CN211723361U - 一种超声探头及超声引导系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声探头及超声引导系统，包括毫米波雷达，毫米波雷达发射的第一毫米波为电磁波，其遇到医疗器械会反射，医疗器械相对于超声探头本体的空间位置不同，第一毫米波与第二毫米波之间的一些特征(例如时间差等)也不同，因此，基于第一毫米波与第二毫米波便可确定医疗器械相对于毫米波雷达的空间位置，再基于毫米波雷达与超声探头本体的位置关系便可确定穿刺针相对于超声探头本体的空间位置。采用毫米波雷达对医疗器械进行定位的方式，使得超声引导系统的结构简单、体积小且成本低，对电磁环境抗干扰能力强，长时间定位重复性及一致性好，不存在定位的空间位置随时间漂移现象。

Description

一种超声探头及超声引导系统

技术领域

本实用新型涉及超声定位技术领域，特别是涉及一种超声探头及超声引导系统。

背景技术

超声穿刺引导功能目前在临床上应用地越来越广泛，穿刺手术进针过程的实时可视化功能可以保证操作医师能穿刺到正确的组织部位。超声探头穿刺引导系统除了包括超声主机和超声探头外，通常还包括辅助装置，以实现对穿刺针和超声探头的相对位置进行定位，并基于该相对位置将穿刺针在超声图像上进行坐标投影变化和图像层叠显示。

现有技术中的超声探头穿刺引导系统通常采用如下方式：

1)磁导航定位技术，磁导航定位技术包括主动式磁导航定位技术和被动式磁导航定位技术，其中，在采用主动式磁导航定位技术时，辅助装置包括磁场发生器、设置于穿刺针和超声探头上的传感器线圈，从而使得超声探头穿刺引导系统的结构较为复杂且体积较大。在采用被动式磁导航定位技术时，辅助装置包括设置于超声探头内部的磁传感器阵列，此外，还需要对穿刺针进行磁化，该种穿刺针定位方式易受环境磁场干扰且成本高。

2)惯性导航技术，采用该技术时需要用到众多的位置传感器及角速度传感器。惯性导航固有的时间漂移现象，使得穿刺针的空间位置定位准确性会随时间逐渐漂移，穿刺针的定位精度下降。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超声探头及超声引导系统，使得超声探头所在系统的结构简单、体积小且成本低，对电磁环境抗干扰能力强，长时间定位重复性及一致性好。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种超声探头，包括用于超声成像的超声探头本体，还包括设置于所述超声探头本体上的毫米波雷达，用于向外发射第一毫米波，并接收医疗器械反射回来的第二毫米波。

优选地，所述毫米波雷达包括：

收发天线；

处理模块，用于控制所述收发天线向外发射第一毫米波，并处理通过所述收发天线接收反射回来的第二毫米波。

优选地，所述收发天线设置于与所述超声探头本体中的超声换能器所在面相邻的侧面。

优选地，所述收发天线为多个，所述毫米波雷达还包括一个切换模块；

所述切换模块用于基于所述处理模块的控制切换多个所述收发天线接收的毫米波收发。

优选地，所述收发天线为1个，所述毫米波雷达还包括驱动装置；

所述处理模块还用于通过所述驱动装置控制所述收发天线变换发送角度及接收角度，以得到所述收发天线在不同的发送角度下的第一毫米波及不同的接收角度下接收到的第二毫米波。

为解决上述技术问题，本实用新型还提供了一种超声引导系统，包括如上述所述的超声探头，还包括：

超声主机，与所述超声探头连接，用于根据所述超声探头发送的信息确定所述医疗器械相对于所述超声探头本体的空间位置，计算所述医疗器械在超声成像面上的显示效果并与超声图像叠加；

显示装置，用于对叠加后的图像进行显示。

本实用新型提供了一种超声探头，该超声探头包括毫米波雷达，毫米波雷达发射的第一毫米波为电磁波，其遇到医疗器械会反射，医疗器械相对于超声探头本体的空间位置不同，第一毫米波与第二毫米波之间的一些特征(例如时间差等)也不同，因此，基于第一毫米波与第二毫米波便可确定医疗器械相对于毫米波雷达的空间位置，再基于毫米波雷达与超声探头本体的位置关系便可确定穿刺针相对于超声探头本体的空间位置。采用毫米波雷达对医疗器械进行定位的方式，使得超声引导系统的结构简单、体积小且成本低，对电磁环境抗干扰能力强，长时间定位重复性及一致性好，不存在定位的空间位置随时间漂移现象。

本实用新型还提供了一种超声引导系统，具有与上述超声探头相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型提供的一种超声探头的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种超声探头与穿刺针在工作时的位置示意图；

图3为本实用新型提供的一种超声引导系统的结构示意图；

图4为本实用新型提供的一种超声引导系统的原理图；

图5为本实用新型提供的一种穿刺针的针尖定位原理图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种超声探头及超声引导系统，使得超声探头所在系统的结构简单、体积小且成本低，对电磁环境抗干扰能力强，长时间定位重复性及一致性好。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1，图1为本实用新型提供的一种超声探头的结构示意图。

该超声探头包括用于超声成像的超声探头本体11，还包括设置于超声探头本体11上的毫米波雷达12，用于向外发射第一毫米波，并接收医疗器械反射回来的第二毫米波。

首先需要说明的是，本申请中，超声探头本体11用于向外发出超声信号，并接收返回的超声回波信号，以便后续超声主机对超声回波信号处理后得到超声图像。考虑到现有技术中在通过探测系统对医疗器械与超声探头本体11的位置进行探测时，通常存在探测系统体积大、成本高或者易受电磁干扰的缺点。本申请采用将雷达测距与超声探头本体11相结合的方案，来解决上述技术问题。

本申请中的雷达选用毫米波雷达12，毫米波雷达12是工作在毫米波波段探测的雷达，其具有体积小、质量轻、对电磁环境抗干扰能力强、长时间定位重复性及一致性好及不存在定位的空间位置随时间漂移现象的优点。毫米波雷达12还具有一个显著特点，便是其向外发射的毫米波在遇到障碍物时会将毫米波反射回来，尤其是金属障碍物，其对于毫米波有着强烈的反射，基于发射和接收的时间差便可得到障碍物与毫米波雷达12的距离。

基于上述原理，本申请中，超声探头包括超声探头本体11，超声探头本体11上还设置有毫米波雷达12，毫米波雷达12其能够向外发射第一毫米波，第一毫米波在遇到医疗器械时会反射回来第二毫米波，则基于第一毫米波和第二毫米波的时间差便可确定医疗器械相对于毫米波雷达12的空间位置，又由于毫米波雷达12与超声探头本体11之间的位置关系是已知的，则后续再基于毫米波雷达12与超声探头本体11的位置关系便可确定医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置。

需要说明的是，医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置不同时，第一毫米波与第二毫米波之间的一些特征(例如时间差等)也是不同的。此外，医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置具体可为医疗器械相对于超声探头本体11的底面，也即与待测体接触面的中心的位置。此外，这里的医疗器械主要为金属材质，医疗器械可以但不仅限为穿刺针，本申请在此不作特别的限定。

综上，本申请通过将毫米波雷达12与超声探头本体11相结合，能够实现对医疗器械相对于超声探头本体11的位置的探测，且基于毫米波雷达12的特点，使得超声探头所在系统的结构简单、体积小且成本低，对电磁环境抗干扰能力强，长时间定位重复性及一致性好，不存在定位的空间位置随时间漂移现象。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，毫米波雷达12包括：

收发天线；

处理模块，用于控制收发天线向外发射第一毫米波，并处理通过收发天线接收反射回来的第二毫米波。

首先需要说明的是，这里的收发天线可以包括两个独立的天线，具体为发送天线和接收天线，其中，发送天线实现第一毫米波的发送，接收天线实现第二毫米波的接收；也可以为一个天线，即实现第一毫米波的发送，又实现第二毫米波的接收。对于具体如何设置收发天线本申请在此不作特别的限定，根据实际情况来定。

毫米波雷达12包括收发天线和处理模块，其中，处理模块会控制收发天线向外发射第一毫米波，第一毫米波在遇到医疗器械时会对第一毫米波进行反射，得到第二毫米波，收发天线还会接收第二毫米波，并将第二毫米波传输至处理模块。后续根据第一毫米波和第二毫米波的时间差便可实现对医疗器械进行定位。可见，本申请提供的毫米波雷达12的结构简单、体积小且成本低。

此外，这里的毫米波雷达12还可以包括滤波模块，用于对接收到的第二毫米波进行滤波处理，以得到纯净的第二毫米波，提高了后续的医疗器械的定位精度。

作为一种优选地实施例，收发天线设置于与超声探头本体11中的超声换能器所在面相邻的侧面。

以医疗器械为穿刺针为例，请参照图2，图2为本实用新型提供的一种超声探头与穿刺针在工作时的位置示意图。该超声探头本体11的底面(也即与待测体接触面)设置有超声换能器，侧面设置有收发天线。

具体地，超声探头本体11中的超声换能器用于向待测体发送超声信号和接收超声回波信号，超声换能器所在面是直接面向待测体的，考虑到待测体中含水量较高，而毫米波对于液体的穿透性较差，也即毫米波发送至液体时反射回来的毫米波较少，因此，一般不对医疗器械位于待测体内的部分(例如穿刺针，穿刺针一般一部分位于待测体内，一部分位于待测体外)返回的毫米波进行分析，而是对于待测体外的部分反射的毫米波分析，以得到位于待测体外的医疗器械的位置，进而推算出位于外侧体内的医疗器械的位置。

可见，收发天线发送的毫米波的方向与超声换能器所发送的超声信号的方向通常是不同的，因此，可以将收发天线设置于与超声换能器所在面相邻的侧面，以实现对医疗器械的位置探测。

此外，考虑到超声探头的壳体通常是非金属的，例如塑料材质，且厚度不太厚，其对于毫米波的影响不太大，因此，可以将收发天线设置于内侧面；当然，为了尽可能地减少毫米波在传输过程中壳体对其的干扰，追求更高的探测精度，收发天线也可以设置于外侧面，或者，在超声探头本体11的壳体上设置孔，收发天线设置于孔中。在满足本申请目的的基础上，本申请对于收发天线的具体设置方式不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，收发天线为多个，毫米波雷达12还包括一个切换模块；

切换模块用于基于处理模块的控制切换多个收发天线的毫米波收发。

作为一种优选地实施例，收发天线为1个，毫米波雷达12还包括驱动装置；

处理模块还用于通过驱动装置控制收发天线变换发送及接收角度，以得到收发天线在不同的发送角度下的第一毫米波及不同的接收角度下接收到的第二毫米波。

上述提到，为得到医疗器械相对于超声探头本体11的位置，可以先得到收发天线与医疗器械的位置关系，再基于收发天线与超声探头本体11之间的位置关系得到医疗器械与超声探头本体11之间的位置关系。为了得到收发天线与医疗器械的位置关系，收发天线的数量可以为多个，也可以为一个。

具体地，在收发天线的数量为多个时，处理模块会控制各个收发天线向外发射第一毫米波，收发天线在接收到第二毫米波后将第二毫米波发送至处理模块。其中，各个收发天线可以直接与处理模块连接，可以基于处理模块的控制实现第一毫米波的同时发送以及第二毫米波的同时接收，并将接收到的第二毫米波时同时传送至处理模块。但考虑到处理模块的接口数量是一定的，为了减少对处理模块的接口的占用，本实施例中，在处理模块的一个接口与多个收发天线之间设置了切换模块，用于在处理模块的控制下切换收发天线的毫米波收发。其中，这里的切换模块可以但不仅限为单刀多掷开关。

例如，处理模块控制切换模块切至第一个收发天线，第一个收发天线发送第一毫米波并接收返回的第二毫米波，且第一个收发天线将接收到的第二毫米波发送至处理模块，然后处理模块再控制切换模块切至第二个收发天线，第二个收发天线发送第二毫米波并接收第二毫米波，并将接收到的第二毫米波发送至处理模块，以此类推，从而实现了处理模块通过一个接口实现对多个毫米波的收发。

在收发天线的数量为一个时，则毫米波雷达12还包括驱动装置，处理模块可以通过驱动装置来控制收发天线的发送角度及接收角度，从而得到不同发送角度的第一毫米波及不同接收角度下的第二毫米波。可见，该种方式下，仅需设置一个收发天线，减小了收发天线对超声探头本体11的空间的占用。

请参照图3，图3为本实用新型提供的一种超声引导系统的结构示意图。

该超声引导系统包括如上述任一实施例中的超声探头1，还包括：

超声主机2，与超声探头1连接，用于根据超声探头1发送的信息确定医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置，计算医疗器械在超声成像面上的显示效果并与超声图像叠加；

显示装置3，用于对叠加后的图像进行显示。

具体地，超声主机2通常用于控制超声探头本体11向外发射超声信号，并接收返回的超声回波信号，然后对超声回波信号进行处理，以得到超声图像。除此之外，本申请中，超声主机2还会接收超声探头1发送的信息。其中，这里的信息可以为包括第一毫米波和第二毫米波的信息(例如时间差)，以便后续超声主机2基于这些信息得到医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置；或者，这里的信息可以为医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置，也即处理模块还用于根据第一毫米波和第二毫米波得到医疗器械相对于收发天线的空间位置，再基于收发天线与超声探头本体11的位置关系得到医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置；或者，这里的信息可以医疗器械相对于毫米波雷达12(也即收发天线)的空间位置，则后续超声主机2还会基于收发天线与超声探头本体11的位置关系得到医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置。然后，超声主机2便可基于这些信息计算医疗器械在超声成像面上的显示效果并与超声图像叠加，也即将医疗器械与超声图像进行叠加，并在显示装置3上进行显示。

请参照图4，图4为本实用新型提供的一种超声引导系统的原理图，其中，1面指的是超声成像面，2面指的是超声探头本体11的底面，也可称为为超声换能器或者超声阵元平面。图4示出了医疗器械叠加显示在超声成像面上。

可见，采用毫米波雷达12对医疗器械进行定位的方式，使得超声引导系统的结构简单、体积小且成本低，对电磁环境抗干扰能力强，长时间定位重复性及一致性好，不存在定位的空间位置随时间漂移现象。

作为一种优选地实施例，根据超声探头1发送的信息确定医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置，包括：

超声探头1将毫米波雷达12输出的信息发送给超声主机2；

超声主机2解析信息，得出医疗器械表面多个点相对于毫米波雷达12的空间位置；

根据多个点相对于毫米波雷达12的空间位置，确定医疗器械其他一个点或若干个点相对于超声探头本体11的空间位置。

具体地，本实施例中，处理模块还会基于第一毫米波和第二毫米波得到医疗器械上的多个点相对于毫米波雷达12也即收发天线的空间位置，超声主机2在接收到多个点相对于毫米波雷达12的空间位置后，还会结合这多个空间位置及收发天线相对于超声主机2本体的位置关系得到多个点相对于超声探头本体11的空间位置，由于医疗器械的尺寸是固定的，且根据多个点便可确定医疗器械的方向，则根据其中某个点(例如穿刺针的针尾)相对于超声探头本体11的空间位置并结合方向便可推算出其他一个点或者若干个点相对于超声探头本体11的空间位置。

以医疗器械为穿刺针为例，考虑到液体的反射性能较差，为提高探测精度，毫米波雷达12可以向位于待测体外的穿刺针发送第一毫米波及接收第二毫米波，分析接收的第二毫米波，得到针尾相对于超声探头本体11的空间位置，然后再得到穿刺针上的另一个(最好是位于待测体外)点相对于超声探头本体11的空间位置，则基于针尾和另一个点便可确定穿刺针的方向，结合针尾相对于超声探头本体11的空间位置、穿刺针的方向及穿刺针的尺寸(也即穿刺针的长度)便可得到穿刺针上其他一个点(例如针尖)或者若干个点相对于超声探头本体11的空间位置。

作为一种优选地实施例，根据多个点相对于毫米波雷达12的空间位置，确定医疗器械其他一个点或若干个点相对于毫米波雷达12的空间位置，包括：

根据多个点相对于毫米波雷达12的空间位置，计算医疗器械的轮廓特征，根据轮廓特征判断医疗器械的类型，并根据类型的预设尺寸数据推算医疗器械其他一个点或若干个点相对于超声探头本体11的空间位置；或

根据多个点相对于毫米波雷达12的空间位置，以及医疗器械的预设尺寸数据推算医疗器械其他一个点或若干个点相对于超声探头本体11的空间位置。

本实施例中，可以预先存储医疗器械的尺寸数据，该种方式下，每次更换医疗器械均需要提前确定尺寸数据；也可以预先存储医疗器械的类型与尺寸数据的对应关系，该种方式下，可直接使用医疗器械，后续先确定医疗器械的类型，再根据医疗器械的类型与尺寸数据的对应关系便可直接确定该类型的医疗器械的尺寸数据。

具体地，考虑到不同类型的医疗器械，其轮廓特征也可能不同，以穿刺针为例，有的穿刺针靠近针尾处设置有凹坑，有的穿刺针靠近针尾处设置有凸起，当然，还可能为其他轮廓等。基于此，可以先得到医疗器械上的多个点相对于毫米波雷达12的空间位置，基于该空间位置便可得到多个点相对于超声探头本体11的空间位置，则根据多个点相对于超声探头本体11的空间位置便可得到医疗器械的轮廓特征，后续便可根据确定与该轮廓特征对应的医疗器械的类型，基于该类型及类型与尺寸数据的对应关系得到该类型的医疗器械的尺寸数据，结合多个点(例如两个点，其中一个点为针尾)相对于超声探头本体11的空间位置、医疗器械的预设尺寸数据便可推算医疗器械其他一个点或若干个点(例如针尖)相对于超声探头本体11的空间位置。

当然，在实际应用中，还可以直接先输入医疗器械的尺寸数据，以便后续在得到多个点(例如两个点，其中一个点为针尾)相对于超声探头本体11的空间位置后，直接结合医疗器械的尺寸数据推算医疗器械其他一个点或若干个点(例如针尖)相对于超声探头本体11的空间位置。

本申请对于具体采用方式不作特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，计算医疗器械在超声成像面上的显示效果并与超声图像叠加，包括：

根据医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置、超声成像面与超声探头本体11的空间位置，计算医疗器械在超声成像面上的投影区域，并在超声图像上叠加标识出投影区域。

具体地，在得到医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置后，便可结合该空间位置及超声成像面与超声探头本体11的空间位置得到医疗器械在超声成像面上的投影区域，并在超声图像上叠加标识出投影区域。这里的标识具体可以为颜色标识，也即医疗器械的颜色与超声成像面的底色不同。当然，这里的标识还可以为其他标识，本申请在此不作特别的限定。

作为一种优选地实施例，计算医疗器械在超声成像面上的显示效果并与超声图像叠加，还包括：

根据医疗器械相对于超声探头本体11的空间位置、超声成像面与超声探头本体11的空间位置，计算医疗器械特定轴线延长线与超声成像面的交点，并在超声图像上叠加标识出交点。

请参照图5，图5为本实用新型提供的一种穿刺针的针尖定位原理图。图5中，以超声探头本体11的底面也即超声探头本体11与待测体接触面的中心为坐标原点建立空间坐标系，其中，坐标原点为O点，超声探头本体11的底面为XOZ面(其也可称为为超声换能器或者超声阵元平面)，XOY面为超声成像面。

以医疗器械为穿刺针为例，穿刺针的沿长轴方向的轴线延长线与超声成像面的交点即为穿刺针沿当前插入方向继续插入后，穿刺针后面将会达到的当前目标点，在计算出该交点后，可以在超声图像上通过颜色等方式标识出该交点。在实际应用中，可以预先在超声成像面上设置实际目标点，穿刺针插入过程中可以基于该交点与实际目标点的偏差来调整穿刺针的插入方向，从而实现了穿刺针的精准插入，精度高。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种超声探头，包括用于超声成像的超声探头本体，其特征在于，还包括设置于所述超声探头本体上的毫米波雷达，用于向外发射第一毫米波，并接收医疗器械反射回来的第二毫米波。

2.如权利要求1所述的超声探头，其特征在于，所述毫米波雷达包括：

收发天线；

处理模块，用于控制所述收发天线向外发射第一毫米波，并处理通过所述收发天线接收反射回来的第二毫米波。

3.如权利要求2所述的超声探头，其特征在于，所述收发天线设置于与所述超声探头本体中的超声换能器所在面相邻的侧面。

4.如权利要求2或3所述的超声探头，其特征在于，所述收发天线为多个，所述毫米波雷达还包括一个切换模块；

所述切换模块用于基于所述处理模块的控制切换多个所述收发天线的毫米波收发。

5.如权利要求2或3所述的超声探头，其特征在于，所述收发天线为1个，所述毫米波雷达还包括驱动装置；

所述处理模块还用于通过所述驱动装置控制所述收发天线变换发送角度及接收角度，以得到所述收发天线在不同的发送角度下的第一毫米波及不同的接收角度下接收到的第二毫米波。

6.一种超声引导系统，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的超声探头，还包括：

超声主机，与所述超声探头连接，用于根据所述超声探头发送的信息确定所述医疗器械相对于所述超声探头本体的空间位置，计算所述医疗器械在超声成像面上的显示效果并与超声图像叠加；

显示装置，用于对叠加后的图像进行显示。

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