CN211934106U - 一种超声探头表面压力检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超声检测技术领域，公开了一种超声探头表面压力检测装置，包括深度相机、计算机、机械臂和设置有压力检测机构的超声探头，深度相机用于建立受检部位的三维模型，根据受检部位的三维模型，机械手将超声探头自动定位到受检部位，压力检测机构用于反馈压力，来调整超声探头的按压位置、方向、角度与力度；所述压力检测机构包括设置在超声探头检测端的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器等间距嵌入固定在超声探头检测端的两侧，薄膜压力传感器通过导联线连接控制芯片，本装置在计算机上建立压力模型，标记不合格的位点，并自动调整超声探头按压力度及方向直至压力值符合规范，提高超声检查的可靠性和一致性。

Description

一种超声探头表面压力检测装置

技术领域

本实用新型涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种超声探头表面压力检测装置。

背景技术

现有的手持式超声扫描仪在进行检查时，主要通过医师手持探头进行图像数据采集并进行数据分析，存在许多技术问题。有研究表明，超声回波信号的形态与操作者对探头施加的压力有着密切的关系。由于不同技术人员之间的操作经验差异较大，按压探头的压力不同，不仅影响超声探头与人体待检部位表面的耦合效果，而且使得采集信号的波幅差别较大，导致超声检测结果差生误差，降低评定结果的一致性和可靠性，超声探头按压的强度过大还将导致探头出现不同程度的磨损。

此外，每个人的体型以及器官大小形状不尽相同，超声波探头并不能根据人体的不同曲线进行调增，目前超声检查，主要是专业医师手持探头对受检部位进行检查，很难适应各种体型，造成扫描盲区，造成漏诊。

因此，需要一种能够根据不同人体的不同人型自适应调整扫描轨迹和探头角度的扫描装置，确保对受检部位进行全面的检查，排除漏诊。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种超声探头表面压力检测装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种超声探头表面压力检测装置，包括深度相机、计算机、机械臂和设置有压力检测机构的超声探头，深度相机用于建立受检部位的三维模型，根据受检部位的三维模型，机械手将超声探头自动定位到受检部位，压力检测机构用于反馈压力，来调整超声探头的按压位置、方向、角度与力度；

所述压力检测机构包括设置在超声探头检测端的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器的数量为6个-16个，薄膜压力传感器等间距嵌入固定在超声探头检测端的两侧，薄膜压力传感器通过导联线连接控制芯片，控制芯片固定在超声探头的手柄内部。

优选的，所述计算机用于构建系统开发环境，处理深度相机和控制芯片上传的深度流、彩色流和压力数据并建立形变模型，通过深度流和彩色流建立空间三维模型控制超声探头自动定位至受检部位，通过压力反馈建立压力形变模型，并对比各项标准检查参数，标记不符合要求的压力位点，计算机将通过机械臂调整超声探头的位置、角度与按压力度。

优选的，薄膜压力传感器电阻与压力成幂函数关系，电阻倒数与压力成近似线性关系。

优选的，控制芯片通过WIFI无线传输压力数据至计算机。

优选的，所述压力检测机构内部还设置有供电模块，供电模块采用独立供电和无线充电的供电模式。

优选的，计算机通过控制芯片上传的压力数据建立超声探头与受检部位的形变模型。

优选的，计算机标记不符合要求的压力位点，并将不符合要求的压力位点显示于屏显示。

优选的，还包括床板，所述床板的正上方设置有固定杆，所述固定杆的下端设置有深度相机，所述固定杆的侧壁上固定设置有两个相互对应的电动伸缩杆，所述电动伸缩杆为倾斜设置，电动伸缩杆的伸缩端固定安装有深度相机。

本实用新型的有益效果是：本装置通过深度相机建立人体三维模型，扫描探头根据受检部位，自动匹配人体各部位标准的压力值，通过机械臂自动控制超声探头定位到受检部位，同时超声探头表面设有薄膜压力传感器，薄膜压力传感器实时采集压力值并通过控制芯片上传至计算机，计算机建立三维重建系统，根据压力反馈，在计算机上建立压力模型，标记不合格的位点，并自动调整超声探头按压力度及方向直至压力值符合规范，提高超声检查的可靠性和一致性。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的工作示意图；

图2为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的超声探头的主视结构示意图；

图3为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的超声探头的仰视结构示意图；

图4为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的床板与深度相机的结构示意图；

图5为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的深度相机获取深度图像的流程图；

图6为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的三维人体建模过程图；

图7为本实用新型提出的一种超声探头表面压力检测装置的三维人体重建系统结构图。

图中：1床板、2导联线、3超声探头、4检测端、5薄膜压力传感器、6控制芯片、7微型电池、8伴热带、9固定杆、10深度相机、11电动伸缩杆。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-7，一种超声探头表面压力检测装置，包括深度相机10、计算机、机械臂和设置有压力检测机构的超声探头3，深度相机10用于建立受检部位的三维模型，根据受检部位的三维模型，机械手将超声探头3自动定位到受检部位，压力检测机构用于反馈压力，来调整超声探头3的按压位置、方向、角度与力度；

所述压力检测机构包括设置在超声探头检测端的薄膜压力传感器5，薄膜压力传感器5的数量为6个-16个，薄膜压力传感器5等间距嵌入固定在超声探头3检测端4的两侧，薄膜压力传感器5通过导联线2连接控制芯片6，控制芯片6固定在超声探头2的手柄内部。

进一步的，所述计算机用于构建系统开发环境，处理深度相机10和控制芯片6上传的深度流、彩色流和压力数据并建立形变模型，通过深度流和彩色流建立空间三维模型控制超声探头3自动定位至受检部位，通过压力反馈建立压力形变模型，并对比各项标准检查参数，标记不符合要求的压力位点，计算机将通过机械臂调整超声探头2的位置、角度与按压力度。

进一步的，控制芯片6通过WIFI无线传输压力数据至计算机。

进一步的，所述压力检测机构内部还设置有供电模块，供电模块采用独立供电和无线充电的供电模式。

进一步的，计算机通过控制芯片6上传的压力数据建立超声探头与受检部位的形变模型。

进一步的，计算机标记不符合要求的压力位点，并将不符合要求的压力位点显示于屏显示。

进一步的，还包括床板1，所述床板1的正上方设置有固定杆9，所述固定杆9的下端设置有深度相机10，所述固定杆9的侧壁上固定设置有两个相互对应的电动伸缩杆11，所述电动伸缩杆11为倾斜设置，电动伸缩杆11的伸缩端固定安装有深度相机10。

进一步的，超声探头2检测端的中部还嵌入安装有伴热带8，伴热带8用于对超声探头2进行预热，提高超声探头2的舒适感。

考虑到不同超声探头型号的差异，为了实验研究方便，本实施例选择了最常用的扇形超声探头作为设计对象，根据扇形探头外形结构、尺寸和用于测量超声检查过程中扇形探头表面所受压力所需获得的压力传感器个数及位点进行薄膜压力传感器的设计开发。

在进行测量超声探头2表面压力时，考虑到超声检查时，当超声探头与病人皮肤之间的存在空气或其它遮掩物，将使得超声反射增加，将阻碍超声波传入人体，因此传感器数量、位置影响获取无损高质量的清晰的超声图像；本实施例中开发了内、外侧对称，5 对对称位点（共 10 个位点）薄膜压力传感器5，该类型传感器电阻与压力成幂函数关系，电阻倒数与压力成近似线性关系，通过电阻分压电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

深度相机10具有得到深度图像的功能，深度图像表示了空间点到摄像机的距离，采用红外线成像技术的深度相机有计算时间短，图像实时输出的优点，相对于传统扫描设备，深度相机价格更低，体积更小，操作更加方便。

本实施例中用深度相机10在人体三维重建方面的应用，运用多台深度相机同时捕获深度图像，多台设备捕获的数据经过转化与融合，快速重建出三维的人体模型。根据实际情况和系统需求，运用深度相机进行三维重建的流程分为六步：深度图像获取、数据预处理、点云转换、点云配准、点云融合和表面生成。

为实现对人体进行三维重建，需设计三维重建系统能够通过多台深度相机对人体进行三维重建，得出人体三维模型并计算出人体关键数据。该系统的主要工作在于获取多台深度相机精确的位置坐标，获取多台深度相机深度数据并进行精确拼接，从而得出完整的人体三维数据，建立人体三维模型。

三位重建系统的工作主要分为四个过程: 深度相机标定，深度相机深度数据获取和点云转化，多组点云数据融合，三维人体建模。

深度相机标定：利用摄像机标定的方法，对多台深度相机进行标定，从而获取其外部姿态，通过计算得出多台设备的相对位置，为之后为点云融合提供基础配准数据。

深度数据的获取及转化：利用多台深度相机深度数据流获取人体表面的深度数据，采用多帧融合的方式提高其准确度，同时采用滤波进行去噪处理。通过微软提供的程序接口将深度数据转换为点云数据，为之后的融合建模提供源数据。

多组点云数据融合: 通过扫描人体不同位置所获取的点云数据，因为在各自的摄像机坐标系中，这些点云数据无法直接融合。我们要对不同坐标系下的点云数据进行空间变换，即点云配准，从而得到一个完整的人体模型的点云。转换空间位置由变换矩阵表示。本模块首先通过之前摄像机标定的结果对其进行一次粗略融合，然后通过 ICP(近点迭代)算法对其进行精准配准。

三维人体建模：通过之前的点云融合已得出人体三维点云数据，本模块对这些点云数据进行表面重建。

为使超声探头便于检查过程的复杂环境，设计一款机械手，该机械手为六维可控机械手，可上下左右移动并可进行角度调节。

为便于传输压力反馈的数据，利用控制芯片（本实施例中采用ESP8266作为控制芯片），该芯片具有将输入电信号放大处理后转换为数字信号的模数转换器，并具有无线传输功能，每个压力传感器位点电阻信号经分压电路转换为模拟电压信号，经控制芯片处理后显示成相应大小的压力信号，通过控制芯片的无线传输功能将超声探头与人体受检部位表面各个位点的压力处理后上传至计算机进行处理，通过各位点压力进行建模。并通过监控显示屏显示形变模型，并显示形变模型所测各个位点的压力值。

召集经验丰富的技师对人体各部位超声检查制定相对合理的手持探头按压的压力大小，设置各位点标准按压值大小为a，合理的压力浮动范围b%，各位点压力在（a±b ％）之内为合理的手持探头按压力度。需要说明的是，目前尚没有相关标准规定检测时按压的压力大小；若将来颁布了相关规定，可重新设置a和b，调整压力区间。

采用本实用新型的通过压力检测建立形变模型的超声波检测用扇形探头进行超声检查时，技术人员可以通过观察计算机显示屏上的人体三维模型观察探头所在位置，方向，按压力度；以及通过探头的压力反馈建立形变模型，可判断其施加压力各位点是否在约定的合理范围值以内，若不在合理范围内，机械手将控制扫描探头及时调整按压力度、位置和角度，以保持测试时接触压力在允许的范围内，避免因接触压力的失控而产生的测量偏差。为不同次超声检查提供统一的检查参数，保证超声检查的重复性，为后续评估治疗疗效、病程进展等带来方便。

考虑到检查室的特殊环境，采用独立供电+无线充电的供电模式，独立供电电压采用的 3.7V、2000mAh 的微型电池7，微型电池7尺寸 8.5×34×65mm，充满电压 4.2V，放电终止电压 2.75V，最大充、放电电流均为 1C，具有充放电保护电路。利用升压、稳压模块，调整输出电压稳定在 5V。 采用超麦电子厂无线充电发射、接收模组，符合 Qi 无线充电标准。无线充电发射器与电源相连，无线充电接收器与锂电池相连，对锂电池进行充电，充电功率 5W（5V，1A）。

为了便于实验，开模加工将薄膜压力传感器5等间距利用固定在超声探头2的左右两侧，薄膜压力传感器5与控制芯片6利用导联线2连接，本实施例中导联线2采用杜邦线。

首先深度相机（本设计采用微软的Kinect深度相机，其他相同功能的深度相机也可应用在本设计之中；）进行拍摄，如图4所示，为深度相机10摆放位置图，采集数据，如图7所示，为Kinect 获取深度图像的流程图，在计算机进行三维重建，在计算机端选择受检部位，机械手将操作探头聚焦到指定受检部位，进行标准化检查，同时探头表面设计有压力传感器，通过压力反馈在计算机建立形变模型，与标准化数据进行比较，如不在范围内，计算机将发出指令通知机械手调整探头的位置与角度

如图2所示，为压力超声探头，能够通过检测过程中的压力反馈在计算机中建立形变模型，并通过形变模型调整探头状态，并能通通过机械臂调整自动扫描超声探头位置、角度与按压力度的装置，探头检测端4安装薄膜压力传感器5，薄膜压力传感器5集成固定于与超声探头3的检测端4。薄膜压力传感器5用于测量探头接触面与人体受检部位表面的接触压力，薄膜压力传感器5经利用导联线2与控制芯片6连接，控制芯片6利用开模加工固定于超声探头3手柄上，同时将微型电池7固定于在探头3手柄上为控制芯片6供电。控制芯片6带有利用WIFI无线传输数据，将检测到的压力数据上传至计算机，通过计算机可显示薄膜压力传感器5的压力值，并通过压力反馈建立形变模型，与人体三维模型各部位各位点标准值作比较，云端计算机将自动运算并判断压力值是否在制定的合理范围内，若不符合在标准值范围内，在计算机端标记该位点，显示该点压力值，并通过计算机给机械臂发出指令调整超声探头3的按压力度和按压方向以保持测试时接触压力在允许的范围内，避免因接触压力的失控而产生的测量偏差。另外，将沿着探头手柄连接薄膜压力传感器5与控制芯片6的散乱杜邦线通过轧带捆绑在超声探头3手柄上。

机械手为六维可控机械手，可通过两个转向轮精确的控制超声波探头3的上下左右移动，以及360°圆盘对探头进行角度调节。在该机械手和深度相机构成的扫描应用场景中，用深度相机10拍摄人体，获取数据，经处理后获得三维模型。超声探头3安装在一个六维可控机械手上。通过计算机1控制机械手根据深度相机10所获取的人体三维形状自动定位到受检部位进行扫描获取超声影像。

如图4，本设计为了能够实现深度数据的快速获取，人体减少因扫描时间过长而产生的晃动误差，采取 3 台 Kinect深度相机10同时获取人体深度图像的方法，既减少了数据获取时间，同时也减小了误差，提高了精度。3 台 Kinect深度相机9 分别从左前方，右前方，正上方三个位置同时获取人体数据，每台设备主视线成大约 60度夹角，这样三台设备可以分别捕获人体不同方位的深度数据。

如图5，为三维人体建模过程，图6，为三维人体重建系统结构；三位重建系统的工作主要分为四个过程: 深度相机标定，深度相机深度数据获取和点云转化，多组点云数据融合，三维人体建模。

采用本实用新型的通过检测超声探头3表面所受压力建立形变模型校正按压姿势的装置进行无损超声检测时。将减少因操作人员经验不足导致检查结果出现误差，无需操作人员，可通过目测计算机上建立的三维模型进行自动定位，自动扫描探头将依据三维模型自主对焦受检部位，对患者进行精准检查，并通过压力反馈，判断操作是否有误，若有误，计算机发出调整指令，控制机械手调整按压方向、角度及力度，以保持测试时接触压力在允许的范围内，从而避免因接触压力的失控而产生的测量偏差。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超声探头表面压力检测装置，其特征在于，包括深度相机、计算机、机械臂和设置有压力检测机构的超声探头，深度相机用于建立受检部位的三维模型，根据受检部位的三维模型，机械手将超声探头自动定位到受检部位，压力检测机构用于反馈压力，来调整超声探头的按压位置、方向、角度与力度；

所述压力检测机构包括设置在超声探头检测端的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器的数量为6个-16个，薄膜压力传感器等间距嵌入固定在超声探头检测端的两侧，薄膜压力传感器通过导联线连接控制芯片，控制芯片固定在超声探头的手柄内部。

2.根据权利要求1所述的一种超声探头表面压力检测装置，其特征在于，控制芯片通过WIFI无线传输压力数据至计算机。

3.根据权利要求1所述的一种超声探头表面压力检测装置，其特征在于，所述压力检测机构内部还设置有供电模块，供电模块采用独立供电和无线充电的供电模式。

4.根据权利要求1所述的一种超声探头表面压力检测装置，其特征在于，还包括床板，所述床板的正上方设置有固定杆，所述固定杆的下端设置有深度相机，所述固定杆的侧壁上固定设置有两个相互对应的电动伸缩杆，所述电动伸缩杆为倾斜设置，电动伸缩杆的伸缩端固定安装有深度相机。

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