CN116211352A - 一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置及成像方法，包括头戴式经颅剪切波诱发装置和经颅超声成像系统；所述头戴式经颅剪切波诱发装置包括佩戴模块、振动模块和探头夹持支架，佩戴模块被构造成用于佩戴在头部的弹性框架，探头夹持支架的一端与佩戴模块连接，另一端用于夹持经颅超声成像系统的探头，并使探头抵接在头部的颞窗位置；所述超声成像装置在经颅条件下用于对脑组织在剪切波作用下产生的位移进行观测，根据所述超声成像装置采集的射频数据，通过超声信号后处理得到脑组织位移图像与剪切波速度估计，进而得到脑组织的弹性等力学特性。

Description

一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及医学超声成像技术领域，具体为一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置及成像方法。

背景技术

脑是人体中枢神经系统的重要组成部分。常见脑部疾病，例如：阿尔兹海默症、脑积水、脑肿瘤等都与脑组织的力学特性有关。现有脑组织弹性成像技术主要有核磁共振成像与超声成像两种方式，核磁共振成像相关设备往往体积巨大，造价高昂，难以大范围普及，单次采集时间过久并且依赖长距离的气动管道激励，无法满足弹性成像下的多频采集需求。现有超声脑组织弹性成像评估技术主要通过外部激励振动平台和经颅超声成像平台构成的仪器系统来实现。

目前，外部激励振动平台常用的是基于稳态激振仪辅以大功率电流放大器和特定的振动器件，并且额外要求配套的振动测量系统和水平姿态调控系统。此外还需要确保外部激励振动平台、振动测量系统和水平姿态调控系统以及被测人员均相对地面参考坐标系保持相对静止，故而该装置平台具有体积和重量较大、系统复杂、操作困难、患者位姿要求严苛，且不具有人群适配性等问题。而且，其经颅超声成像平台与振动平台的耦合性较弱，集成度较低。这些问题困扰了无创的经颅超声脑组织弹性成像的普适化、多场景化、便携化的应用。

因此，研制一种可以适配适用性强且操作便捷的的头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，实现脑组织黏弹性成像，显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种集成化的便携头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，用以解决现有装置不适用于不同颅骨形状，对被测人员姿态位置要求苛刻，需要振动测量系统和水平姿态调控系统等多系统耦合，操作复杂、调试困难的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，包括头戴式经颅剪切波诱发装置和经颅超声成像系统；

所述头戴式经颅剪切波诱发装置包括佩戴模块、振动模块和探头夹持支架，佩戴模块被构造成用于佩戴在头部的弹性框架，探头夹持支架的一端与佩戴模块连接，另一端用于夹持经颅超声成像系统的探头，并使探头抵接在头部的颞窗位置；

所述振动模块包括振动器和自适应振动板，振动器固定在佩戴模块的顶部，自适应振动板与振动器连接并用于贴合在颅顶，振动器能够通过洛伦磁力使自适应振动板产生振动诱发经颅产生剪切波。

优选的，所述振动器包括振动壳体、导轨和磁性硬质平板；

所述磁性硬质平板套设在导轨上并能够滑动，导轨的两端与振动壳体固定，磁性硬质平板位于振动壳体的底部，振动壳体中设置有电磁线圈并位于磁性硬质平板顶部。

优选的，所述振动壳体中还设置有压力传感器。

优选的，所述压力传感器包括薄膜压力传感器和弹簧，薄膜压力传感器设置在振动壳体的内顶面，多个弹簧布置在薄膜压力传感器与磁性硬质平板之间。

优选的，所述自适应振动板包括弹性薄膜囊，以及包裹在其内部的快速固化树脂与固化剂，快速固化树脂与固化剂分隔设置，弹性薄膜囊的顶面设置有粘接层。

优选的，所述佩戴模块包括弹性主体骨架、套筒式调节支架和限位耳套；

所述弹性主体骨架用于跨设在头颅上，弹性主体骨架的两端分别与套筒式调节支架连接，套筒式调节支架与限位耳套连接。

优选的，所述弹性主体骨架穿插在套筒式调节支架中并能够移动，用于调节弹性主体骨架与头颅的贴合度，套筒式调节支架与限位耳套转动连接。

优选的，所述探头夹持支架包括两个夹持杆，夹持杆的一端套设在套筒式调节支架上，夹持杆的另一端设置用于夹持探头的凹槽，两个夹持杆对称设置。

优选的，所述凹槽中设置有防滑的硅胶层。

一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置的成像方法，包括以下步骤：

步骤1、将自适应振动板与振动装置连接，并贴合在颅顶，探头夹持支架固定经颅成像系统的探头，并使探头抵接在颞窗位置；

步骤2、触发振动模块产生剪切波，同时利用超声成像系统进行高帧频宽波束成像，获取不同剪切波频率下的射频信号数据；

步骤3、根据射频信号数据结合KVFD模型拟合获取该成像区域脑组织黏弹流性图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种便携的头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，包括头戴式经颅剪切波诱发装置和经颅超声成像系统，将弹性主体骨架构造成能够佩戴在头部的框架结构，并在弹性主体骨架的顶部设置振动装置，并在振动装置的底部设置可塑性的自适应振动板，使其贴合在颅顶位置，振动装置根据洛伦磁力使自适应振动板产生微米级的振动，从而诱发脑剪切波，同时在弹性主体骨架上设置夹持装置，用于对经颅超声成像系统的探头进行固定，并使探头位于头颅的颞窗位置，通过弹性主体骨架将经颅剪切波诱发装置和经颅超声成像系统进行耦合，实现脑组织黏弹性成像。该成像装置将经颅剪切波诱发装置与经颅超声成像系统集成为适用于不同颅骨形状的头戴式设备，确保在数据采集过程中，被测人员在坐姿调整和小幅度运动的情况下，依然能使经颅剪切波诱发装置与经颅超声成像系统相对于被测人员颅脑保持相对静止。从而基于经颅弹性成像原理解决了数据采集姿态要求严苛的局限性，方便不同颅骨形状的患者在多种姿态位置下的数据采集与力学特性测量，并且具有免调试、便携的特性，具有更广泛的应用前景。

进一步，传统振动模块由稳态激振仪配合振动杆组成，搭配振动测量反馈系统和水平姿态调控系统等多系统调控构成。本申请采用导轨式振动模块来替代传统的振动模块，以提高装置的稳定性和集成度，导轨式振动模块由含磁性线圈和压力传感器的壳体、金属弹簧、圆柱形导轨和振动板组成具有激励振动、轨迹制定、反馈调节的多功能振动模块，其体积小、质量轻、集成化高。金属弹簧可以发生不同程度的形变，以适配于不同的颅顶高度并通过压力传感器记录其示数，保证在测量过程中保持不变。现有的成像装置中压力传感器设置在振动板与颅骨之间，而本申请将压力传感器设置在电磁线圈与弹簧之间，减少了头发和异形振动板导致的干扰，使得压力反馈更加灵敏。圆形导轨规定了振动板的运动轨迹，这样比传统的悬梁式振动系统更加稳定，且不需要通过监测系统反馈其运动轨迹，不需要测振调试。振动板由磁性硬质薄板和自适应异形薄板构成。磁性硬质薄板主要通过洛伦磁力带动整个振动板沿圆柱形轨道运动，自适应振动板中设置相互隔离的固化树脂与固化剂的薄囊，使用时通过按压使固化剂与树脂混合，再放置于颅顶，即可快速形成完全贴合颅骨形状的自适应异形薄板，从而确保经颅剪切波的高效诱发。

进一步，可以耦合于主体骨架的超声探头夹具，夹具由套筒式伸缩支架和夹持支架，可以实现两个自由度的随意调控。相较于传统手持探头，可以减小噪声，数据重复采集的稳定性，图像配准的一致性；相较于传统的机械控制夹具，可以不降低自由度的同时，更加轻便，更加贴合颅骨形状。

附图说明

图1为本发明头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置图；

图2为本发明头戴式经颅剪切波诱发装置的结构图

图3为本发明头戴式经颅剪切波诱发装置的爆炸图；

图4为本发明头戴式经颅剪切波诱发装置的正视图和侧视图；

图5为本发明经颅导轨式振动模块局部剖面图；

图中：1a、1b，弹性主体骨架；2a、2b、2c、2d，套筒式调节支架；3a、3b，限位耳套；4a、4b、4c、4d，铰链连接杆；5a、5b，夹持杆；6a、6b，固定架；7，振动壳体；8，导轨；9，磁性硬质平板；10，自适应振动板；11，弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-5，一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，包括头戴式经颅剪切波诱发装置和低频经颅超声成像系统。

所述头戴式经颅剪切波诱发装置包括佩戴模块、振动模块和探头夹持支架，佩戴模块被构造成用于佩戴在头部的弹性框架，探头夹持支架的一端与佩戴模块连接，另一端用于夹持低频经颅成像系统的探头，并使探头抵接在头部的颞窗位置。

所述振动模块包括振动器和自适应振动板10，振动器固定在佩戴模块的顶部，自适应振动板10固定在振动器的底部，并用于贴合在头颅的顶部，振动器通过洛仑磁力使自适应振动板10产生振动，使经颅诱发剪切波，通过低频经颅超声成像系统获取剪切波速度，并进行二维剪切波黏弹性成像，得到成像区域脑组织黏弹流性。

所述佩戴模块包括弹性主体骨架、套筒式调节支架和限位耳套，所述弹性主体骨架高强度弹性材料制成，整体呈n型结构，两个弹性主体骨架1a、1b平行间隔设置，限位耳套为U型结构，两个限位耳套3a、3b分别设置在弹性主体骨的两端，每个限位耳套的两端分别铰接一套筒式调节支架，四个套筒式调节支架2a、2b、2c、2d分别与两个限位耳套连接，弹性主体骨架的端部与套筒式调节支架连接。

四个套筒式调节支架的下端分别通过四个铰链连接杆4a、4b、4c、4d与限位耳套的上端铰接，通过铰接连接能够调节限位耳套的角度，使其能够适配与不同大小的头部，套筒式调节支架中设置调节孔，弹性主体骨架的下端穿装在调节孔中并其能够滑动，用于调整套筒式调节支架与头部的贴合度。

参阅图2-5，所述振动器包括固定支座6、振动壳体7、圆柱形的导轨8和磁性硬质平板9；

所述固定支座6包括两个固定架6a、6b并分别与固定在两个弹性主体骨架的顶部，固定架的两端设置有向下延伸的连接部，连接部与弹性主体骨架连接，振动壳体7的两侧分别与两个固定架可拆卸连接，振动壳体7为底部向上内凹的壳体，圆柱形的导轨8穿装在磁性硬质平板9中，磁性硬质平板9设置在振动壳体7中，圆柱形的导轨8的两端与振动壳体7的侧壁连接，振动壳体7的内顶面设置有电磁线圈，电磁线圈通电产生洛仑磁力使磁性硬质平板9能够沿圆柱形的导轨8往复移动，自适应振动板10固接在磁性硬质平板9的底部，磁性硬质平板9往复移动，使自适应振动板10对头颅产生振动从而诱发剪切波。

所述振动器中还设置有压力传感器，其包括薄膜压力传感器和弹簧11，多个弹簧阵列布置在电池线圈与磁性硬质平板9之间，薄膜压力传感器位于弹簧和电磁线圈之间，从而确保磁性硬质平板9与圆柱形的导轨8之间的旋转角度处在合适的位置。所述合适的位置指的是针对不同颅骨形状，均可以使得自适应异形薄板10完全而均匀地贴合颅骨相应位置，并通过压力传感器进行监控。

所述自适应振动板10包括弹性薄膜囊，以及包裹在其内部的快速固化树脂与固化剂，快速固化树脂与固化剂分隔设置，弹性薄膜囊的顶面设置有粘接层，用于将弹性薄膜囊粘接在磁性硬质平板的底面。使用时用力挤压薄膜囊，使得快速固化树脂与固化剂混合，再将弹性薄膜囊胶粘在磁性硬质平板9下方，然后将振动壳体与固定架连接，自适应振动板与头部紧贴，硬化后形成与头颅相匹配的自适应振动板10，磁性硬质平板通过自适应振动板10将振动施加到头部，从而诱发剪切波。

所述探头夹持支架包括两个夹持杆6a、6b，夹持杆的一端套设在套筒式调节支架上并通过扭簧连接，夹持杆的另一端防滑软硅胶包覆的夹头，夹头为弧形结构，两个夹持杆的自由端在弹力作用下相互闭合将探头固定在两个夹持杆之间，同时探头的端部抵接在颞窗位置。

下面对本发明提供的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置的使用方法进行详细的阐述，包括以下过程：

步骤1、将自适应振动板10的弹性薄膜囊粘接在磁性硬质平板9下方，挤压薄膜囊，使得快速固化树脂与固化剂混合，将佩戴模块对准耳部跨过头部上方戴好，使得U形防滑的限位耳套3包住耳部并与头部紧密贴合。下压弹性主体骨架1，使得弹性主体骨架1相对套筒式伸缩支架2向下滑动，继而使得弹性主体骨架1与头颅顶部形成稳固舒适的配合，且固定支座6的底脚稳固的靠立在头顶部，振动模块应整体佩戴在头顶正上方；

步骤2、待快速固化树脂固化后，将低频经颅成像探头抵接在颞窗位置，并用探头夹持支架5将探头固定在探头夹持支架上；

步骤3、利用信号发生器设置所需的剪切波幅度和频率，利用超声成像装置进行高帧频宽波束成像，同时同步触发振动模块产生剪切波，从而获取相应的射频信号数据；

步骤4、重复步骤3，获取不同剪切波频率下的射频信号数据，并由此进行波束合成、互相关算法、相位延迟算法获得该区域的不同频率下的剪切波速度，再通过KVFD模型拟合获取该成像区域脑组织黏弹流性；

步骤5、沿套筒式伸缩支架2移动探头夹持支架5重复步骤3-4，获取不同部位的脑组织黏弹流性。

本发明提供的头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，包括头戴式经颅剪切波诱发装置和经颅超声成像系统，通过弹性主体骨架作为连接，将经颅剪切波诱发装置与经颅超声成像系统集成为贴合颅骨形状的头戴式设备。所述头戴式的振动模块在头部特定位置对颅顶施加经颅振动，从而诱发经颅剪切波，并可以改变输出电流信号的频率特性与强度，从而改变振动模块的振动特性，诱发不同频率和不同振幅的经颅剪切波。

振动器通过电磁线圈产生洛仑磁力带动磁性硬质平板和沿圆柱形轨道运动，使用了圆形导轨式外部激励振动，不需要通过监测系统反馈其运动轨迹，不需要测振调试，自适应异性薄板内含有固化树脂与固化剂薄囊，可快速形成完全贴合颅骨形状的自适应异形薄板，将压力传感器设置在线圈与弹簧之间，减少了头发和异形振动板导致的干扰。

所述超声成像装置在经颅条件下用于对脑组织在剪切波作用下产生的位移进行观测，根据所述超声成像装置采集的射频数据，通过超声信号后处理得到脑组织位移图像与剪切波速度估计，进而得到脑组织的力学特性。所述超声成像装置的低频经颅成像探头通过头戴式经颅剪切波诱发装置所集成的探头夹持支架进行固定，并可在探头夹持支架带动下进行多角度平面波成像。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，包括头戴式经颅剪切波诱发装置和经颅超声成像系统；

所述头戴式经颅剪切波诱发装置包括佩戴模块、振动模块和探头夹持支架，佩戴模块被构造成用于佩戴在头部的弹性框架，探头夹持支架的一端与佩戴模块连接，另一端用于夹持经颅超声成像系统的探头，并使探头抵接在头部的颞窗位置；

所述振动模块包括振动器和自适应振动板(10)，振动器固定在佩戴模块的顶部，自适应振动板(10)与振动器连接并用于贴合在颅顶，振动器能够通过洛伦磁力使自适应振动板(10)产生振动诱发经颅产生剪切波。

2.根据权利要求1所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述振动器包括振动壳体(7)、导轨(8)和磁性硬质平板(9)；

所述磁性硬质平板(9)套设在导轨(8)上并能够滑动，导轨(8)的两端与振动壳体(7)固定，磁性硬质平板(9)位于振动壳体(7)的底部，振动壳体(7)中设置有电磁线圈并位于磁性硬质平板(9)顶部。

3.根据权利要求2所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述振动壳体(7)中还设置有压力传感器。

4.根据权利要求3所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述压力传感器包括薄膜压力传感器和弹簧(11)，薄膜压力传感器设置在振动壳体的内顶面，多个弹簧布置在薄膜压力传感器与磁性硬质平板(9)之间。

5.根据权利要求1所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述自适应振动板(10)包括弹性薄膜囊，以及包裹在其内部的快速固化树脂与固化剂，快速固化树脂与固化剂分隔设置，弹性薄膜囊的顶面设置有粘接层。

6.根据权利要求1所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述佩戴模块包括弹性主体骨架、套筒式调节支架和限位耳套；

所述弹性主体骨架用于跨设在头颅上，弹性主体骨架的两端分别与套筒式调节支架连接，套筒式调节支架与限位耳套连接。

7.根据权利要求6所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述弹性主体骨架穿插在套筒式调节支架中并能够移动，用于调节弹性主体骨架与头颅的贴合度，套筒式调节支架与限位耳套转动连接。

8.根据权利要求6所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述探头夹持支架包括两个夹持杆，夹持杆的一端套设在套筒式调节支架上，夹持杆的另一端设置用于夹持探头的凹槽，两个夹持杆对称设置。

9.根据权利要求8所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置，其特征在于，所述凹槽中设置有防滑的硅胶层。

10.一种权利要求1-9任一项所述的一种头戴式经颅超声脑组织弹性成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将自适应振动板(10)与振动装置连接，并贴合在颅顶，探头夹持支架固定经颅成像系统的探头，并使探头抵接在颞窗位置；

步骤2、触发振动模块产生剪切波，同时利用超声成像系统进行高帧频宽波束成像，获取不同剪切波频率下的射频信号数据；

步骤3、根据射频信号数据结合KVFD模型拟合获取该成像区域脑组织黏弹流性图像。

Images