带旋转定位的体内介入扇扫探头及包含其的超声成像系统

摘要

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种带旋转定位的体内介入扇形探头及包含其的超声成像系统。本发明提供的体内介入扇扫探头包括超声机构和标定机构，超声机构包括具有容腔的外壳以及共同设置在容腔内的超声换能器和伺服电机，标定机构包括相对设置在外壳和超声换能器上的传感器和感应器。当超声换能器相对于外壳进行扇形扫描运动时，感应器或传感器均可作为区间标定单元以获取信号或给予信号，据此得到超声换能器相对于外壳进行扇行扫描运动的角度以及方向切换时的位置。成像主机通过该标定机构获取的位置和角度即可实现对超声换能器扇形扫描运动定位，避免了图像合成时失真问题。

说明书

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种带旋转定位的体内介入扇扫探头及包含其的超声成像系统。

背景技术

对体腔病变进行诊断时，单纯通过组织表面形态变化来推断存在着一定的主观性和局限性。体内介入超声成像技术利用超声探头介入到体内，对血管、消化道、支气管、心脏等体内组织进行超声扫描，能够获得较为清晰、准确的体内组织断层图像，为医生的对症施治提供了客观的依据。

体内介入超声成像装置一般包括成像主机、体内介入超声探头和外部驱动控制单元，外部控制单元的旋转电机产生的旋转运动通过传动软轴传递给超声换能器，从而实现对体内腔道内壁成像。然而，当传动软轴带动超声换能器旋转时，传动软轴的弯曲特点、扭转特点以及与鞘管的摩擦变化等因素均可引起旋转传递的不均匀性，使得成像主机不能准确判断超声换能器旋转的实际位置，从而引起图像失真。

为解决该技术难题，有报道将旋转电机做成微型结构，直接与超声换能器相连接，可消除传动软轴引起的旋转传递的不均匀性。但对扇扫成像装置而言，其旋转电机需要在一定角度范围做往复运动，往复运动本身存在累积误差，尤其是当运动方向发生切换时，由于惯性的存在，旋转电机在旋转周向上将发生震动，从而导致旋转运动更加不稳定，旋转运动误差将更大，该运动误差在微型结构中很难进行检测和控制，成像主机仍无法准确判断超声换能器旋转的实际角度和位置，图像失真问题依然存在。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有的扇扫成像装置因旋转电机往复运动带来不稳定性而无法准确判断超声换能器旋转的实际位置继而导致图像失真的缺陷，从而提供一种能够准确判断超声换能器旋转实际位置的体内介入扇扫探头以及包含该扇扫探头的超声成像装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种带旋转定位的体内介入扇扫探头，包括：

超声机构，包括具有容腔并一端封闭的外壳以及共同设置在所述容腔内的超声换能器和伺服电机，所述伺服电机与所述超声换能器连接以驱动所述超声换能器相对于所述外壳周期性进行扇形扫描运动；

标定机构，包括相对设置在所述外壳和所述超声换能器上的传感器和感应器，所述传感器或所述感应器设置若干以形成对应于扇形扫描运动周向两端的端位标定单元以及分布在所述端位标定单元之间的区间标定单元，所述端位标定单元获取与其相对的所述传感器信号或给予与其相对的所述感应器信号、所述区间标定单元获取与其相对的所述传感器信号或给予与其相对的所述感应器信号，以分别对所述超声换能器相对于所述外壳发生扇形扫描运动的方向切换位置和扇形扫描角度进行标定。

优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，所述传感器与所述感应器之间的信号感应方式选用光感应、磁感应中的一种。

进一步优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，所述端位标定单元与所述伺服电机连接，通过将所述端位标定单元与其相对的所述传感器或所述感应器之间的信号传递至所述伺服电机以控制所述伺服电机进行转向切换。

优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，所述传感器数量为一个并设置在所述超声换能器上，所述感应器数量为若干并设置在所述外壳内壁面。

进一步优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，对应于扇形扫描运动周向两端的所述感应器形成所述端位标定单元，其余所述感应器形成所述区间标定单元，所述区间标定单元在所述端位标定单元之间等间距分布。

进一步优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，所述超声机构还包括供固定所述超声换能器的超声底座、供固定所述传感器的传感底座，所述超声底座、所述传感底座设置在所述伺服电机输出端并同步运动。

进一步优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，所述超声底座上设置有供所述超声换能器安装的第一安装部以及供所述传感底座一端伸入的安装通孔；

所述传感底座凸出于所述超声底座的另一端设置有供所述传感器安装的第二安装部。

进一步优选地，该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，所述超声机构还包括设置在所述容腔内、并供所述传感器伸入的内壳，所述感应器分布在所述内壳上。

本发明还提供一种超声成像系统，包括：

如上所述的带旋转定位的体内介入扇扫探头；

成像主机。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的带旋转定位的体内介入扇扫探头，包括超声机构和标定机构。其中，超声机构包括具有容腔并一端封闭的外壳以及共同设置在容腔内的超声换能器和伺服电机，伺服电机与超声换能器连接以驱动超声换能器相对于外壳周期性进行扇形扫描运动；标定机构包括相对设置在外壳和超声换能器上的传感器和感应器，传感器或感应器设置若干以形成对应于扇形扫描运动周向两端的端位标定单元以及分布在端位标定单元之间的区间标定单元，端位标定单元获取与其相对的传感器信号或给予与其相对的感应器信号、区间标定单元获取与其相对的传感器信号或给予与其相对的感应器信号，以分别对超声换能器相对于外壳发生扇形扫描运动的方向切换位置和扇形扫描角度进行标定。

该结构的带旋转定位的体内介入扇扫探头，将传感器和感应器相对设置在外壳和超声换能器上，当超声换能器相对于外壳进行扇形扫描运动时，感应器或传感器均可作为区间标定单元以获取信号或给予信号，据此得到超声换能器相对于外壳进行扇行扫描运动的角度；当伺服电机运动方向发生切换时，感应器或传感器均可作为端位标定单元以获取信号或给予信号，据此得到超声换能器方向切换时的位置。成像主机通过该标定机构获取的位置和角度即可实现对超声换能器扇形扫描运动定位，消除常规超声探头因伺服电机往复运动以及方向切换时所造成超声换能器旋转运动的实际位置和角度与控制超声换能器扇形扫描运动预设的理想位置和角度的偏差，避免了图像合成时失真的问题。

2.本发明提供的带旋转定位的体内介入扇扫探头，端位标定单元与伺服电机连接，端位标定单元与其相对的传感器或感应器之间的信号传递至该伺服电机，端位标定单元既可以获取伺服电机在方向切换时的位置信号，也可以指令伺服电机进行方向切换，也即，伺服电机的方向切换指令和切换位置获取均由同一设备控制，无需单独设置转向控制装置，减小了误差。

3.本发明提供的带旋转定位的体内介入扇扫探头，区间标定单元在端位标定单元之间等间距分布，当超声换能器相对于外壳进行扇形扫描运动时，作为区间标定单元的若干个感应器依次获取超声换能器各个扫描角度信号，实现了提高标定精度和简化标定计算过程的统一。

4.本发明提供的超声成像系统，包括带旋转定位的体内介入扇扫探头，能够准确判断超声换能器发生扇形扫描运动的在方向切换时的实际位置以及扇形扫描时的实际角度，在图像合成时不会引起图像失真。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1提供的体内介入超声探头结构示意图；

图2为图1中超声机构、标定机构爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的超声换能器的安装方式；

图4为本发明实施例1提供的超声底座结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的超声换能器阵元设置方式示意图；

图6为本发明实施例1提供的端位标定单元、区间标定单元在内壳壁面上分布图；

图7为本发明实施例1提供的传感底座结构示意图；

图8为本发明实施例1提供的端位标定单元、区间标定单元分别获取的端位信号、区间信号示意图；

图9为本发明实施例2提供的成像系统结构示意图；

附图标记说明：

1-体内介入扇扫探头；

11-超声机构；111-外壳；1111-透声窗；112-伺服电机；113-超声换能器；

114-超声底座；1141-第一安装部；1142-安装通孔；115-传感底座；1151-第二安装部；116-内壳；117-轴承；

12-标定机构；121-传感器；122-感应器；123-端位标定单元；124-区间标定单元；

2-成像主机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种带旋转定位的体内介入扇扫探头1，如图1所示，包括超声机构11和标定机构12。

如图1和图2所示，超声机构11包括外壳111、伺服电机112和超声换能器113。外壳111为一端封闭的管状壳体，该管状壳体所形成的容腔用于容纳超声换能器113。

为避免现有技术中伺服电机在通过软轴给超声换能器传动时引起误差的问题，可以从传动材料硬度以及传动距离方面改进，如伺服电机112与超声换能器113通过硬质材料传动，如将二者之间的传动距离进行缩短等等，均可有效消除传动误差。具体地，将伺服电机112全部或至少输出端部分与超声换能器113共同伸入至容腔内并连接，二者之间不再设置较长的软轴，如此在伺服电机112驱动超声换能器113相对于外壳111进行周期性扇形扫描运动时，从一定程度上可减少传动误差。

同时，在伺服电机112输出端设置采用硬质材料制备的超声底座114来固定超声换能器113，如选用有机玻璃、聚乙烯等，本实施例中，超声底座114采用有机玻璃。

为将超声换能器113更好设置在超声底座114上，在超声底座114上设置有供安装超声换能器113的第一安装部1141，如图3所示，第一安装部1141可以为开设在超声底座114侧壁以朝向扇形扫描运动周向的侧凹槽结构，也可以为形成在超声底座114远离伺服电机112输出端的斜前面结构或端平面结构，因此，超声换能器113在超声底座114的安装方式包括：(一)设置在侧凹槽结构的侧视安装，如图3中(a)所示；(二)设置在斜前面结构的斜前视安装，如图3中(b)所示；(三)设置在端平面的前视安装，如图3中(c)所示。本实施例中，超声底座114为圆柱形结构，第一安装部1141为开设在超声底座114曲面侧壁上的侧凹槽结构，即超声换能器113采用侧视安装方式，并沿超声底座114轴心方向开设有安装通孔1142，如图4所示；将伺服电机112输出端伸入至安装通孔1142一端并固定连接，超声换能器113固定在第一安装部1141上，即可实现超声换能器113与伺服电机112输出端同步转动，无传动误差。

如图2所示，在外壳111曲面壁上开设有透声窗1111，该透声窗1111设置位置对应于超声换能器113的扇形扫描区间。

超声换能器113可选自如图5中(a)所示的单阵元型、如图5中(b)所示的阵列型、如图5中(c)所示的凸阵型、如图5中(d)所示的环阵型等，单阵元型主要用于二维超声成像，阵列型主要用于实时三维超声成像。

在伺服电机112驱动超声换能器113往复性扇形扫描运动过程中，往复运动存在累积误差，尤其当伺服电机112旋转方向发生切换时，由于惯性的存在，伺服电机112输出端将在旋转周向上发生震动，从而导致输出端的旋转运动更加不稳定，旋转运动误差将更大，最终将造成成像主机无法准确判断超声换能器113实际的扇形扫描角度和方向切换位置，为此，在该带旋转定位的体内介入扇扫探头上设置标定机构12。

如图1和图2所示，标定机构12包括传感器121和感应器122，传感器121为信号发出端、感应器122为信号接收端，二者相对地设置在外壳11和超声换能器113上，当超声换能器113进行扇形扫描运动时，传感器121和感应器122发生相对运动，通过感应器122接收来自传感器121的信号，即可实现超声换能器113相对于外壳11发生扇形扫描运动的标定。

当超声换能器113往复运动时，其运动周向上的超声波轨迹呈扇形状。为准确检测超声换能器113扇形扫描运动轨迹，需将传感器121或感应器122设置若干，以形成对应于扇形扫描周向两端的端位标定单元123以及分布在端位标定单元123之间的区间标定单元124，如图6所示，也即，可选择传感器121作为端位标定单元123和区间标定单元124，也可选择感应器122作为端位标定单元123和区间标定单元124，只要作为端位标定单元123的传感器121能够给予与其相对的感应器122信号(或者作为端位标定单元123的感应器122能够获取与其相对的传感器121信号)、同时作为区间标定单元124的传感器121能够给予与其相对的感应器122信号(或者作为区间标定单元124的感应器122能够获取与其相对的传感器121信号)，即可实现分别对超声换能器113相对于外壳11发生扇形扫描运动的方向切换位置和扇形扫描角度进行标定。

作为优选的实施方式，如图6所示，传感器121数量为一个，直接或间接地设置在超声换能器上，以实现二者同步；感应器122数量为若干，直接或间接地分布在外壳11内壁面，形成对应于超声换能器113扇形扫描运动区间的端位标定单元123和区间标定单元124。

作为优选的实施方式，在超声机构11内设置有用于固定传感器121的传感底座115以及用于固定感应器122的内壳116，如图2所示。其中，传感底座115与超声底座114共同设置在伺服电机112的输出端，在伺服电机112驱动下同步运动；超声底座114、传感底座115在伺服电机112输出端的设置顺序任意，如在伺服电机112输出端依次设置超声底座114、传感底座115，或者，在伺服电机112输出端依次设置传感底座115、超声底座114，本实施例中，优选在伺服电机112输出端依次设置超声底座114、传感底座115。

该传感底座115呈圆柱形，在其一端部偏离轴心的部位或靠近该端部的侧壁上开设有供固定传感器122的凹槽结构以形成第二安装部1151，如图7所示；优选地，开设位置靠近端部的侧壁。

传感底座115的一端从安装通孔1142一端伸入并固定连接，以使第二安装部1151凸出于超声底座114，同时，伺服电机112输出端从安装通孔1142另一端伸入并固定连接，则实现超声底座114、传感底座115在伺服电机112驱动下同步运动。

如图6和所示，内壳116为固定于容腔内壁面的圆环形壳体，若干感应器122分布在内壳116壁面，形成对应于超声换能器113扇形扫描运动区间的端位标定单元123和区间标定单元124。传感底座115设置第二安装部1151的一端伸入内壳116空间内，以使传感器121与若干感应器122相对设置。

上述传感器121与感应器122之间的信号传递方式选用光感应、磁感应中的一种，也即，传感器121和感应器122可分别采用光发生器、光接收器，或者分别采用磁发生器、磁感应器，等等；本实施例中，传感器121、感应器122分别采用磁发生器、磁感应器，当超声换能器113相对于外壳111运动时，呈扇形分布的若干磁感应器依次接收到磁发生器的磁场参数变化，即可标定超声换能器113运动轨迹。

此处的磁场参数可以为表征磁场的所有参数，如磁感应强度、磁场强度、磁通量、磁能积等，磁发生器产生磁场、磁传感器感受磁场均采用现有技术。

为获取规律变化的磁场参数，磁感应器在内壳116内壁面呈阵列分布，相邻两个磁感应器之间存在间隙，当磁发生器随超声换能器113运动时，磁发生器发出的磁场参数被阵列分布的磁感应器依次接收，即形成以时间为轴的脉冲信号，如图8所示，该脉冲信号包括由端位标定单元获取的端位信号以及由区间标定单元获取的区间信号，其中，端位信号记录超声换能器113在方向切换时相对于外壳111的实际位置，区间信号记录超声换能器113在扇形扫描时相对于外壳111的实际角度，这样成像主机通过该标定机构12获取的位置和角度即可实现对超声换能器113扇形扫描运动定位，消除常规超声探头因伺服电机往复运动以及方向切换时所造成超声换能器旋转运动的实际位置和角度与控制超声换能器扇形扫描运动预设的理想位置和角度的偏差，避免了图像合成时失真的问题。

为获取更多的磁场参数，相邻两个磁感应器的圆心角越小越好，且等间距分布，其圆心角优选0.1°。磁发生器材质可选用永磁体或者铁磁性材料，优选铁磁性材料，通过刻蚀、蒸镀或装配等多种方式嵌设在第二安装部1151上；磁感应器为利用霍尔效应的磁感应器。

在扇形扫描过程中，为防止超声底座114、传感底座115偏离伺服电机112输出端旋转中心线，在伺服电机112与超声底座114之间以及内壳116两端均设置有轴承117，如图2所示，轴承117外圈固定在内壳116内壁面，伺服电机112输出端外径、传感底座115外径等于轴承117内圈内径，通过伺服电机112输出端、传感底座115伸入轴承117内圈，实现了对超声底座114、传感底座115的限位。

为进一步减少传动误差，端位标定单元123与伺服电机112电连接，通过将端位标定单元123获取的磁场参数传递至伺服电机112，端位标定单元123既可以获取伺服电机112在方向切换时的位置信号，也可以指令伺服电机进行方向切换，也即，伺服电机112的方向切换指令和切换位置获取均由同一设备控制，无需单独设置转向控制装置，减小了误差。

实施例2

本实施例提供一种成像系统，如图9所示，包括由实施例1提供的带旋转定位的体内介入扇扫探头1和成像主机2。

成像主机2内部设置有控制模块，通过有线或者无线通信方式分别与伺服电机112、超声换能器113、传感器121、感应器122连接，提供供电、采集数据等功能；本实施例中，采用有线通信方式。

控制模块还与成像主机2的显示器通过有线或者无线方式连接，将超声换能器113采集的信息以图像形式显示，并将传感器121、感应器122采集的信息对图像进行标定后再合成，准确判断超声换能器113实际的方向切换位置和扇形扫描角度，在图像合成时不会引起图像失真。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。