CN116439802B - 一种掌式超声装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掌式超声装置，包括掌式超声扫描仪和智能显示处理终端；所述掌式超声扫描仪包括：探头部分、发射模块、接收模块、回波数据处理模块、组织扰动检测模块、控制器和一号通信模块；所述控制器控制所述发射模块产生发射脉冲来激励所述探头部分发射超声波信号；所述控制器控制所述接收模块采集所述探头部分接收的超声回波信号。本发明设定穿刺目标区域后，设置多根水平观测线，利用组织扰动检测模块计算观测线变化量，定位图像中穿刺针扰动组织区域，描绘出穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹，并提示此路径是否偏离预先设定的穿刺目标区域，提高用户找到预设穿刺目标区域的概率。

Description

一种掌式超声装置和成像方法

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，更具体地说，涉及一种掌式超声装置和成像方法。

背景技术

近年来，市场上出现了集成度更高的掌式超声设备，它与传统便携设备的最大区别是：它的探头部分集成了超声主机的主要功能；它可以通过无线或有线的方式，将采集的图像数据传送给智能显示处理终端进行显示；智能显示处理终端有的是专用的，也有的是通用的手机、平板和电脑。这类产品更加小巧便携易于消毒，在移动医疗尤其是辅助穿刺和置管等临床应用上有着广阔的市场前景。

目前超声可视化在辅助穿刺的临床应用中存在的关键问题是，由于穿刺针针体部分的回波微弱，使得穿刺针在超声图像中的显影效果不好，对穿刺针位置不好定位。针对此问题，超声设备厂家提出的解决方案大致分为两类：第一类方案，采用定制的磁性材料穿刺针或者定制穿刺架，通过磁性测量或者限制穿刺针的进针路径，来定位穿刺针位置，此方案的缺点是大大增加了使用的成本并且对使用场合有所限制；第二类方案，平面内穿刺情况下，在正常扫描帧的基础上，增加多次特殊扫描帧，如多角度偏转扫描帧，然后通过图像处理算法，得到穿刺针的增强显影，此方案的缺点是对于平面外穿刺情况不适用，因为超声扫查平面与穿刺针只有一个相交点，在两者相交前使用者无法获得进针路径，并且额外增加的特殊扫描帧，也会增加系统的复杂度和功耗。

综上可知，对于以便携和低功耗为特点的掌式超声成像而言，以上利用额外的硬件辅助或者复杂的扫描控制来实现穿刺引导的方案都不太合适，通过调研可知，在超声成像引导穿刺的过程中，使用者实际关注的并不是穿刺针针体的绝对位置和影像，而是穿刺针行进路径与穿刺目标点的相对位置。

发明内容

鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种掌式超声装置和成像方法，在保证掌式超声设备便携和低功耗的前提下，设置多根水平观测线，通过组织扰动检测模块计算观测线相对变化量，定位图像中穿刺针扰动组织区域，描绘出穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹，并提示用户此路径是否偏离预先设定的穿刺目标区域。

一种掌式超声装置，包括掌式超声扫描仪和智能显示处理终端；

所述掌式超声扫描仪包括：探头部分、发射模块、接收模块、回波数据处理模块、组织扰动检测模块、控制器和一号通信模块；

所述控制器控制所述发射模块产生发射脉冲来激励所述探头部分发射超声波信号；

所述控制器控制所述接收模块采集所述探头部分接收的超声回波信号；

所述回波数据处理模块对所述接收模块采集的超声回波信号进行处理后将数据送往所述组织扰动检测模块和所述一号通信模块；

所述组织扰动检测模块通过对回波数据处理并检测出组织受外部物体挤压运动位置信息后将此信息送往所述一号通信模块；

所述一号通信模块通过无线以及有线的方式与外部的智能显示处理终端进行通信；

所述智能显示处理终端包括：二号通信模块、后处理模块和显示模块；

所述二号通信模块用于接收掌式超声扫描仪传来的图像以及与之进行参数通信；

所述后处理模块用于图像的后处理；

所述显示模块用于图像和用户界面显示。

所述组织扰动检测模块通过计算回波数据中观测线相对变化量，检测出组织扰动区域并给出组织扰动区域位置信息；

优选地，所述显示模块中具有显示使用者设定穿刺目标区域、组织扰动区域和穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹的功能；

优选地，所述智能显示处理终端依据穿刺目标区域与穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹的相对位置，给出是否偏离的提示；

一种掌式超声装置的成像方法，包括步骤：

S1、在扫查平面内设定穿刺目标区域和M个扰动检测线，其中M大于等于2；

S2、获取包含穿刺目标区域和扰动检测检测线的N帧回波数据集，每帧数据中包括P根扫描线数据，每根扫描线包括Q个深度点回波值；

S3、从回波数据集中得到M个扰动检测矩阵，每个扰动检测矩阵包括P列N行回波数据值；

S4、由M个扰动检测矩阵，计算得到M个扰动检测标志行；

S5、M个扰动检测标志行组成扰动检测标志矩阵；

S6、由扰动检测标志矩阵计算得到对应组织扰动区域在当前B图像中物理位置并标识；

S7、由扰动检测标志矩阵中每个扰动检测标志行中的扰动最高点位置拟合得到组织扰动区域中心轨迹线及其延长线物理坐标并标识，此轨迹线及其延长线即为穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹；

S8、判断穿刺目标区域中心点与所述轨迹线垂直距离是否大于预设阈值，并给出提示。

优选地，所述S4包括以下步骤：

S41、将每个扰动检测矩阵中第1行设定为参考行，再依次逐点计算扰动检测矩阵其余N-1行与参考行相同位置的数值差，取绝对值后，得到扰动检测波动矩阵；

扰动检测波动矩阵大小为P列N-1行，此矩阵反映当前扰动检测线取样位置回波数据波动情况，引起数据波动的因素可归纳为3种：组织运动、组织扰动和噪声；

组织运动为周期变化的自发运动，组织扰动为外部物体侵入或挤压而引发的运动，噪声为独立随机状态；

S42、将扰动检测波动矩阵中每列N-1个数据进行处理，去除其中周期变化信号和孤立波动点；

S43、将处理后的扰动检测波动矩阵中每列N-1个数据相加求和，得到包含P个数值的扰动检测波动线；

S44、计算扰动检测波动线上P个数据的平均值，并以此平均值对P个数据进行归一化处理；

S45、将扰动检测波动线上P个归一化值与预设阈值对比，低于阈值的点判定为无组织扰动点，高于阈值的点判定为组织扰动点，高于阈值且归一化值最大点判定为组织扰动最高点，按此方法得到扰动检测标志行。

相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明的提供一种掌式超声装置和成像方法，在保证掌式超声设备便携和低功耗的前提下，设置多根水平观测线，通过组织扰动检测模块计算观测线相对变化量，定位图像中穿刺针扰动组织区域，描绘出穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹，并提示用户此路径是否偏离预先设定的穿刺目标区域，可以提高用户使用时穿刺针到达正确位置的概率，帮助用户达到想要的效果，使用更加方便精准。

附图说明

图1为本发明的掌式超声装置结构示意图；

图2a为本发明的平面内穿刺示意图；

图2b为本发明的平外面穿刺示意图；

图3为本发明的扰动检测线位置示意图；

图4为本发明的扰动检测矩阵示意图；

图5a为本发明的观测点噪声特征示意图；

图5b为本发明的观测点组织运动特征示意图；

图5c为本发明的观测点组织扰动特征示意图；

图6a为本发明的显示示意图1；

图6b为本发明的显示示意图2。

图中：101、掌式超声扫描仪；102、探头部分；103、发射模块；104、接收模块；105、回波数据处理模块；106、组织扰动检测模块；107、控制器；108、一号通信模块；109、智能显示处理终端；110、二号通信模块；111、后处理模块；112、显示模块。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的手持超声装置作进一步详细的说明。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。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的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明的保护范围。

首先，结合附图对本发明各实施例中提到的一些概念或术语进行说明。

1)穿刺轨迹在超声扫查平面投影

本发明中穿刺轨迹在超声扫查平面投影与以往专利中所提穿刺针在超声图像中增强显影的原理不同。穿刺针显影技术基于针体回波信号，通过扫描控制或图像处理来增强针体信号并显示；本发明穿刺轨迹在超声扫描平面投影则是基于对穿刺过程中的组织扰动的检测定位而来，所显示的也不是穿刺针针体影像。在平面内穿刺时，如图2a所示，因为穿刺针的穿刺路径位于超声扫查平面内，穿刺针显影位置与穿刺轨迹在超声扫查平面投影有重合；但是在平面外穿刺时，如图2b所示，两者完全不同，穿刺显影增强在穿刺针在与超声扫查平面相交前，针体是无法显示的，相交后也只能显示一个圆点，但是穿刺带来的组织扰动是在穿刺过程中持续存在，所以穿刺轨迹在超声扫查平面投影在穿刺针与扫查平面相交前后都可以被定位显示出来。

2)组织运动、组织扰动、噪声运动

本发明中组织运动指的是在不受外力作用下组织自发运动，如血管和肌肉的运动，此类运动的特征是周期往复性；组织扰动为外来物体按压或侵入组织，组织被挤压形变所产生的运动，此类运动的特征是具有方向性；噪声运动为设备中电磁噪声在回波信号中的体现，此类运动的特征是位置和幅度具有很强的随机性；

下面结合附图及本发明各实施例对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种掌式超声装置，包括掌式超声扫描仪101和智能显示处理终端109；

掌式超声扫描仪101包括：探头部分102、发射模块103、接收模块104、回波数据处理模块105、组织扰动检测模块106、控制器107和一号通信模块108；

控制器107控制发射模块103产生发射脉冲来激励探头部分102发射超声波信号；

控制器107控制接收模块104采集探头部分102接收的超声回波信号；

回波数据处理模块105对接收模块104采集的超声回波信号进行处理后将数据送往组织扰动检测模块106和一号通信模块108；

组织扰动检测模块106通过对回波数据处理并检测出组织受外部物体挤压运动位置信息后将此信息送往一号通信模块108；

一号通信模块108通过无线以及有线的方式与外部的智能显示处理终端109进行通信。

智能显示处理终端109包括：二号通信模块110、后处理模块111和显示模块112；

智能显示处理终端109可以是通用接收端，如手机、平板或电脑等，也可以是专用接收端；它的主要模块及功能是：二号通信模块110主要功能是接收掌式超声扫描仪101传来的图像以及与之进行参数通信；后处理模块111主要完成图像的后处理；显示模块112主要完成图像和用户界面显示。

组织扰动检测模块106通过计算回波数据中观测线相对变化量，检测出组织扰动区域并给出组织扰动区域位置信息；

显示模块112中具有显示使用者设定穿刺目标区域、组织扰动区域和穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹的功能；

智能显示处理终端109依据穿刺目标区域与穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹的相对位置，给出是否偏离的提示。

一种掌式超声装置的成像方法，包括步骤：

S1、在扫查平面内设定穿刺目标区域和M个扰动检测线，其中M大于等于2；如图3所示，对步骤S1实现如下：

穿刺目标区域、扰动检测线与扫查平面位于同一平面内；扫查平面为超声波扫查被测物体切面，切面由多根所描线构成，所得数据经过回波数据处理模块105处理后，可在显示模块112中显示图像，图像内容包括但不限于B模式图像、C模式图像、谐波图像等；穿刺目标区域由使用者利用闭合线框选择确定并在显示模块112中显示；扰动检测线为使用者或系统自动划定的用于检测组织扰动状态的采样线，扰动检测线与扫查平面中的扫描线多点相交，相交点即为扰动检测点，扰动检测线数量M和位置可依据系统检测精度需求和计算能力来设定，但数量M必须大于等于2；

S2、获取包含穿刺目标区域和扰动检测检测线的N帧回波数据集，每帧数据中包括P根扫描线数据，每根扫描线包括Q个深度点回波值；

S3、从回波数据集中得到M个扰动检测矩阵，每个扰动检测矩阵包括P列N行回波数据值；如图4所示，对步骤S3实现如下：

回波数据处理模块105对接收模块104采集的超声回波信号进行处理后得到回波数据集，回波数据集包含N个扫描平面回波数据矩阵，每个扫描平面回波数据矩阵包括P根扫描线，每根扫描线上包括Q个扫查点数据；组织扰动检测模块106依据扰动检测线位置从回波数据集中获取M个扰动检测矩阵，获取方式包括但不限于抽取、插值、滤波等常用方式；每个扰动检测矩阵包括P列N行扰动检测点数据；列数P代表扰动检测线与回波扫描线的P个相交点，即扰动检测点位置；每列N个数据为扰动检测点在N帧回波数据中对应位置的数值，即扰动检测点在不同时刻的采样值；

S4、由M个扰动检测矩阵，计算得到M个扰动检测标志行；

S41、将每个扰动检测矩阵中第1行设定为参考行，再依次逐点计算扰动检测矩阵其余N-1行与参考行相同位置的数值差，取绝对值后，得到扰动检测波动矩阵；

扰动检测波动矩阵大小为P列N-1行，此矩阵反映当前扰动检测线取样位置回波数据波动情况，引起数据波动的因素可归纳为3种：组织运动、组织扰动和噪声；

组织运动为周期变化的自发运动，组织扰动为外部物体侵入或挤压而引发的运动，噪声为独立随机状态；

S42、将扰动检测波动矩阵中每列N-1个数据进行处理，去除其中周期变化信号和孤立波动点；对步骤S42解释如下：扰动检测点上数值在不同时刻相对波动量针对不同情况呈现不同变化特征；噪声情况如图5a所示，数值波动量呈现无规律随机分布；组织运动情况如图5b所示，因为组织运动为组织内肌肉血管等的自发运动，数值波动量呈现周期往复变化；组织扰动情况如图5c所示，因为组织扰动为外来物体侵入挤压组织(比如穿刺)所产生，数值波动量呈现方向性，即在某一时间点开始变化，变化量按照一个趋势递增或递减，到达一定程度后逐渐稳定；依据变化特征，对于扰动检测波动矩阵中数据施加对应的特征滤波处理，即可滤除其中的噪声和组织运动影响，保留组织扰动波动量；

S43、将处理后的扰动检测波动矩阵中每列N-1个数据相加求和，得到包含P个数值的扰动检测波动线；

S44、计算扰动检测波动线上P个数据的平均值，并以此平均值对P个数据进行归一化处理；

S45、将扰动检测波动线上P个归一化值与预设阈值对比，低于阈值的点判定为无组织扰动点，高于阈值的点判定为组织扰动点，高于阈值且归一化值最大点判定为组织扰动最高点，按此方法得到扰动检测标志行；

S5、M个扰动检测标志行组成扰动检测标志矩阵；

S6、由扰动检测标志矩阵计算得到对应组织扰动区域在当前B图像中物理位置并标识；

S7、由扰动检测标志矩阵中每个扰动检测标志行中的扰动最高点位置拟合得到组织扰动区域中心轨迹线及其延长线物理坐标并标识，此轨迹线及其延长线即为穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹；

如图6a所示，黄色虚线框内为用户选定穿刺目标区域；绿色实线框所包区域为组织扰动区域；虚线为扰动中心线及其延长线，表示当前穿刺路径在超声扫查平面投影轨迹，虚线颜色为绿色表示当前穿刺穿刺路径或者路径延长线与穿刺目标区域偏离没有超出设定值；

S8、判断穿刺目标区域中心点与所述轨迹线垂直距离是否大于预设阈值，并给出提示

如图6b所示，黄色虚线框内为用户选定穿刺目标区域；绿色实线框所包区域为组织扰动区域；虚线为扰动中心线及其延长线，表示当前穿刺路径在超声扫查平面投影轨迹，虚线颜色为橙红色表示当前穿刺穿刺路径或者路径延长线与穿刺目标区域偏离超出设定值。

Claims (4)

1.一种掌式超声装置，其特征在于：包括掌式超声扫描仪（101）和智能显示处理终端（109）；

所述掌式超声扫描仪（101）包括：探头部分（102）、发射模块（103）、接收模块（104）、回波数据处理模块（105）、组织扰动检测模块（106）、控制器（107）和一号通信模块（108）；

所述控制器（107）控制所述发射模块（103）产生发射脉冲来激励所述探头部分（102）发射超声波信号；

所述控制器（107）控制所述接收模块（104）采集所述探头部分（102）接收的超声回波信号；

所述回波数据处理模块（105）对所述接收模块（104）采集的超声回波信号进行处理后将数据送往所述组织扰动检测模块（106）和所述一号通信模块（108）；

所述组织扰动检测模块（106）通过对回波数据处理并检测出组织受外部物体挤压运动位置信息后将此信息送往所述一号通信模块（108）；

所述一号通信模块（108）通过无线以及有线的方式与外部的智能显示处理终端（109）进行通信；

所述智能显示处理终端（109）包括：二号通信模块（110）、后处理模块（111）和显示模块（112）；

所述二号通信模块（110）用于接收掌式超声扫描仪（101）传来的图像以及与之进行参数通信；

所述后处理模块（111）用于图像的后处理；

所述显示模块（112）用于图像和用户界面显示；

所述组织扰动检测模块（106）通过计算回波数据中观测线相对变化量，检测出组织扰动区域并给出组织扰动区域位置信息；

所述掌式超声装置的成像方法，包括步骤：

S1、在扫查平面内设定穿刺目标区域和M个扰动检测线，其中M大于等于2；

S2、获取包含穿刺目标区域和扰动检测线的N帧回波数据集，每帧数据中包括P根扫描线数据，每根扫描线包括Q个深度点回波值；

S3、从回波数据集中得到M个扰动检测矩阵，每个扰动检测矩阵包括P列N行回波数据值；

S4、由M个扰动检测矩阵，计算得到M个扰动检测标志行；

S5、M个扰动检测标志行组成扰动检测标志矩阵；

S6、由扰动检测标志矩阵计算得到对应组织扰动区域在当前B图像中物理位置并标识；

S7、由扰动检测标志矩阵中每个扰动检测标志行中的扰动最高点位置拟合得到组织扰动区域中心轨迹线及其延长线物理坐标并标识，此轨迹线及其延长线即为穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹；

S8、判断穿刺目标区域中心点与所述轨迹线垂直距离是否大于预设阈值，并给出提示。

2.根据权利要求1所述的一种掌式超声装置，其特征在于：所述显示模块（112）中具有显示使用者设定穿刺目标区域、组织扰动区域和穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹的功能。

3.根据权利要求1所述的一种掌式超声装置，其特征在于：所述智能显示处理终端（109）依据穿刺目标区域与穿刺针行进路径在超声扫查平面内投影轨迹的相对位置，给出是否偏离的提示。

4.根据权利要求1所述的一种掌式超声装置，其特征在于，所述S4包括以下步骤：

S41、将每个扰动检测矩阵中第1行设定为参考行，再依次逐点计算扰动检测矩阵其余N-1行与参考行相同位置的数值差，取绝对值后，得到扰动检测波动矩阵；

扰动检测波动矩阵大小为P列N-1行，此矩阵反映当前扰动检测线取样位置回波数据波动情况，引起数据波动的因素可归纳为3种：组织运动、组织扰动和噪声；

组织运动为周期变化的自发运动，组织扰动为外部物体侵入或挤压而引发的运动，噪声为独立随机状态；

S42、将扰动检测波动矩阵中每列N-1个数据进行处理，去除其中周期变化信号和孤立波动点；

S43、将处理后的扰动检测波动矩阵中每列N-1个数据相加求和，得到包含P个数值的扰动检测波动线；

S44、计算扰动检测波动线上P个数据的平均值，并以此平均值对P个数据进行归一化处理；

S45、将扰动检测波动线上P个归一化值与预设阈值对比，低于阈值的点判定为无组织扰动点，高于阈值的点判定为组织扰动点，高于阈值且归一化值最大点判定为组织扰动最高点，按此方法得到扰动检测标志行。