远离压电陶瓷阵列3的边缘与袖带基体1固接。

所述的气动装置19包括软气管8、电磁阀10、消音器11、气泵12、溢流阀13和第一控制模块14，软气管8、电磁阀10、消音器11、气泵12和溢流阀13按照气动回路的顺序由上至下依次排列，软气管8另一端与气囊6连接，电磁阀10和气泵12通过内部引脚和电路与第一控制模块14连接，第一控制模块14通过标准通信线缆与电子计算机23连接进行数据通信。

所述的电磁控制装置20包括第一软排线组5、多通道电磁继电器15、第二控制模块16和第二软排线组17，第一软排线组5是若干软排线的集合，第一软排线组5中的每支软排线分别与一片柔性超声换能器2的正负极引出线通过焊接方式连接，第一软排线组5的另一端成束统一引出与多通道电磁继电器15连接，多通道电磁继电器15的输出端将各通道导通并通过第二软排线组17与多通道超声采集卡21连接，多通道电磁继电器15通过内部引脚和电路与第二控制模块16连接，第二控制模块16通过标准通信线缆与电子计算机23连接进行数据通信。

基于柔性超声换能器的肢体三维成像检测方法，包括以下步骤：

S1、确定待检测位置，适用检测位置包括但不限于人体四肢各关节和肌肉组织等，确定后，将袖带式超声检测装置18的带有柔性超声换能器2的一侧向内贴靠皮肤表面，并使袖带式超声检测装置18环绕待检测位置，确定贴合程度松紧适当后，将魔术贴公面4与魔术贴母面7贴合并粘牢确保袖带基体1不会从待检测位置脱落且柔性超声换能器2能够紧贴待检测位置的皮肤表面；

S2、利用电子计算机23与第一控制模块14进行数据通讯控制开启气泵12并闭塞电磁阀10，气囊6充气并保持在适当的气压使柔性超声换能器2充分贴合皮肤表面；

S3、待气囊6内气压稳定后，利用电子计算机23与第二控制模块16进行数据通讯控制多通道电磁继电器15依次使袖带式超声检测装置18上的每个柔性超声换能器2与多通道超声采集卡21接通，利用多通道超声采集卡21控制每个柔性超声换能器2上的压电陶瓷阵列3发射和接收超声波并将成像结果通过电子计算机23反馈在显示器22；

S4、对于每个柔性超声换能器2，利用电子计算机23与多通道超声采集卡21依次控制压电陶瓷阵列3中固定方向上的各列压电陶瓷作为扫查线Ⅰ，通过显示器22实时反馈图像，基于人体软组织高精度辨识与预测模型，利用电子计算机23中的深度学习等算法对扫查线Ⅰ所反馈的图像进行辨别，直到判断扫查线Ⅰ与最佳检测位置重合后停止，然后以确定的最佳检测位置为基准，依次按照固定的步进角度θ旋转扫查线Ⅰ作为扫查线Ⅱ，通过显示器22实时反馈图像并利用电子计算机23中的深度学习等算法对扫查线Ⅱ所反馈的图像进行辨别，直到人体软组织高精度辨识与预测模型判断扫查线Ⅱ与最佳检测方向重合后停止，深度学习算法计算完成后即以扫查线Ⅱ的位置和方向上对应的该列压电陶瓷作为最终选通的目标，将该列压电陶瓷所反馈的图像进行基本的处理后反馈在显示器22上完成成像；

S5、依次对袖带式超声检测装置18中的每个柔性超声换能器2完成S4所述的步骤后即完成了对袖带式超声检测装置18所覆盖肢体对应位置的全部三维成像工作，成像完成后，可利用电子计算机23与第一控制模块14进行数据通讯控制关闭气泵12并导通电磁阀10使气动回路内气体充分排出，然后将魔术贴公面4与魔术贴母面7分离完成检测流程，如果需要立即进行其他位置的成像，也可以利用电子计算机23与第一控制模块14进行数据通讯控制导通电磁阀10后重复S1开始所述的使用步骤。

Claims (5)

1.基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，其特征在于：包括袖带式超声检测装置（18）、气动装置（19）、电磁控制装置（20）、多通道超声采集卡（21）、显示器（22）和电子计算机（23），袖带式超声检测装置（18）与气动装置（19）通过软气管（8）连接，袖带式超声检测装置（18）与电磁控制装置（20）通过第一软排线组（5）连接，电磁控制装置（20）与多通道超声采集卡（21）通过第二软排线组（17）连接，气动装置（19）、电磁控制装置（20）、多通道超声采集卡（21）和显示器（22）分别通过标准通信线缆与电子计算机（23）连接进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，其特征在于：所述袖带式超声检测装置（18）包括袖带基体（1）、若干片柔性超声换能器（2）、魔术贴公面（4）、若干个气囊（6）、魔术贴母面（7）和若干个气囊袋（9），魔术贴公面（4）和魔术贴母面（7）分别通过缝纫方式固定在袖带基体（1）正反两个表面的两端，柔性超声换能器（2）均布在袖带基体（1）上，每片柔性超声换能器（2）均由压电陶瓷阵列（3）、硅胶基体和内部线缆组成，气囊（6）设置在气囊袋（9）内，气囊（6）、气囊袋（9）和柔性超声换能器（2）一一对应且中心位置在同一轴线上，该轴线与平铺的袖带基体（1）垂直并穿过袖带基体（1）上预留的孔洞，气囊袋（9）与袖带基体（1）通过缝纫方式连接，柔性超声换能器（2）中远离压电陶瓷阵列（3）的边缘与袖带基体（1）固接。

3.根据权利要求2所述的基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，其特征在于：所述的气动装置（19）包括软气管（8）、电磁阀（10）、消音器（11）、气泵（12）、溢流阀（13）和第一控制模块（14），软气管（8）、电磁阀（10）、消音器（11）、气泵（12）和溢流阀（13）按照气动回路的顺序由上至下依次排列，软气管（8）另一端与气囊（6）连接，电磁阀（10）和气泵（12）通过内部引脚和电路与第一控制模块（14）连接，第一控制模块（14）通过标准通信线缆与电子计算机（23）连接进行数据通信。

4.根据权利要求3所述的基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，其特征在于：所述的电磁控制装置（20）包括第一软排线组（5）、多通道电磁继电器（15）、第二控制模块（16）和第二软排线组（17），第一软排线组（5）是若干软排线的集合，第一软排线组（5）中的每支软排线分别与一片柔性超声换能器（2）的正负极引出线通过焊接方式连接，第一软排线组（5）的另一端成束统一引出与多通道电磁继电器（15）连接，多通道电磁继电器（15）的输出端将各通道导通并通过第二软排线组（17）与多通道超声采集卡（21）连接，多通道电磁继电器（15）通过内部引脚和电路与第二控制模块（16）连接，第二控制模块（16）通过标准通信线缆与电子计算机（23）连接进行数据通信。

5.基于柔性超声换能器的肢体三维成像检测方法，基于权利要求1至4任意一项所述的基于柔性超声换能器的肢体三维成像装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1、确定待检测位置，适用检测位置包括但不限于人体四肢各关节和肌肉组织，确定后，将袖带式超声检测装置（18）的带有柔性超声换能器（2）的一侧向内贴靠皮肤表面，并使袖带式超声检测装置（18）环绕待检测位置，确定贴合程度松紧适当后，将魔术贴公面（4）与魔术贴母面（7）贴合并粘牢确保袖带基体（1）不会从待检测位置脱落且柔性超声换能器（2）能够紧贴待检测位置的皮肤表面；

S2、利用电子计算机（23）与第一控制模块（14）进行数据通讯控制开启气泵（12）并闭塞电磁阀（10），气囊（6）充气并保持在适当的气压使柔性超声换能器（2）充分贴合皮肤表面；

S3、待气囊（6）内气压稳定后，利用电子计算机（23）与第二控制模块（16）进行数据通讯控制多通道电磁继电器（15）依次使袖带式超声检测装置（18）上的每个柔性超声换能器（2）与多通道超声采集卡（21）接通，利用多通道超声采集卡（21）控制每个柔性超声换能器（2）上的压电陶瓷阵列（3）发射和接收超声波并将成像结果通过电子计算机（23）反馈在显示器（22）；

S4、对于每个柔性超声换能器（2），利用电子计算机（23）与多通道超声采集卡（21）依次控制压电陶瓷阵列（3）中固定方向上的各列压电陶瓷作为扫查线Ⅰ，通过显示器（22）实时反馈图像，基于人体软组织高精度辨识与预测模型，利用电子计算机（23）中的深度学习算法对扫查线Ⅰ所反馈的图像进行辨别，直到判断扫查线Ⅰ与最佳检测位置重合后停止，然后以确定的最佳检测位置为基准，依次按照固定的步进角度θ旋转扫查线Ⅰ作为扫查线Ⅱ，通过显示器（22）实时反馈图像并利用电子计算机（23）中的深度学习算法对扫查线Ⅱ所反馈的图像进行辨别，直到人体软组织高精度辨识与预测模型判断扫查线Ⅱ与最佳检测方向重合后停止，深度学习算法计算完成后即以扫查线Ⅱ的位置和方向上对应的该列压电陶瓷作为最终选通的目标，将该列压电陶瓷所反馈的图像进行基本的处理后反馈在显示器（22）上完成成像；

S5、依次对袖带式超声检测装置（18）中的每个柔性超声换能器（2）完成S4所述的步骤后即完成了对袖带式超声检测装置（18）所覆盖肢体对应位置的全部三维成像工作，成像完成后，可利用电子计算机（23）与第一控制模块（14）进行数据通讯控制关闭气泵（12）并导通电磁阀（10）使气动回路内气体充分排出，然后将魔术贴公面（4）与魔术贴母面（7）分离完成检测流程，如果需要立即进行其他位置的成像，也可以利用电子计算机（23）与第一控制模块（14）进行数据通讯控制导通电磁阀（10）后重复S1开始所述的使用步骤。

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