CN116269674A - 一种穿刺针的角度调整装置和方法 - Google Patents

一种穿刺针的角度调整装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种穿刺针的角度调整装置和方法，包括超声探头穿刺架、角度引导模块和超声图像传输模块；超声探头穿刺架包括超声探头穿刺架架身、穿刺针固定调整架和超声探头穿刺架齿轮，超声探头穿刺架架身设有第一端头和第二端头，第二端头上设有弧形导轨，穿刺针固定调整架的一端可转动连接第一端头，另一端设有与穿刺针形状相对应的穿刺针固定孔，穿刺针固定调整架通过超声探头穿刺架齿轮滑动连接弧形导轨；角度引导模块包括测量部件、电位器和微控制器，测量部件固定在超声探头穿刺架上，电位器固定第一端头上，微控制器连接电位器。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、准确度高等优点。

Description

一种穿刺针的角度调整装置和方法
技术领域
本发明涉及医疗器械装置领域，尤其是涉及一种穿刺针的角度调整装置和方法。
背景技术
超声引导下的真空微创旋切术费用低、损伤小、无需放射防护，广泛用于甲状腺和乳腺可疑恶性病灶的活检及部分良性肿块的切除，兼具诊断及治疗功能。对于较小且初期发展的肿块进行活检，细针穿刺技术为更佳选择，其具有破坏小、无瘢痕等优点，主要应用于较小局限性乳腺肿瘤的治疗。
在实际操作中穿刺针尖只有位于超声图像平面上才是可见的，会经常出现偏离超声检查平面导致丢失穿刺针头的位置信息，需要经验丰富的医生才能准确进行手术，对于新手医生来说将针尖准确移到病灶处难度很大。
目前临床对应的技术方案有两种：使用光学导航定位系统和电磁定位系统，这种光学定位系统准确率高，技术难度复杂，便携性差，难以用于临床。电磁定位系统易受磁场干扰，价格高昂，也难以在临床广泛使用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在定位系统技术难度复杂、便携性差或抗干扰能力差、价格昂贵的缺陷而提供一种穿刺针的角度调整装置和方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，包括超声探头穿刺架、角度引导模块和超声图像传输模块；
所述超声探头穿刺架包括超声探头穿刺架架身、穿刺针固定调整架和超声探头穿刺架齿轮，所述超声探头穿刺架架身上固定有超声探头，所述超声探头穿刺架架身设有第一端头和第二端头，所述第二端头上设有弧形导轨，所述穿刺针固定调整架的一端可转动连接第一端头，另一端设有与穿刺针形状相对应的穿刺针固定孔，所述穿刺针固定调整架通过超声探头穿刺架齿轮滑动连接弧形导轨；
所述角度引导模块包括测量部件、电位器和微控制器，所述测量部件固定在超声探头穿刺架上，所述电位器固定第一端头上，所述微控制器连接电位器；
所述超声图像传输模块包括超声仪和上位机，所述超声仪连接上位机，所述上位机连接微处理器。
进一步地，所述穿刺针固定调整架的一侧设有导向套，所述导向套的形状与弧形导轨相配合，所述导向套与弧形导轨滑动连接，所述超声探头穿刺架齿轮可转动连接导向套。
进一步地，所述穿刺针固定调整架的一端通过铆钉可转动固定在所述超声探头穿刺架架身的第一端头上。
进一步地，所述穿刺针固定孔为半包围式的固定孔，所述穿刺针与穿刺针固定孔过盈配合。
进一步地，所述测量部件包括第一测量构件和第二测量构件，所述第一测量构件固定在导向套上，所述第二测量构件固定在超声探头穿刺架架身上靠近穿刺针固定调整架的一端。
进一步地，所述超声图像传输模块还包括硬件采集部件，所述硬件采集部件的分别连接超声仪和上位机。
一种基于权利要求1-6任一所述的一种穿刺针的角度调整装置的使用方法，包括以下步骤：
S1、上位机获取目标的超声图像的帧率和分辨率，微控制器接收对应的帧率并调控穿刺针角度数据传输至上位机的频率；
S2、上位机实时获取目标的超声图像和穿刺针旋转角度的动态数据并通过显示屏显示；
S3、根据目标超声图像显示的内容，调整穿刺针的角度，使穿刺针指向目标。
进一步地，步骤S1具体为：通过超声仪和硬件采集模块获取目标的超声图像，再将采集到的超声图像的帧率和分辨率传输至上位机；上位机将超声图像的帧率数据传输微控制器，微控制器调整角度信息传输的帧率，并传输至上位机。
进一步地，步骤S3具体为：结合显示屏上显示的治疗目标和穿刺针的实时位置关系，通过超声探头穿刺架齿轮调整穿刺针相对于超声探头基准轴线的动态偏转角度值，即调整穿刺针的预穿刺路径。
进一步地，如图3所示，穿刺针角度的具体调整步骤为：
S301：确定穿刺针角度调整的基准线，所述基准线平行于超声探头的中轴线，所述基准线与穿刺针中轴线位于同一平面，确定经过基准线与穿刺针中轴线的交点且垂直于基准线与穿刺针中轴线所在平面的直线作为卡位线，穿刺针以卡位线为中心轴旋转；
S302：通过测量部件和电位器测量穿刺针与基准线之间的夹角度数，并实时反馈在显示屏上，同时显示屏实时显示穿刺针的预穿刺路径；
S303：观察显示屏上的角度变化的同时，通过超声探头穿刺架齿轮调整穿刺针中轴线与基准线之间的夹角，使穿刺针的预穿刺路径穿过目标。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本方案通过将穿刺针固定调整架的一端可转动连接超声探头穿刺架架身，另一端通过超声探头穿刺架齿轮可以沿着弧形导轨移动，以改变穿刺针固定调整架上穿刺针与超声探头成像目标之间的夹角。同时，通过测量部件和电位器将穿刺针与基准线之间的夹角度数在显示屏上实时反馈，操作人员通过超声探头穿刺架齿轮调节反馈的夹角度数，使穿刺针能够通过目标。结合穿刺针与基准线之间的夹角度数的实时反馈并在显示屏上显示，进一步通过超声探头穿刺架齿轮很方便对夹角度数进行调节，降低了穿刺针调整难度，增大了穿刺针调整装置的适用范围和实用性，同时角度测量装置的实时反馈，进一步提高了装置的可操作性和调整过程中的角度精确性。
(2)本方案通过图像呈现实时反馈目标的状态，系统具有图像引导针尖定位功能，可预显示穿刺针的移动路径，便于操作人员确定穿刺针最优进入点位置及最优进入方向，也提高了穿刺针经过目标的成功率，且穿刺针的调节方式更加的准确稳定。
附图说明
图1为本发明提供的超声探头穿刺架的结构示意图；
图2为本发明提供的超声探头穿刺架的局部放大结构示意图；
图3为本发明提供的超声探头与穿刺针位置关系建立的结构示意图；
图4为本发明提供的超声探头固定在超声探头穿刺架上的结构示意图；
图5为本发明提供的穿刺穿过目标方法的流程图；
图中：1、超声探头穿刺架架身，2、穿刺针固定调整架，3、超声探头穿刺架齿轮，4、第一端头，5、第二端头，6、电位器，7、基准线，8、超声探头，9、穿刺针，10、卡位线，11、超声平面，12、预进针路线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
如图1-4所示，一种穿刺针的角度调整装置和方法，包括超声探头穿刺架、角度引导模块和超声图像传输模块；
超声探头穿刺架包括超声探头穿刺架架身1、穿刺针固定调整架和超声探头穿刺架齿轮3，超声探头穿刺架架身1设有第一端头4和第二端头5，第二端头5上设有弧形导轨，穿刺针固定调整架的一端可转动连接第一端头4，另一端设有与穿刺针形状相对应的穿刺针固定孔，穿刺针固定调整架通过超声探头穿刺架齿轮3滑动连接弧形导轨；
角度引导模块包括测量部件、电位器6和微控制器，测量部件固定在超声探头穿刺架上，电位器6固定第一端头4上，微控制器连接电位器6；
超声图像传输模块包括超声仪和上位机，超声仪连接上位机，上位机连接微处理器。
工作原理：通过超声仪获取目标的超声图像，超声仪将获取的超声图像传输至上位机并将超声图像的帧率和分辨率在显示器上显示出来；之后，上位机将超声图像的帧率数据传输至微控制器，微控制器将穿刺针的角度信息传送至上位机，上位机得到穿刺针的角度引导数据及其超声图像后，上位机动态获取超声探头穿刺架上穿刺针的旋转角度的动态数据；通过观察显示屏上实时显示的超声图像和穿刺针的预穿刺路径，调整穿刺针的方向和位置，确定穿刺路径穿过穿刺目标，即可完成本次穿刺手术。
本方案通过超声仪得到治疗目标和穿刺针的实时超声图像，并传输至上位机，上位机处理后在显示屏上显示出治疗目标的超声图像和穿刺针的与穿刺路径，并获取穿刺针在预设坐标系下的动态旋转角度，结合显示屏上的信息，通过超声探头穿刺架齿轮3调整穿刺针的穿刺路径，使穿刺针的预穿刺路径经过穿刺目标，达到治疗的目的。
本方案通过图像呈现和机械调整穿刺针的具体位置的方式进行穿刺手术，避免传统手术需要经验丰富的医生进行手术的弊端，适用范围更广；同时，医生通过一边观察一边调整的方法进行手术，符合医生操作习惯，人机界面更友好；系统具有图像引导针尖定位功能，可预显示进针路径，便于医生确定手术器械最优进入点位置及最优进入方向，也提高了手术的成功率。
穿刺针固定调整架的一侧设有导向套，导向套的形状与弧形导轨相配合，导向套与弧形导轨滑动连接，超声探头穿刺架齿轮3可转动连接导向套。
穿刺针固定调整架的一端通过螺栓可转动固定在超声探头穿刺架架身1的第一端头4上。
本方案中将穿刺针固定调整架一端可转动固定，另一端通过导向套只能沿着弧形导轨的路径移动，同时提高导向套与弧形导轨的配合精度，使弧形导轨与导向套间只有一个自由度，以确保穿刺针角度调整时的准确度。
穿刺针固定孔为半包围式的固定孔，穿刺针与穿刺针固定孔过盈配合。
本方案通过将穿刺针固定孔设计成半包围式的卡位，并通过过盈配合达到固定穿刺针的目的，同时半包围式的卡位结构使穿刺针可以做各个方向的角度偏转和中轴线方向的运动，保证穿刺针精确度的同时有提高了穿刺针运动的灵活性。
测量部件包括第一测量构件和第二测量构件，第一测量构件固定在导向套上，第二测量构件固定在超声探头穿刺架架身1上靠近穿刺针固定调整架的一端。
角度引导模块中的电位器传感器也可以根据需求换成其他可测量角度的传感器，如陀螺仪等，不做限制。
超声图像传输模块还包括硬件采集部件，硬件采集部件的分别连接超声仪和上位机。
本方案中通过在上位机与超声仪之间设置硬件采集部件，硬件采集部件将从超声仪重重采集的实时超声图像传输至上位机中，为装置能够实时采集超声仪中的图像提供了保证。
如图5所示，本方案还提供了一种外科穿刺手术导航方法，包括以下步骤：
S1、上位机获取目标的超声图像的帧率和分辨率，微控制器接收对应的帧率并调控穿刺针角度数据传输至上位机的频率；
S2、上位机实时获取目标的超声图像和穿刺针旋转角度的动态数据并通过显示屏显示；
S3、根据目标超声图像显示的内容，调整穿刺针的角度，使穿刺针预穿刺路径通过病灶，进行外科穿刺手术。
步骤S1具体为：通过超声仪和硬件采集模块获取目标的超声图像，再将采集到的超声图像的帧率和分辨率传输至上位机；上位机将超声图像的帧率数据传输微控制器，微控制器调整角度信息传输的帧率，并传输至上位机。图像传输模块的帧率应该做到实时显示，无延迟，且最大帧率至少要达到60帧以上，以保证手术过程的及时性与安全性。
步骤S3具体为：结合显示屏上显示的治疗目标和穿刺针的实时位置关系，通过超声探头穿刺架齿轮3调整穿刺针相对于超声探头基准轴线的动态偏转角度值，即调整穿刺针的预穿刺路径，使穿刺针的预穿刺路径通过病灶，之后进行穿刺作业。为了确保角度引导模块输出的角度信息表现稳定，角度调节的精确应当小于0.5度，同时，提高穿刺准确度和精度。
穿刺针角度的具体调整步骤为：
S301：确定穿刺针角度调整的基准线7，所述基准线7平行于超声探头的中轴线，所述基准线与穿刺针中轴线位于同一平面，确定经过基准线与穿刺针中轴线的交点且垂直于基准线与穿刺针中轴线所在平面的直线作为卡位线10，穿刺针9以卡位线10为中心轴旋转；
S302：通过测量部件和电位器测量穿刺针9与基准线7之间的夹角度数，并实时反馈在显示屏上，同时显示屏实时显示穿刺针9的预穿刺路径12；
S303：观察显示屏上的角度变化的同时，通过超声探头穿刺架齿轮3调整穿刺针中轴线与基准线7之间的夹角，使穿刺针的预穿刺路径穿过目标。
硬件采集模块包括FPGA、RAM和FIFO，具体的数据处理过程为，由超声仪的图像输出数字接口直接采集数字信号，经FPGA控制并写入RAM，再将RAM中的数据读入FIFO中，最后传输至上位机。
本实施例还提供了一种确定穿刺针角度的具体过程：
将穿刺针9和穿刺架固定后，以超声探头8穿刺架的中心点上的直线作为超声探头的基准线7。超声探头穿刺架上的基准线7与穿刺针的中轴线的关系反映了超声探头8与穿刺针9之间的关系。在超声成像时，超声图像成像平面12相对于人体组织和实物的位置为超声探头8的检查平面，如图3所示。基准线7与穿刺针9所在平面重合的位置为卡位线10，以卡位线10为中心轴线，穿刺针9和基准线7所形成的夹角便是需要测量的夹角，同时将穿刺针9的引导线动态角度数值实时显示在上位机的显示屏幕上，以及显示穿刺针的预进针路线12。可以将超声平面11和预进针路线12即穿刺针9的中轴线所在的位置，设置成不同的颜色，如将穿刺平面11设置为红色，预进针路径12设置为绿色，这样不仅使预穿刺路径10更加清楚，也可以按照穿刺路径颜色来判断预进针路径12是否在超声平面上。
在实时显示的超声平面上需要找到穿刺目标，调整穿刺针的方向和位置，确定穿刺路径。在穿刺针的针尖进入超声平面时，此时通过显示在超声平面实时显示上观测到穿刺针是否可以穿过穿刺目标。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，包括超声探头穿刺架、角度引导模块和超声图像传输模块；
所述超声探头穿刺架包括超声探头穿刺架架身(1)、穿刺针固定调整架(2)和超声探头穿刺架齿轮(3)，所述超声探头穿刺架架身(1)上固定有超声探头(8)，所述超声探头穿刺架架身(1)设有第一端头(4)和第二端头(5)，所述第二端头(5)上设有弧形导轨，所述穿刺针固定调整架(2)的一端可转动连接第一端头(4)，另一端设有与穿刺针形状相对应的穿刺针固定孔，所述穿刺针固定调整架(2)通过超声探头穿刺架齿轮(3)滑动连接弧形导轨；
所述角度引导模块包括测量部件、电位器(6)和微控制器，所述测量部件固定在超声探头穿刺架上，所述电位器(6)固定第一端头(4)上，所述微控制器连接电位器(6)；
所述超声图像传输模块包括超声仪和上位机，所述超声仪连接上位机，所述上位机连接微处理器。
2.根据权利要求1所述的一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，所述穿刺针固定调整架(2)的一侧设有导向套，所述导向套的形状与弧形导轨相配合，所述导向套与弧形导轨滑动连接，所述超声探头穿刺架齿轮(3)可转动连接导向套。
3.根据权利要求1所述的一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，所述穿刺针固定调整架(2)的一端通过铆钉可转动固定在所述超声探头穿刺架架身(1)的第一端头(4)上。
4.根据权利要求1所述的一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，所述穿刺针固定孔为半包围式的固定孔，所述穿刺针与穿刺针固定孔过盈配合。
5.根据权利要求1所述的一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，所述测量部件包括第一测量构件和第二测量构件，所述第一测量构件固定在导向套上，所述第二测量构件固定在超声探头穿刺架架身(1)上靠近穿刺针固定调整架(2)的一端。
6.根据权利要求1所述的一种穿刺针的角度调整装置，其特征在于，所述超声图像传输模块还包括硬件采集部件，所述硬件采集部件的分别连接超声仪和上位机。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的一种穿刺针的角度调整装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：上位机获取目标的超声图像的帧率和分辨率，微控制器接收对应的帧率并调控穿刺针角度数据传输至上位机的频率；
S2：上位机实时获取目标的超声图像和穿刺针旋转角度的动态数据并通过显示屏显示；
S3：根据目标超声图像显示的内容，调整穿刺针的角度，使穿刺针指向目标位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1具体为：通过超声仪和硬件采集模块获取目标的超声图像，再将采集到的超声图像的帧率和分辨率传输至上位机；上位机将超声图像的帧率数据传输微控制器，微控制器调整角度信息传输的帧率，并传输至上位机。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S3具体为：结合显示屏上显示的治疗目标和穿刺针的实时位置关系，通过超声探头穿刺架齿轮(3)调整穿刺针相对于超声探头基准轴线的动态偏转角度值，即调整穿刺针的预穿刺路径。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，穿刺针角度的具体调整步骤为：
S301：确定穿刺针角度调整的基准线，所述基准线平行于超声探头的中轴线，所述基准线与穿刺针中轴线位于同一平面，确定经过基准线与穿刺针中轴线的交点且垂直于基准线与穿刺针中轴线所在平面的直线作为卡位线，穿刺针以卡位线为中心轴旋转；
S302：通过测量部件和电位器测量穿刺针与基准线之间的夹角度数，并实时反馈在显示屏上，同时显示屏实时显示穿刺针的预穿刺路径；
S303：通过超声探头穿刺架齿轮调整穿刺针中轴线与基准线之间的夹角的同时，观察显示屏上的角度变化，使穿刺针的预穿刺路径穿过目标。
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