CN117481696A - 4d心腔内超声成像装置和4d成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种4D心腔内超声成像装置和4D成像方法，该装置包括导管、超声波模组、传动件、驱动模组和成像主机，导管包括位于心腔内的远端和位于体外的近端，超声波模组设于远端，驱动模组能通过传动件驱动超声波模组旋转，因而可以实现90°×360°的空间成像角度，即在旋转方向实现360°成像，成像效果较好，成像主机与超声波模组电连接，并用于将通过超声波模组在不同位置生成的各2D图像融合重建为目标4D图像，从而实现机械四维超声扫描。

Description

4D心腔内超声成像装置和4D成像方法

技术领域

本发明涉及心腔内超声技术领域，尤其涉及一种4D心腔内超声成像装置和4D成像方法。

背景技术

心腔内超声(Intracardiac Echocardiography，ICE)是当前临床上最先进的心脏成像技术之一，通过将微型超声探头经股静脉插入心腔内，对心脏进行实时高清成像和手术引导。4D ICE由于视野大、更加直观、能够引导多种心脏介入手术，具有重要的临床价值，是当前ICE技术发展的趋势和医疗器械巨头正在研发的重点领域。但现有心腔内超声装置应用成本较高、成像视野小，效果还有不足。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种4D心腔内超声成像装置和4D成像方法，旨在解决现有基于面阵超声探头心腔内超声装置应用成本较高，成像视野小的问题。

第一方面，本发明提供了一种4D心腔内超声成像装置，包括：导管、超声波模组、传动件、驱动模组和成像主机，所述导管包括位于心腔内的远端以及体外的近端，所述超声波模组设于所述远端，所述传动件连接所述超声波模组和所述驱动模组，所述驱动模组设于所述近端一侧，并与所述传动件可拆卸连接，所述驱动模组能通过所述传动件驱动所述超声波模组旋转，所述成像主机与所述超声波模组电连接，并用于将通过所述超声波模组在不同位置生成的各2D图像融合重建为目标4D图像。

在其中一种实施例中，所述超声波模组包括第一换能器和第二换能器，所述第一换能器的探头朝向和所述第二换能器的探头朝向不同，所述成像主机将通过所述第一换能器生成的各2D图像以及通过所述第二换能器生成的各2D图像融合重建为目标4D图像。

在其中一种实施例中，所述第一换能器和所述第二换能器均包括多个阵元的超声探头；和/或

所述第一换能器与所述第二换能器相背放置，以使所述第一换能器的探头朝向与所述第二换能器的探头朝向相反。

在其中一种实施例中，所述超声波模组包括一个或多个超声换能器，若所述超声波模组包括多个超声换能器，各个所述超声换能器的探头朝向角度和位置各不相同，并最终将多个所述超声换能器获得的图像融合，从而提高成像的空间容积帧率。

在其中一种实施例中，所述传动件为扭矩线圈或海波管；和/或

所述驱动模组为旋转电机，所述旋转电机用于驱动所述超声波模组单向或双向旋转，所述4D心腔内超声成像装置还包括滑环，所述滑环包括与所述成像主机相连接的定子部以及与所述超声波模组相连接的转子部。

在其中一种实施例中，所述4D心腔内超声成像装置还包括操作手柄和牵引丝，所述导管的近端一侧还设置有操作手柄，所述牵引丝的一端与所述导管的远端固定连接，另一端与所述操作手柄活动连接。

在其中一种实施例中，所述导管内设有拉丝腔，所述牵引丝设于所述拉丝腔，所述拉丝腔设有多个，并与所述牵引丝一一对应设置，从而实现导管头端调弯。

在其中一种实施例中，所述导管内设有注液腔和排气腔，所述注液腔用于将耦合液注入所述导管的所述远端，所述排气腔用于将所述导管的所述远端的气体排出；所述排气腔通过管道将气体由近端排出，也由导管远端单向通道排出；

所述导管内还设有密封装置，所述密封装置用于密封所述导管头端；和/或

所述4D心腔内超声成像装置还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片设于所述超声波模组。

第二方面，本发明还提供了一种4D成像方法，所述4D成像方法应用于4D心腔内超声成像装置，所述4D心腔内超声成像装置包括导管、超声波模组、驱动模组和成像主机，所述导管包括位于心腔内的远端以及体外的近端，所述超声波模组设于所述远端，所述驱动模组设于所述近端一侧，所述4D成像方法具体包括以下步骤：

所述驱动模组驱动所述超声波模组旋转；

所述成像主机将通过所述超声波模组生成的各2D图像融合重建为目标4D图像。

在其中一种实施例中，所述超声波模组为一个或多个超声换能器组合，若所述超声波模组包括多个超声换能器，多个超声换能器成像的朝向角度和位置各不相同，同时进行多个方向成像并将所得的图像进行融合。

采用本发明实施例，具有如下有益效果：

采用本发明的4D心腔内超声成像装置，由于驱动模组能通过传动件驱动超声波模组旋转，因而可以实现90°×360°的空间成像角度，即在旋转方向实现360°成像，成像效果较好，进一步的，成像主机与超声波模组电连接，并用于将通过超声波模组生成的各2D图像融合重建为目标4D图像，从而提高成像效果，另外，由于驱动模组设于近端一侧，并与传动件可拆卸连接，因而可将导管部分相关部件从驱动模组的传动端拆卸更换，将驱动模组重复利用，节省成像成本。

采用本发明的4D成像方法，由于驱动模组驱动超声波模组旋转，因而可以实现90°×360°的空间成像角度，即在旋转方向实现360°成像，成像主机将通过超声波模组生成的各2D图像融合重建为目标4D图像，成像效果较好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中4D心腔内超声成像装置的示意图。

图2为图1所示4D心腔内超声成像装置中导管的剖视图。

附图标号：100、导管；110、远端；120、近端；130、拉丝腔；140、注液腔；150、排气腔；200、超声波模组；210、第一换能器；220、第二换能器；230、线缆；300、传动件；400、驱动模组；500、成像主机；600、滑环；700、操作手柄；800、牵引丝。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果所述特定姿态发生改变时，则所述方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

心脏疾病是人类致死率最高的疾病和人类健康的首要杀手，包括心律不齐、心肌肥厚、瓣膜疾病等，每年引起了大量的致死和致残人数，对社会经济造成了重要的负担。微创导管介入治疗是当前大多数心脏疾病临床认可的最安全、有效的治疗方式，通过将微型导管(包括消融导管、瓣膜置换、瓣膜修复)由外周静脉介入的方式插入心腔内，对心脏进行微创手术。相比于传统开胸手术，导管介入手术显著降低了病人风险和术后恢复成本。心脏导管介入手术中，对心脏进行实时2D到4D心脏成像，能够实时监控导管和心腔相对位置、对快速运动的心脏的解剖结构进行成像并实时监控手术并发症(如血栓、心包积液、食道损伤)，具有重要的临床意义和临床需求。因而心腔内超声装置的应用成本和成像效果显得尤为重要。

请参阅图1，一实施例的4D心腔内超声成像装置包括导管100、超声波模组200、传动件300、驱动模组400和成像主机500，导管100包括位于心腔内的远端110以及体外的近端120，超声波模组200设于远端110，传动件300连接超声波模组200和驱动模组400，驱动模组400设于近端120一侧，并与传动件300可拆卸连接，驱动模组400能通过传动件300驱动超声波模组200旋转，所述成像主机500与所述超声波模组200电连接，并用于将通过所述超声波模组200在不同位置生成的各2D图像融合重建为目标4D图像，从而实现机械四维超声扫描，以提高成像效果。

可以理解的是，由于驱动模组400能通过传动件300驱动超声波模组200旋转，因而可以实现90°×360°的空间成像角度，即在旋转方向实现360°成像，成像视野好，进而成像效果较好。

在本实施例中，随着超声波模组200的旋转，从而可以通过超声波模组200生成各角度的多个2D图像，多个2D图像在空间融合为目标4D图像，从而实现4D成像，以在X轴、Y轴和Z轴的立体空间维度，以及时间维度下实现4D成像。

进一步的，在一实施例中，超声波模组200包括第一换能器210和第二换能器220，第一换能器210的探头朝向和第二换能器220的探头朝向不同，所述成像主机500将通过所述第一换能器210生成的各2D图像以及通过所述第二换能器220生成的各2D图像融合重建为目标4D图像，图1中A所指向为第一换能器210的扫描平面，B所指向为第二换能器220的扫描平面。

由于第一换能器210的探头朝向和第二换能器220的探头朝向不同，因而可提高4D成像的容积帧率二倍，从而进一步提高成像效果。通过多个超声换能器的设置，由于单位时间采集到的2D图像更多，因此能够提高容积帧率。

另外，由于驱动模组400设于近端120一侧，并与传动件300可拆卸连接，因而可将导管100部分相关部件从驱动模组400的传动端拆卸更换，将驱动模组400重复利用，节省成像成本。由于本实施例中将驱动模组400设于近端120一侧，因而可降低导管100的直径，因而更利于导管100的小型化设计。

在一实施例中，第一换能器210和第二换能器220均包括多个阵元的超声探头，超声探头的换能器阵元为线性排列，能够显著降低探头加工成本和工艺难度。

可以理解的是，传统的4D心腔内超声成像装置应用二维面阵相控阵超声探头，探头的超声换能器的阵元为矩阵式排列，通过在两个垂直方向聚焦、实现快速3D扫描，通过电子聚焦实现三维空间的实时扫描。然而，基于二维面阵相控阵超声探头，第一方面，需要采用数量众多的超声换能器单元以面阵排列，制造工艺难度高、良品率低；第二方面，为了减少换能器连接线束数量，通常需要在导管100前端集成一次性的专用集成芯片(ASIC)进行成像预处理，研发和生产成本高昂；第三方面，需要多通道的超高端超声主机系统，价格高昂、使用率低；因而导致应用二维面阵相控阵超声探头的成像装置成本高昂。另外，二维面阵相控阵超声探头的成像通常为90°×90°，即在90°×90°的空间成像角度外，超声信号衰减、难以实现有效成像，成像效果不足。

由于本实施例超声探头的换能器的阵元为线性排列，因而可降低其应用成本，另外，由于驱动模组400能通过传动件300驱动超声波模组200旋转，因而可以实现90°×360°的空间成像角度，即在旋转方向实现360°成像，成像空间角度大，成像效果较好，且需要的换能器数量相比于面阵环能器方式更少，节省成本。

进一步的，第一换能器210与第二换能器220相背放置，以使第一换能器210的探头朝向与第二换能器220的探头朝向相反，扫描间隔为180°的两幅图像，可以旋转一圈实现二帧空间成像，从而达到实时4D空间成像效果，而且，由于一圈旋转采集两幅容积图像，可以提高成像的容积帧率，并使得成像速度加倍。

进一步的，第一换能器210与第二换能器220相背放置有可能使得探头尺寸加倍。为减小探头的尺寸，可以使得第一换能器210和第二换能器220朝向相反、不采用背靠背排列方式，即采取前后固定、成像角度相反。

具体的，第一换能器210与第二换能器220相背粘接，第一换能器210与第二换能器220同时采集超声图像，采集同时、电机带动探头均匀单向或双向旋转，直到扫描完整个成像空间。

在本实施例中，超声探头的各项参数不限定，可以根据各种不同的应用环境选定不同的频率、阵元数、阵元间距、阵元分布方案等的阵列。换能器阵列发射声波的方式可以为依次发射多条聚焦超声波束进行平面扫描，也可以通过依次发射多个非聚集平面波，进行平面扫描。4D旋转的扫描角度间隙、旋转速度等可调。

在一实施例中，超声波模组200包括一个或多个超声换能器，若所述超声波模组200包括多个超声换能器，各个超声换能器的探头朝向角度和位置各不相同，并最终将多个超声换能器获得的图像融合，从而提高成像的空间容积帧率。

当超声换能器设置有三个，三个超声换能器可分别为第一换能器210、第二换能器220和第三换能器，三个超声换能器可周向设置。当然，超声换能器还可设置有四个或更多。

在一实施例中，传动件300为扭矩线圈、海波管或他扭矩传输设备。通过传动件300传输扭矩到导管100中的超声波模组200。

在一实施例中，4D心腔内超声成像装置还包括操作手柄700和牵引丝800，导管100的近端120一侧还设置有操作手柄700，牵引丝800的一端与导管100的远端110固定连接，另一端与操作手柄700活动连接。通过操作手柄700和牵引丝800可以实现导管100远端110的调弯。进一步的，牵引丝800设有多个。优选的，牵引丝800设有两个，以实现双向调弯。

具体的，请一并参阅图2，导管100内设有拉丝腔130，牵引丝800设于拉丝腔130，拉丝腔130设有多个，并与牵引丝800一一对应设置，以实现各牵引丝800的独立布置，从而实现导管100头端调弯。

当然，在其他实施例中，牵引丝800还可设置有三个、四个或更多，以实现更多方向角度的调弯。

在一实施例中，驱动模组400为旋转电机，旋转电机用于驱动超声波模组200单向或双向旋转，以提供旋转的驱动力，4D心腔内超声成像装置还包括滑环600，滑环600包括与成像主机500相连接的定子部以及与超声波模组200相连接的转子部，以在超声波模组200单向旋转的情况下，将通过滑环600传递给成像主机500。该滑环600可选为多通道滑环600。具体的，旋转电机可以通过传动件300带动超声波模组200在静止的导管100内部进行连续的单向旋转，从而实现4D成像。进一步的，4D心腔内超声成像装置还包括控制盒，驱动模组400和滑环600均设置于控制盒中，驱动模组400与操作手柄700分体设置，因而导管100与超声波模组200、操作手柄700可组成可更换单元。

可选的，4D心腔内超声成像装置还包括线缆230，导管100中设置有供线缆230通过的通道，线缆230可选为同轴电缆、柔性电路板线束或软排线，超声波模组200通过线缆230连接到滑环600的转子部，并通过滑环600的定子部与成像主机500相连接，从而进行图像采集、后处理、图像三维重建，并在成像主机500屏幕上显示。4D成像时，线缆230、超声波模组200随传动件300进行连续旋转，同时超声波模组200中各换能器进行快速二维成像。该成像主机500可选为多通道超声主机，成像主机500接收多个换能器通道的数据并进行超声图像重建、4D空间重建。

当然，在其他实施例中，该驱动模组400还可提供周期性往复双向旋转驱动力，以带动超声波模组200在静止的导管100内部进行复双向旋转，从而实现4D成像，此时，可省略滑环600的设置，驱动模组400还可选为步进电机、伺服电机或直线电机，驱动模组400还可集成在操作手柄700上，此时导管100与超声波模组200组成可更换单元。

在一实施例中，为了减少线缆230的数量，所述4D心腔内超声成像装置还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片设于所述超声波模组200，从而在超声波模组200前端实现单个阵元的激发和信号预处理，在ASIC芯片内完成超声各个通道的自发激发，以及一部分的信号后处理，从而降低后端系统的复杂性。当然，在其他实施例中，如果不考虑线缆230数量造成的影响，还可省略ASIC芯片。

在一实施例中，请参阅图1和图2，导管100内设有注液腔140和排气腔150，注液腔140用于将耦合液注入导管100的远端110，排气腔150用于将导管100的远端110的气体排出；所述排气腔150通过管道将气体由近端排出，也由导管100远端单向通道排出。由于换能器的探头需要放置在液体环境中，用于声阻抗匹配，通过注液腔140向远端110的内腔注液，同时通过排气腔150排出远端110内容中的气体。

在本实施例中，导管100内还设有密封装置，密封装置用于密封导管100头端，从而避免旋转中导管头端进气，影响成像效果。进一步的，通过导管100的远端110通过O型圈或刷式密封。

请参阅图1和图2，一实施例的4D成像方法应用于4D心腔内超声成像装置，4D心腔内超声成像装置包括导管100、超声波模组200、驱动模组400和成像主机500，导管100包括位于心腔内的远端110以及体外的近端120，超声波模组200设于远端110，驱动模组400设于近端120一侧，4D成像方法具体包括以下步骤：

S200、驱动模组400驱动超声波模组200旋转。步骤S200中，具体包括：启动驱动模组400和成像主机500，驱动模组400按照预设的旋转速度驱动超声波模组200旋转。

S600、所述成像主机500将通过所述超声波模组200生成的各2D图像融合重建为目标4D图像，换能器探头的数据传导成像主机500后进行图像重建，由于实际超声扫描为球面螺旋线扫描，因此需要进行空间插值算法；成像主机500上显示4D重建后的目标图像，该图像视野为90°×360°。当超声波模组200不需要旋转时，关闭驱动模组400，此时可以进行2D成像。

可以理解的是，由于驱动模组400驱动超声波模组200旋转，因而可以实现90°×360°的空间成像角度，即在旋转方向实现360°成像，成像效果较好。

在本实施例中，随着超声波模组200的旋转，从而可以通过超声波模组200生成各角度的多个2D图像，多个2D图像在空间融合为目标4D图像，从而实现4D成像，以在X轴、Y轴和Z轴的立体空间维度，以及时间维度下实现4D成像。

在本实施例中，超声波模组200为一个或多个超声换能器组合，不限于两个超声换能器，多个超声换能器成像的朝向角度和位置各不相同，同时进行多个方向成像并将所得的图像进行融合，从而可以提高成像的容积帧率。通过多个超声换能器的设置，由于单位时间采集到的2D图像更多，因此能够提高帧率。

进一步的，在步骤S200之前，还包括：

S110、将导管100、操作手柄700、控制盒、成像主机500相连安装，将导管100的远端110插设于预设位置。

S120、采用注射器，通过鲁尔接口向注液腔140内注液，当排气腔150开始出液时，完成注液工作，此时，O型圈或刷式密封能够保证超声波模组200旋转时远端110不漏水。

进一步的，本发明使用的超声探头可以为相控阵超声探头、线阵超声探头等，其材料可以为PZT陶瓷、复合陶瓷，也可以为CMUT或PMUT材料。

进一步的，本发明使用的超声成像需要有较高成像帧率，一方面可以使用高帧率相控阵成像，一方面可以使用平面波和发散波方式成像。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种4D心腔内超声成像装置，其特征在于，包括：导管、超声波模组、传动件、驱动模组和成像主机，所述导管包括位于心腔内的远端以及体外的近端，所述超声波模组设于所述远端，所述传动件连接所述超声波模组和所述驱动模组，所述驱动模组设于所述近端一侧，并与所述传动件可拆卸连接，所述驱动模组能通过所述传动件驱动所述超声波模组旋转，所述成像主机与所述超声波模组电连接，并用于将通过所述超声波模组在不同位置生成的各2D图像融合重建为目标4D图像。

2.根据权利要求1所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述超声波模组包括第一换能器和第二换能器，所述第一换能器的探头朝向和所述第二换能器的探头朝向不同，所述成像主机将通过所述第一换能器生成的各2D图像以及通过所述第二换能器生成的各2D图像融合重建为目标4D图像。

3.根据权利要求2所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述第一换能器和所述第二换能器均包括多阵元的超声探头；和/或

所述第一换能器与所述第二换能器相背放置，以使所述第一换能器的探头朝向与所述第二换能器的探头朝向相反。

4.根据权利要求1所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述超声波模组包括一个或多个超声换能器，若所述超声波模组包括多个超声换能器，各个所述超声换能器的探头朝向角度和位置各不相同，并最终将多个所述超声换能器获得的图像融合。

5.根据权利要求1所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述传动件为扭矩线圈或海波管；和/或

所述驱动模组为旋转电机，所述旋转电机用于驱动所述超声波模组单向或双向旋转，所述4D心腔内超声成像装置还包括滑环，所述滑环包括与所述成像主机相连接的定子部以及与所述超声波模组相连接的转子部。

6.根据权利要求1所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述4D心腔内超声成像装置还包括操作手柄和牵引丝，所述导管的近端一侧还设置有操作手柄，所述牵引丝的一端与所述导管的远端固定连接，另一端与所述操作手柄活动连接。

7.根据权利要求6所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述导管内设有拉丝腔，所述牵引丝设于所述拉丝腔，所述拉丝腔设有多个，并与所述牵引丝一一对应设置。

8.根据权利要求1所述的4D心腔内超声成像装置，其特征在于，所述导管内设有注液腔和排气腔，所述注液腔用于将耦合液注入所述导管的所述远端，所述排气腔用于将所述导管的所述远端的气体排出；所述排气腔通过管道将气体由近端排出，也由导管远端单向通道排出；所述导管内还设有密封装置，所述密封装置用于密封所述导管头端；和/或

所述4D心腔内超声成像装置还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片设于所述超声波模组。

9.一种4D成像方法，其特征在于，所述4D成像方法应用于4D心腔内超声成像装置，所述4D心腔内超声成像装置包括导管、超声波模组、驱动模组和成像主机，所述导管包括位于心腔内的远端以及体外的近端，所述超声波模组设于所述远端，所述驱动模组设于所述近端一侧，所述4D成像方法具体包括以下步骤：

所述驱动模组驱动所述超声波模组旋转；

所述成像主机将通过所述超声波模组生成的各2D图像融合重建为目标4D图像。

10.根据权利要求9所述的4D成像方法，其特征在于，所述超声波模组为一个或多个超声换能器组合，若所述超声波模组包括多个超声换能器，多个超声换能器成像的朝向角度和位置各不相同，同时进行多个方向成像并将所得的图像进行融合。