一种接触式柔性适形超声探头的超声系统及方法

摘要

本发明涉及超声成像检测领域，涉及到一种接触式柔性适形超声探头的超声系统及方法。包括：一柔性探头，包括一柔性探测面、多个探头单元和一软膜传感面；一开关模块；一控制模块，包括：一发射控制单元，用于依次控制探头阵列的探头单元发射超声信号；一接收控制单元，用于依次控制探头阵列的探头单元接收超声信号，对超声信号进行处理，得到超声图像。上述技术方案的有益效果是：通过柔性探头获取超声图像,能够解决因采用刚性探头造成的操作和成像步骤比较复杂的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及超声成像检测领域，涉及到一种接触式柔性适形超声探头的超声系统及方法。

背景技术

近年来，超声成像在疾病监测等研究领域中发挥着极为重要作用，准确便捷地获取超声图像的是保证诊断治疗等操作的基础。

目前常采用刚性探头进行超声成像，然而刚性探头中的探头单元的发射角度、探头单元之间的相对位置均是固定的，因此在进行超声成像时发射超声信号，需要操作人员预先设定刚性探头的位置形状和角度，并同时控制刚性探头不停移动以此获得精确的超声图像，这让超声图像的成像步骤较为繁琐。

发明内容

针对上述的现有技术的缺陷，本发明提供一种接触式柔性适形超声探头的超声系统及方法。

一种接触式柔性适形超声探头的超声系统，用于生成超声图像，其特征在于，包括：

一柔性探头，包括一柔性探测面、多个探头单元和一软膜传感面，所述探头单元用于发射/接收超声信号，所有所述探头单元组成一探头阵列，所述探头阵列设置在所述柔性探测面内，所述柔性探测面与所述软膜传感面连接并随着所述软膜传感面的形变改变而改变，所述软膜传感面中设置一电容传感阵列，所述电容传感阵列用于检测所述软膜传感面的所述形变并获取每个所述探头单元在所述探头阵列中的相对偏转角度；

一开关模块，所述开关模块与所述柔性探头连接，用于依次切换所述探头阵列的所述探头单元发射/接收的状态；

一控制模块，所述控制模块分别与所述柔性探头、所述开关模块连接，所述控制模块中包括：

一发射控制单元，用于获取所述探头单元的相对偏转角度并根据所述相对偏转角度生成对应的延时时间，根据所述延时时间依次控制所述探头阵列的所述探头单元发射所述超声信号；

一接收控制单元，用于依次控制所述探头阵列的所述探头单元接收所述超声信号，并获取所述探头单元的相对偏转角度，根据所述相对偏转角度对所述超声信号进行波束合成和图像处理，得到超声图像。

优选的，所述电容传感阵列中包括：

第一极板；

第二极板，所述第二极板和所述第一极板平行；

第三极板，设置在所述第一极板和所述第二极板之间并与所述柔性探测面连接，所述第三极板与所述第一极板之间具有第一电容值，所述第三极板与所述第二极板之间分别具有第二电容值；

所述第一电容值设置对应的第一初始标准值；

所述第一电容值设置对应的第二初始标准值；

一检测部件，所述检测部件分别连接所述第一极板、所述第二极板和所述第三极板，用于获取所述第一电容值和和所述第一初始标准值的第一差值，以及所述第二电容值和和所述第二初始标准值的第二差值，并根据所述第一差值和所述第二差值获取每个所述探头单元在所述探头阵列中的所述相对偏转角度。

优选的，所述延时时间通过下述公式表述为：

其中，

用于表示所述探头单元的延时时间；

i用于表示所述探头单元在所述探头阵列的行序号， j用于表示所述探头单元在所述探头阵列的列序号；

用于表示所述探头单元与预设的焦点之间的声程；

c用于表示声速。

优选的，所述探头单元与预设的焦点之间的所述声程通过下述公式表述为：

其中，

用于表示所述探头单元与预设的坐标原点之间的空间距离；

用于表示预设的所述焦点的深度；

用于表示所述探头单元与预设的所述坐标原点之间的偏转角度。

优选的，所述接收控制单元包括：

一波束合成部件，所述波束合成部件分别与所述柔性探头、所述开关模块连接，用于获取所述探头单元的相对偏转角度，并通过所述开关模块控制所述探头阵列中每一行的所述探头单元依次接收所述超声信号，根据所述相对偏转角度对所述超声信号进行波束合成并输出；

一信号处理部件，与所述波束合成部件连接，用于接收所述波束合成部件输出的所述超声信号，对所述超声信号进行滤波压缩处理并输出；

一图像处理部件，与所述信号处理部件连接，用于接收所述信号处理部件输出的所述超声信号，并对所述超声信号进行帧相关处理生成所述超声图像。

优选的，所述波束合成部件通过下述公式进行波束合成：

其中，

用于表示波束合成后的所述超声信号；

用于表示所述探头单元接收的所述超声信号；

i用于表示所述探头单元在所述探头阵列的行序号， n用于表示所述探头阵列的行数；

j用于表示所述探头单元在所述探头阵列的列序号， m用于表示所述探头阵列的列数；

用于表示超声波的传播时间；

用于表示所述探头单元的延时时间。

优选的，还包括一客户端，所述客户端与所述接收控制单元连接，用于获取所述超声图像并显示。

一种接触式柔性适形超声探头的超声方法，应用于如上述任意一项所述的超声系统，用于生成超声图像，其特征在于，所述超声方法中包括一柔性探头发射所述超声信号的发射过程；

所述发射过程包括：

步骤A1，发射控制单元通过开关模块控制探头阵列中的探头单元切换至发射状态；

步骤A2，所述发射控制单元获取所述探头单元在所述探头阵列中的相对偏转角度，并根据所述相对偏转角度生成延时时间；

步骤A3，所述发射控制单元根据所述延时时间控制所述探头单元发射超声信号。

优选的，所述超声方法中还包括一所述柔性探头接收所述超声信号的接收过程；

所述接收过程包括：

步骤B1，接收控制单元通过所述开关模块控制所述探头阵列中的所述探头单元切换至接收状态；

步骤B2，所述接收控制单元获取所述探头单元接收的所述超声信号；

步骤B3，所述接收控制单元获取所述探头单元在所述探头阵列中的相对偏转角度，并根据所述相对偏转角度对所述超声信号进行处理，得到超声图像。

优选的，所述步骤B3中包括：

步骤B31，所述接收控制单元中的波束合成部件接收所述超声信号，根据所述相对偏转角度对所述超声信号进行波束合成并输出；

步骤B32，所述接收控制单元中的信号处理部件接收所述波束合成部件输出的所述超声信号，对所述超声信号进行滤波压缩处理并输出；

步骤B33，所述接收控制单元中的图像处理部件接收所述信号处理部件输出的所述超声信号，并对所述超声信号进行帧相关处理生成所述超声图像。

上述技术方案的有益效果是：通过柔性探头获取超声图像,能够解决因采用刚性探头造成的操作和成像步骤比较复杂的问题，减轻检测人员的操作负担。

附图说明

图1为本发明的一种较优实施例中的总结构示意图；

图2为本发明的一种较优实施例中的软膜传感器的结构示意图；

图3为本发明的一种较优实施例中的发射控制单元的结构示意图；

图4为本发明的一种较优实施例中的发射过程的流程示意图；

图5为本发明的一种较优实施例中的接收过程的流程示意图；

图6为本发明的一种较优实施例中的步骤B3的流程示意图。

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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供一种接触式柔性适形超声探头的超声系统，用于生成超声图像，如图1所示，包括：

一柔性探头1，包括一柔性探测面12、多个探头单元111和一软膜传感面13，探头单元111用于发射/接收超声信号，所有探头单元111组成一探头阵列11，探头阵列11设置在柔性探测面12内，柔性探测面12与软膜传感面13连接并随着软膜传感面13的形变改变而改变，软膜传感面13中设置一电容传感阵列，电容传感阵列用于检测软膜传感面13的形变并获取每个探头单元11在探头阵列111中的相对偏转角度；

一开关模块2，开关模块2与柔性探头1连接，用于依次切换所有探头阵列11中的探头单元111发射/接收的状态；

一控制模块3，控制模块3分别与柔性探头1、开关模块2连接，控制模块3中包括：

一发射控制单元31，用于获取探头单元111的相对偏转角度并根据相对偏转角度生成对应的延时时间，根据延时时间依次控制所有探头阵列11中的探头单元111发射超声信号；

一接收控制单元32，用于依次控制所有探头阵列11中的探头单元111接收超声信号，并获取探头单元111的相对偏转角度，根据相对偏转角度对超声信号进行波束合成和图像处理，得到超声图像。

具体地，如上文中所述，在超声成像检测领域中，常使用刚性探头获取超声图像，然而，由于刚性探头中用于发射超声信号的探头单元的发射角度以及探头单元之间的相对位置均是固定的，因此刚性探头进行超声成像时，刚性探头始终以一固定的角度发射超声信号，从而导致操作人员在获得精确的超声图像的过程中，需要预先设定刚性探头的角度并同时控制刚性探头进行移动。由此可见，采用刚性探头进行超声成像时的操作步骤较为繁琐。

现有技术中同样存在柔性探头的应用，其使用过程较刚性探头简便很多，目前的柔性探头常使用在非平整表面的工件检测以及A超检测领域等，操作人员只需要将柔性探头贴合待检测的表面即可获取检测波束信号强度随时间或距离变化的曲线。但是现有技术中的柔性探头并不能用于超声成像检测，其根本原因在于无法实现超声信号在发射和接收过程中的聚焦。

为解决上述缺陷，本技术方案提供一种接触式柔性适形超声探头的超声系统，设置一柔性探头1、一开关模块2和一控制模块3，并于柔性探头1内设置一柔性探测面12、多个探头单元111和软膜传感面13，多个探头单元111组成探头阵列11并设置在柔性探测面12内。当操作人员将柔性探头1贴合在人体表面时，柔性探测面12会随着软膜传感面13发生形变，此时位于软膜传感面13中的电容传感阵列能够检测到软膜传感面13的形变，从而获取每个探头单元111在探头阵列11中的相对偏转角度。控制模块3和开关模块2根据每个探头单元111的相对偏转角度生成对应的延时时间从而控制探头单元111的发射/接收状态，以解决探头单元111在发射/接收过程中的聚焦问题，最终实现柔性探头1获取超声图像的功能。

具体地，多个探头单元111组成一二维的探头阵列11，探头阵列11设置在柔性探测面12内，柔性探测面12与软膜传感面13连接，实际操作中，当操作人员将柔性探头1贴在患者的人体表面时，软膜传感面13会随着人体表面的轮廓产生相应的形变，并带动柔性探测面12发生形变，最终导致每个探头单元11在探头阵列11中形成不同的相对偏转角度。

相应的，为获取探头单元11的相对偏转角度，于软膜传感面13中设置一电容传感阵列，电容传感阵列能够检测软膜传感面13的形变，从而获取探头单元111在探头阵列11中的相对偏转角度并输出至开关模块2，开关模块2根据获取的相对偏转角度控制每个探头单元111的发射/接收状态，考虑到柔性探头1内中的探头阵列11具有多行多列，因此，开关模块2依次对探头阵列11内的每一行的探头单元111的状态切换，在一行内探头单元111全部完成发送超声信号和接收超声信号之后，再进行下一行的探头单元111的发射/接收。

进一步地，为实现探头单元111在发射过程中的聚焦，控制模块3内设置一发射控制单元31，并在发射超声信号时设置一发射的焦点，在柔性探头1进行发射超声信号时，发射控制单元31根据每个探头单元111的相对偏转角度对应生成不同的延时，以控制每组探头阵列11内的所有探头单元111均能够同时达到预设的焦点。

进一步地，探头单元111在接收超声信号时，和发射超声信号类似，同样需要进行聚焦，不同的是发射过程中的焦点是无法动态改变的，而接收过程中的焦点是可以在接收过程中动态改变的。因此，于控制模块3内设置一接收控制单元32，在柔性探头1进行接收返回的超声信号时，根据相对偏转角度，对每组探头阵列11接收的超声信号依次进行处理，实现对超声信号的延时补偿，从而解决柔性探头1在接收过程中的聚焦问题，最终得到超声图像。

通过本技术方案，不仅能够实现柔性探头超声成像的功能，扩大柔性探头1的适用领域，替代部分刚性探头，还能够简化获取超声图像的操作步骤，在具体使用中，操作人员只需要将柔性探头1贴合人体表面，所有探头单元111会实现发射/接收的聚焦，操作人员不需要预先设定柔性探头的位置形状和角度，也不需要控制柔性探头进行移动，同样可以获取完整的超声图像，例如医疗领域应用内，当操作人员需要对患者的肘关节进行超声成像检测时，操作人员只需手持柔性探头1，将柔性探头1贴上肘关节即可获取肘关节的超声图像。

本发明的一种较优实施例中，如图2所示，电容传感阵列中包括：

多个第一极板131；

多个第二极板132，第二极板132和第一极板131平行；

多个第三极板133，设置在第一极板131和第二极板132之间并与柔性探测面12连接，第三极板133与第一极板131之间具有第一电容值，第三极板133与第二极板132之间分别具有第二电容值；

第一电容值设置对应的第一初始标准值；

第一电容值设置对应的第二初始标准值；

一检测部件，检测部件分别连接第一极板131、第二极板132和第三极板133，用于获取第一电容值和和第一初始标准值的第一差值，以及第二电容值和和第二初始标准值的第二差值，并根据第一差值和第二差值获取每个探头单元在探头阵列中的相对偏转角度。

具体地，于软膜传感面13中设置一电容传感阵列，并于电容传感阵列中设置多个第一极板131，多个第二极板132和多个第三极板133，当操作人员将柔性探头1贴合人体时，软膜传感面13会随着人体轮廓产生形变，相应的，柔性探测面12也会随着软膜传感面13的形变而改变，所以此时的第一电容值和第二电容值均会改变，第一差值和第二差值也相应产生改变，根据第一差值和第二差值的改变情况，并结合探头单元111在探头阵列11中的位置，处理得到探头阵列11中的每个探头单元111在对应的每一行的探头单元111内的相对偏转角度。

进一步地，本发明的一种较优实施例中设置两个第一极板131，两个第二极板132和一个第三极板133，在柔性探头1贴合人体表面时，每个探头单元111均具有两个第一差值和两个第二差值，通过差值分析并结合探头单元11在探头阵列11中的位置，即可获取探头单元111的相对偏转角度。

本发明的一种较优实施例中，在获取探头单元111的相对偏转角度后，针对每个探头单元111的延时时间可以通过下述公式计算得到：

（1）

其中，

用于表示探头单元111的延时时间；

i用于表示探头阵列11在所有探头阵列11中的排序序号， j用于表示探头单元111在对应的探头阵列11中的排序序号；

用于表示探头单元111与预设的焦点之间的声程；

c用于表示声速。

本发明的一种较优实施例中，探头单元111与预设的焦点之间的声程通过下述公式表述为：

（2）

其中，

用于表示探头单元111与预设的坐标原点之间的空间距离；

用于表示预设的焦点的深度；

用于表示探头单元111与预设的坐标原点之间的偏转角度。

具体地，发射控制单元31在获取探头单元111的相对偏转角度后，可结合公式（2），设置探头阵列11中的每一行的第一个探头单元11作为坐标原点，建立相应的空间坐标系，从而计算得到探头单元111与预设的焦点之间的声程，随后，发射控制单元31再结合公式（1），即可获取每个探头单元111对应的延时时间。

综上，根据上文中所述，通过软膜传感单元13可以获取柔性探头1在超声扫查中的相对偏转角度，通过相对偏转角度能够处理得到每个探头单元111的延时时间，然后将延时时间作为发射参数，控制每个探头单元111的发射顺序，从而能够解决柔性探头1在超声成像过程中的发射聚焦问题。

本发明的一种较优实施例中，接收控制单元32包括：

一波束合成部件321，波束合成部件321分别与柔性探头1、开关模块2连接，用于获取相对偏转角度，并通过开关模块2依次控制探头阵列11中的每一行的探头单元111依次接收超声信号，根据相对偏转角度对超声信号进行波束合成并输出；

一信号处理部件322，与波束合成部件321连接，用于接收波束合成部件321输出的超声信号，并对超声信号进行滤波压缩处理并输出；

一图像处理部件323，与信号处理部件322连接，用于接收信号处理部件322输出的超声信号，并对超声信号进行帧相关处理生成超声图像。

具体地，如图3所示，波束合成部件321根据相对偏转角度对探头单元111接收的超声信号进行波束合成，处理部件对超声信号进行动态滤波、对数压缩、解调，动态范围的处理，相应的，由于超声信号进行采样处理、模电转换的过程中具有噪声影响，产生的图像不够平滑，因此图像处理部件323会对此时的超声信号进行帧相关、噪声抑制的处理，最终生成超声图像。

本发明的一种较优实施例中，波束合成部件321通过下述公式进行波束合成：

（3）

其中，

用于表示波束合成后的超声信号；

用于表示探头单元111接收的超声信号；

i用于表示探头单元111在探头阵列11的行序号， n用于表示探头阵列11的行数；

j用于表示探头单元111在探头阵列11的列序号， m用于表示探头阵列11的列数；

用于表示超声波的传播时间；

用于表示探头单元111的延时时间。

具体地，探头阵列11内的每一行的探头单元111在发射超声信号后，该行内的探头单元111开始接收返回的超声信号，在该行内的所有探头单元111全部接收完毕后，再进行下一行的探头单元111的发射和接收，可见每行探头单元111最终处理得到的数据之间具有相对偏转角度的关联性。由此，接收控制单元32在进行波束合成时，探头单元111在接收超声信号并进行波束过程中，需要考虑成每个探头单元111的相对偏转角度和位置信息进行几何运算得到声程，再结合公式（2），即可获取波束合成后的超声信号。

综上，波束合成部件321根据获取的柔性探头1在超声扫查中的相对偏转角度，能够处理得到每个探头单元111的延时时间，然后将延时时间作为接收参数，控制每个探头单元111的接收顺序，实现对超声信号的接收补偿，从而能够解决柔性探头1在超声成像过程中的接收聚焦问题。

因此，在解决了发射聚焦问题和接收聚焦问题后，可以将柔性探头1应用在超声扫查和成像技术领域中，作为超声扫查的探测终端使用，从而能够解决现有技术中刚性探头应用在超声扫查和成像领域时的操作和成像步骤复杂的问题。

本发明的一种较优实施例中，还包括一客户端，客户端与接收控制单元32连接，用于获取超声图像并显示。

具体地，为了便与操作人员查看超声图像，进行用户交互，于超声系统中设置客户端，客户端能够获取超声图像并显示。

一种接触式柔性适形超声探头的超声方法，应用于上述的超声系统，用于生成超声图像，超声方法中包括一柔性探头1发射超声信号的发射过程；

发射过程包括：

步骤A1，发射控制单元31通过开关模块2控制探头阵列11中的探头单元111切换至发射状态；

步骤A2，发射控制单元31获取探头单元111在探头阵列11的相对偏转角度，并根据相对偏转角度生成延时时间；

步骤A3，发射控制单元31根据延时时间控制探头单元111发射超声信号。

具体地，如图4所示，柔性探头1中包括探头阵列11，探头阵列11中包括多个探头单元111，在探头单元111发射超声信号时，于步骤A1，发射控制单元31控制探头阵列11内的当前一行的所有探头单元111均切换至发射状态，随后于步骤A2中，发射控制单元31获取当前一行内的所有探头单元111的相对偏转角度，并根据相对偏转角度生成每个探头单元111对应的延时时间，从而于步骤A3中实现当前一行内的所有探头单元111能够同时达到焦点。

本发明的一种较优实施例中，超声方法中还包括一柔性探头1接收超声信号的接收过程；

接收过程包括：

步骤B1，接收控制单元32通过开关模块2控制探头阵列11中的探头单元111切换至接收状态；

步骤B2，接收控制单元32获取探头单元111接收的超声信号；

步骤B3，接收控制单元32获取探头阵列11中的探头单元111的相对偏转角度，并根据相对偏转角度对超声信号进行处理，得到超声图像。

具体地，如图5所示，在探头单元111接收超声信号时，于步骤B1，发射控制单元31控制当前一行内的所有探头单元111均切换至接收状态，随后于步骤B2中，发射控制单元31获取当前一行内的所有探头单元111接收的超声信号，从而于步骤B3中获取探头阵列11中的探头单元111的相对偏转角度，并根据相对偏转角度对超声信号进行处理，得到超声图像。

本发明的一种较优实施例中，步骤B3中包括：

步骤B31，接收控制单元32中的波束合成部件321接收超声信号，根据相对偏转角度对超声信号进行波束合成并输出；

步骤B32，接收控制单元32中的信号处理部件322接收波束合成部件321输出的超声信号，对超声信号进行滤波压缩处理并输出；

步骤B33，接收控制单元32中的图像处理部件323接收信号处理部件322输出的超声信号，并对超声信号进行帧相关处理生成超声图像。

具体地，如图6所示，于步骤B31，波束合成部件321根据相对偏转角度对探头单元111接收的超声信号进行波束合成，于步骤B32，处理部件对超声信号进行动态滤波、对数压缩、解调，动态范围的处理，于步骤B33，此图像处理部件323会对此时的超声信号进行帧相关、噪声抑制的处理，最终生成超声图像。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。