[發明專利]一種旋轉掃描機械裝置、三維超聲成像系統及方法

在審

• 申請號: 202110507599.8
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113349820A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 萬明習;姜力元;張博;許磊;于建軍;郭昊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 房鑫

一種旋轉掃描機械裝置、三維超聲成像系統及方法，旋轉掃描機械裝置包括夾具，夾具的內部開設有用于安裝超聲探頭的內腔，內腔的壁面加工有階梯凹槽，超聲探頭安裝在內腔中被階梯凹槽限位，超聲探頭的檢測端由夾具的底部露出，夾具的頂部連接圓形伺服電機，超聲探頭與圓形伺服電機的軸心在同一直線上，圓形伺服電機能夠帶動超聲探頭旋轉；超聲探頭的檢測端設置壓力監測裝置。三維超聲成像系統包括所述的旋轉掃描機械裝置以及信號傳輸和處理模塊、超聲成像裝置和上位機，旋轉掃描機械裝置的超聲探頭以及壓力監測裝置與超聲成像裝置相連。本發明具有結構簡單，使用方便，三維重建效果好，經濟成本低和使用范圍廣的特點，能產品化推廣到臨床應用中。

技術領域

本發明屬于超聲成像領域，涉及一種實時壓力監控的小區域三維超聲成像系統及方法。

背景技術

超聲成像技術由于其低成本、無電離輻射、實時性以及便攜性等特性，與磁共振(MRI)、計算機斷層成像(CT)、正電子發射計算機斷層成像(PCT-CT)并列稱為四大醫學影像技術。目前臨床上最成熟的超聲應用是二維超聲，但是其僅能顯示器官的一個切面，無法實時顯示該器官的完整結構和位置，使得檢查結果與圖像質量完全依賴超聲科醫生的技術水平，不同的醫生可能得到結果不同甚至完全相反的結論，這大大提高了誤診事故發生的概率。

因此，在此基礎上提出了三維超聲成像技術，現有的三維超聲成像技術有以下三種：

一種是基于面陣超聲探頭直接進行三維重建，該方法的優點是一次掃描即可得到三維數據；缺點是由于制作工藝的限制，探頭的掃描角度和分辨率受限，同時3D空間位置是相對于探頭的，探頭移動之后無法根據定位信息得到相應的空間坐標，2D面陣探頭中陣元的多通道并行處理技術、超聲波束的快速發射和接收技術以及可視化得到的3D數據等關鍵問題還未很好解決，因此只能在局部有限區域進行直接可視化；第二種是容積探頭，目前臨床上僅用于婦產科；第三種是基于位置傳感器和線陣探頭相結合，通過重建算法來實現三維重建及可視化。常用的定位方式有聲學定位器、光學定位器、機械臂定位器和磁場傳感器。使用傳感器定位的掃描方式的優勢主要體現在：掃描路徑自由且掃查范圍大，可以更好地保障感興趣區域圖像和位置信息采樣的完整性。但是該方法同時也存在操作流程復雜、對環境要求較高等問題。如光學傳感器和聲學傳感器具有高穩定、高精度的優點，但是要求信源和接收器之間沒有遮礙；磁場傳感器常常由于電磁干擾以及金屬的存在而使得跟蹤精度受到影響，導致三維體素網絡失真；用機械臂定位采集數據可以確保定位的高精確和完整掃描路徑，但其體積龐大，視野相對狹小，目前臨床應用的安全性能有待提高。同時，在基于位置傳感器和線陣探頭相結合的超聲掃描三維重建過程中，根據掃描方式的不同，可將其分為平行掃描、機械扇形掃描、機械旋轉掃描和自由掃描。其中，機械旋轉掃描方式通過將探頭固定于電動機旋轉軸上，由電動機帶動探頭繞固定的旋轉軸旋轉來采集掃描區域圖像，保證每張采集圖像平面夾角相同且旋轉軸垂直于探頭振源方法。在這種掃描方式中，從采集到的圖像空間位置可以得到采集到的圖像像素在空間中也為非均勻分布，在靠近旋轉軸區域采樣像素點較密，分辨率小，在遠離旋轉軸區域采樣像素點稀疏，分辨率大。探頭旋轉掃描角度越大，則遠離旋轉軸區域的圖像分辨率差，因此需要控制旋轉掃描角度保證遠離旋轉軸區域的圖像分辨率不會明顯降低；同時在圖像采集過程中需要病人保持一個姿態，不能有明顯的晃動，因此需要控制一次掃描時間盡可能地短。旋轉掃描方式在臨床上的實際用途包括：1)高強度聚焦超聲診療過程中的軸向小目標區域監控；2)人體小部位區域的自動掃描三維成像。

綜上所述，三維重建技術可以克服操作者的偏見，減少對操作者經驗知識的依賴性，得到相對真實的診斷結果；在一次機械旋轉三維掃描的過程中，可以實現軸向小目標區域的監控與掃描三維重建，同時需要考慮掃描時間、掃描頻率和電機轉速等因素的影響。由于現有的機械旋轉三維掃描方式并未考慮掃描過程中壓力的改變對重建結果的影響，以及現有三維重建方式操作流程復雜、不便于臨床醫生進行實際操作的問題，導致其在臨床并沒有獲得廣泛應用。因此，臨床上迫切需要一種實時壓力監控的小區域三維超聲成像系統及方法。

發明內容