CN116671974B - 超声检查的磁定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声检查的磁定位系统，其结构包括超声探头、红外激光发射器、永磁体、磁传感器阵列和计算机等部分。红外激光发射器和永磁体分别设置在超声探头的头部，永磁体作为磁定位系统的目标磁体，磁传感器阵列用于检测目标磁体在磁感应空间内所产生的磁场强度，以对超声探头进行磁定位。计算机用于接收磁传感器阵列输出的磁场强度检测信号，以确定超声探头的三维位置和三维姿态，并对在超声检测仪输出病灶检查的超声图像时超声探头所处的位置及姿态信息予以记录，供复查时调用。本发明可量化所要检查病灶的状态和切面，在复查时对超声探头的进位进行辅助导航，由此提高了超声检查的准确性，为疾病的诊断和治疗提供了有益的帮助。

Description

超声检查的磁定位系统

技术领域

本发明涉及一种超声检查用的辅助定位装置，具体地说是一种超声检查的磁定位系统。

背景技术

临床上的超声检查是一种无痛无创的常规检查方式，可以快速确定患者体内是否出现异常。超声检查是使用高频声波来产生人体内部的结构和组织信号，传输给计算机，在显示屏上显示出相应的影像，为临床诊断提供帮助。

对于肿瘤患者，超声检查可用于对病情和治疗效果进行复查和监测。在患者接受治疗后，超声检查可以显示出肿瘤的缩小或消失情况。在肿瘤患者的复查过程中，超声检查可以提供连续扫描、实时图像和无辐射影像等，通过观察前后两次的肿瘤形状和体积变化，以对患者的治疗情况做出诊断。而这就需要在两次的超声检查时应有完全一致的扫描情况，以获得准确、清晰的超声图像。而探头的不同位置和角度，可能会影响超声信号的穿透和反射。但目前在临床上只能凭检查医师的经验和手法，尽可能地使前次检查与再次复查时的探头的扫描是处在同一平面上，而实际上却根本无法做到在同一平面上的扫描。这种两次检查过程中超声探头的位置及姿态存在的差异，就会影响超声检查的结果，从而影响对患者病情诊断对治疗效果判断的准确性。

发明内容

本发明的目的就是提供一种超声检查的磁定位系统，以解决现有超声检查设备在输出病灶检查的超声图像时对超声探头不能进行准确定位的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种超声检查的磁定位系统，包括：

超声探头，为具有较高磁场容忍度的毫升探头，在其握柄上设置有向计算机传递标记信号的按钮；

红外激光发射器，设置在超声探头的头部，在超声探头处于悬挂位时，与检查床内的磁传感器阵列中心位置上的三轴磁传感器在一条垂线上，用于确定患者在检查床上的躺位位置；

永磁体，设置在超声探头的头部，用于作为磁定位系统的目标磁体；

磁传感器阵列，包括按九宫格布置的九个三轴磁传感器，设置在超声检查床内；所述磁传感器阵列与计算机通过数据线相接，用于检测目标磁体在磁感应空间内所产生的磁场强度，以对超声探头进行磁定位；以及

计算机，与所述磁传感器阵列相接，并与超声检测仪相接，用于接收磁传感器阵列输出的磁场强度检测信号，以确定超声探头的三维位置和三维姿态，并记录在超声检测仪输出病灶检查的超声图像时超声探头所处的位置及姿态信息，供复查时调用。

进一步地，本发明超声检查的磁定位系统还包括：

方向罗盘，生成并显示在计算机的显示屏中，用于引导超声探头到达患者病灶的检查位置，并引导到与该患者前次检查时超声探头所处的位置和姿态。

进一步地，计算机对超声探头进行定位的处理方式是：将超声探头的位置信息和姿态信息以及磁传感器阵列测量到的在输出病灶超声图像时超声探头的磁场强度信息作为数据集，使用Transformer模型进行训练，得到网络预训练出的超声探头的位置和姿态，构建目标误差方程；将预训练出的超声探头的位置和姿态作为LM优化算法的初始解，通过最优化算法进行迭代求解，使得目标误差方程趋近于最小值，以得到超声探头最终的位置和姿态信息。

本发明通过在超声检查设备上加装磁定位系统，可在超声检测仪输出病灶检查的超声图像时，将超声探头所处的位置及姿态信息进行定位并予以记录，从而确定超声探头与患者的空间相对位置和超声探头的扫描角度，由此可量化所要检查病灶的状态和切面，并使该患者复查时超声探头对病灶探查的位置与角度与前次检查时的位置与角度保持一致。同时，本发明还可以对应的患者检查电子档案数据作为支撑，在复查时对超声探头的进位进行辅助导航，从而快速高效地的到达前次检查时所处的位置与角度，由此降低了对操作技能和经验的要求，提高了超声检查的准确性，为疾病的诊断和治疗提供了有益的帮助。

本发明采用深度学习结合优化算法，对探头位置及姿态进行重建，可以获得更高精度的探头定位和姿态信息。初次检查时创建的电子档案记录了患者的超声图像和探头定位信息，便于复查时与历史数据进行对比，追溯病变的演变过程。使用电子档案与自动生成示意动画，可以快速指引探头到达病变位置并进行对比诊断，省去手动定位的时间和人工判断的过程，提高了诊断的效率。本系统采用超声探头进行诊断，无需注射造影剂或其他有创手段，不会对患者造成额外的身体损伤和疼痛。

附图说明

图1是本发明磁定位系统的流程框图。

图2是基础网络框架的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明超声检查的磁定位系统包括超声探头1、红外激光发射器、永磁体、磁传感器阵列3和计算机4等部分。超声探头1选择具有较高磁场容忍度的毫升探头，在其握柄上设置有向计算机传递标记信号的按钮2。红外激光发射器设置在超声探头1的头部，在超声探头1处于悬挂位时，与检查床内的磁传感器阵列3中心位置上的三轴磁传感器在一条垂线上，当患者躺在检查床上时，红外激光发射器发射的激光照射在患者的肚脐部位，从而确定患者每次在检查床上的躺位位置保持不变。永磁体设置在超声探头1的头部，用于作为磁定位系统的目标磁体。磁传感器阵列3包括按九宫格布置的九个三轴磁传感器。磁传感器阵列3设置在超声检查床内，并与计算机4通过数据线相接，用于检测目标磁体在磁感应空间内所产生的磁场强度，以对超声探头1进行磁定位。计算机4与磁传感器阵列3相接，并与超声检测仪相接，用于接收磁传感器阵列3输出的磁场强度检测信号，以确定超声探头1的三维位置和三维姿态，并对在超声检测仪输出病灶检查的超声图像时超声探头所处的位置及姿态信息予以记录，以供复查时调用。在复诊时，计算机根据电子档案中的患者身份信息，自动生成方向罗盘5，并显示在计算机的显示屏中，用以引导超声探头到达患者病灶的检查位置，并引导到与该患者前次检查时超声探头所处的位置和姿态。

本发明对于三轴传感器的灵敏度的调整是采用粒子群算法，粒子按照个体最优和全局最优的方向进行运动，通过迭代搜索得到最优灵敏度，目标函数为：

其中，V_ix、V_iy、V_iz表示第i个三轴磁传感器测量得到的数据，B_ix’、B_iy’、B_iz’表示计算得到的磁场强度，K＝(k_x，k_y，k_z)^T表示三轴磁传感器的灵敏度。

对于三轴磁传感器的位置调整，采用遗传算法，通过选择、交叉和变异进行搜索，优化目标函数，得到最优位置，目标函数为：

对于调整三轴磁传感器的方向，可以用蚁群算法通过迭代搜索得到最优方向，目标函数为：

其中，(a_ri、b_ri、c_ri、m_ri、n_ri、p_ri)是第i个计算值，(a_ci、b_ci、c_ci、m_ci、n_ci、p_ci)是第i个实际值。

进而调整重建后的超声探头位置和姿态与标定时的保持一致，以保证复查时超声探头的位置和姿态的误差最小。

本发明对三轴磁传感器上的磁感应强度的确定方式如下：

将布置于超声探头内的永磁体用作偶极子，因此，偶极子周围的磁场B可表示为：

其中，μ_r表示介质的相对磁导率；μ₀指空气磁导率；M_T表示磁偶极子的磁强度常数；表示定义空间点的向量(x_l,y_l,z_l)^T，相对于磁偶极子/>表示定义偶极子方向的矢量(m，n，p)^T；r表示P长度的标量定义。

永磁体作用在各三轴磁传感器各方向上的磁感应强度数据为：

其中，B_lx、B_ly、B_lz分别为所读取的磁感应强度在各方向上的分量，B为上述偶极子周围磁场，(x,y,z)是第i个三轴磁传感器在全局坐标系下的位置坐标，(a,b)是永磁体在全局坐标系下的空间二维位置坐标，c为三轴磁传感器所在位置相对于永磁体中心位置的高度相关参数，具体地，如果三轴磁传感器所在位置相对于永磁体中心位置的高度为h，则c＝-h，m²+n²+p²＝1，

本发明中的计算机对超声探头的位置和姿态的数据处理方式如下：

磁传感器阵列所发出的磁感应强度数据，是将目标磁体固定在某一位置，得到永磁体的实际位置和方向，磁传感器阵列的每个三轴传感器相应地接收到三个轴向的磁场强度，将超声探头在该位置上的位置和方向信息以及每个三轴传感器的三个轴向的磁场强度作为一个数据组，通过改变永磁体的位置，可以得到大量的数据组，进而组成数据集，通过深度神经网络进行训练、验证和测试。

深度神经网络是使用Transformer模型，数据集即多个不同位置下永磁体的位置和姿态信息以及相对应的三轴磁场强度，即：

X_l＝[a_l,b_l,c_l,m_l,n_l,p_l,B_xl1,B_xl1,B_yl1,B_zl1...B_xlN,B_ylN,B_zlN]

其中，y_l＝(a_l,b_l,c_l,m_l,n_l,p_l)表示永磁体的实际位置和方向，l为数据组的个数，(B_xl1,B_xl1,B_yl1,B_zl1...B_xlN,B_ylN,B_zlN)为相对应磁场强度，N为三轴磁传感器的个数。

需将以上原始数据转换为模型可以处理的特征表示，即字符向量，输入编码器模型中进行编码。编码器将输入序列字符向量作为输入，然后使用注意力机制和残差连接来输出编码向量序列。每个编码向量表示输入序列的一个位置，并包含有关该位置的上下文信息，可以得到一系列编码向量，每个向量都对应着输入序列的一个字符。选择最后一个编码向量，并将其输入到全连接层中，生成一个固定长度的向量。最后，将生成的向量发送到输出层，使用softmax激活函数预测下一个字符向量，在下一个时间步中将其作为输入。这个过程将不断重复，直到生成所需长度的字符向量序列为止。输出为：

Y_l＝[x_l,y_l,z_l,α_l,β_l,γ_l]

作为优选，网络训练采用的交叉熵损失函数如下：

其中，y_i和分别表示第i个样本的基础真值和预测标签1。

采用AdamW算法用于优化交叉熵损失函数，其中学习率设置在1×10^-4到5×10^-4之间。

Transformer模型通过自注意力机制和前馈神经网络的组合，可以学习输入序列的特征表示，并输出适应不同任务的输出结果。相对于传统的循环神经网络，Transformer模型具有更好的并行性，能够处理更长的输入序列。

作为优选的优化算法，LM(Levenberg-Marquard)算法可以反解永磁体的位置和方向，而网络的输出可作为LM算法的初始解，可以帮助LM算法决定进行迭代的方向，并尝试更快地逼近全局最优解，并从中获取有关目标函数的信息来指导进一步的迭代，初始解的选择会对求解的质量和速度产生重要影响。

实际定位时，磁传感器阵列被固定，建立以磁传感器阵列的中心为原点的定位坐标系；将磁传感器阵列中各三轴磁传感器测得的磁场数据作为磁定位网络的输入，通过磁定位网络预训练出的位姿，构建目标误差方程；将预训练出的永磁体的位姿作为LM优化算法的初始解，通过最优化算法进行进一步迭代求解，使得目标误差方程趋近于最小值，从而得到最终的永磁体的位置和方向。初次检查时，将最终永磁体的位姿与病灶处超声图像进行对应，并记录于电子档案中，以方便用于复查。

如图2所示，使用带本发明磁定位系统的超声检查仪对患者进行超声检查，其使用方式如下：

1、在初次检查时，在计算机上输入患者的身份编码，创建电子档案，让患者以脐部与传感器阵列的中心传感器垂直对齐的姿态躺在检查床上，使悬挂于上方的探头头部内的红外激光发射器所发射的红外线照射到患者的脐部，按下超声探头握柄处的按钮。

由于磁传感器阵列在布置系统时已经标定，所以，在按下探头按钮后，磁传感器阵列即开始测量由目标磁场引发的各磁传感器的真实磁场强度，并利用比奥-萨法尔定律计算标定时各磁传感器的理论磁场强度。计算各磁传感器的真实磁场强度与理论磁场强度的误差分值，累加各误差分值得到误差值。利用优化算法调整各磁传感器的灵敏度、位置以及方向，使所述误差值的取值达到最小。

2、使用超声探头对患者进行检查，在搜索到病灶后，通过按动按钮向计算机传递信号，对此处的永磁体作用在各标定后的磁传感器上的磁感应强度数据进行记录，将病灶处超声图像记录于电子档案。

3、根据所接收到的磁感应强度数据，计算机对超声探头的位置及姿态进行重建，并记录于电子档案，以与输出的病灶处超声图像相对应。

4、在进行复查时，在计算机上输入患者的身份编码，调取电子档案，让患者以脐部与传感器阵列的中心传感器垂直对齐的姿态躺在检查床上，使悬挂于上方的超声探头内的红外激光发射器所发射的红外线位于患者的脐部，按下探头握柄处的按钮。

5、计算机根据电子档案数据，通过生成方向罗盘，指引超声探头到达患者的病灶位置，并与上次检查所记录的超声探头的位置和姿态进行重合，输出复查时的病灶部位的超声图像，并调取病灶处历史超声图像进行对比，以方便对病灶的治疗及康复情况做出诊断。

Claims (2)

1.一种超声检查的磁定位系统，其特征在于，包括：

超声探头，为具有磁场容忍度的毫升探头，在其握柄上设置有向计算机传递标记信号的按钮；

红外激光发射器，设置在超声探头的头部，在超声探头处于悬挂位时，与检查床内的磁传感器阵列中心位置上的三轴磁传感器在一条垂线上，用于确定患者在检查床上的躺位位置；

永磁体，设置在超声探头的头部，用于作为磁定位系统的目标磁体；

磁传感器阵列，包括按九宫格布置的九个三轴磁传感器，设置在超声检查床内；所述磁传感器阵列与计算机通过数据线相接，用于检测目标磁体在磁感应空间内所产生的磁场强度，以对超声探头进行磁定位；以及

计算机，与所述磁传感器阵列相接，并与超声检测仪相接，用于接收磁传感器阵列输出的磁场强度检测信号，以确定超声探头的三维位置和三维姿态，并记录在超声检测仪输出病灶检查的超声图像时超声探头所处的位置及姿态信息，供复查时调用；

所述计算机对超声探头进行定位的处理方式是：将超声探头的位置信息和姿态信息以及磁传感器阵列测量到的在输出病灶超声图像时超声探头的磁场强度信息作为数据集，使用Transformer模型进行训练，得到网络预训练出的超声探头的位置和姿态，构建目标误差方程；将预训练出的超声探头的位置和姿态作为LM优化算法的初始解，通过最优化算法进行迭代求解，使得目标误差方程趋近于最小值，以得到超声探头最终的位置和姿态信息。

2.根据权利要求1所述的超声检查的磁定位系统，其特征在于，还包括：

方向罗盘，生成并显示在计算机的显示屏中，用于引导超声探头到达患者病灶的检查位置，并引导到与该患者前次检查时超声探头所处的位置和姿态。