一种双平面超声换能器探头及其换能器位置的设置方法与流程

1.本发明涉及超声换能器技术领域，具体涉及一种双平面超声换能器探头及其中换能器位置的设置方法。

背景技术：

2.为了解决穿刺导引时针或针尖的精确定位问题，国内外研究人员提出了双平面超声换能器。传统的双平面超声换能器的两个超声换能器采用t型或l型排列。无论是t型还是l型双平面超声换能器，它们的两个线阵换能器保持完全垂直的相对位置关系，因此t型或l型双平面超声换能器的两成像平面保持垂直。附图1展示了t型双平面超声探头的成像平面。换能器1的成像平面对应于平面内视图，穿刺器械的轮廓可以在此成像平面内完全被显示，但是不能展示出穿刺器械和周围组织在横切面的相对位置关系。换能器2的成像平面对应于平面外视图，它与平面内视图互相正交，所以在此成像平面内可以显示穿刺器械与周围组织在横切面的相对位置关系。在采用t型或者l型双平面超声换能器进行穿刺导引时，穿刺针首先出现在换能器1对应的成像平面内，穿刺针可能会由于部分容积效应或者穿刺针的针尖跑出换能器1的声束扫查范围而无法在成像平面内观察到它的位置偏离。超声换能器在被动孔径方向的声场并不是严格的“切片”而是有一定厚度的切片。因此超声成像平面显示的图像是垂直于成像平面方向上且一定范围内的信息叠加，这在医学超声领域被称为部分容积效应。当穿刺针继续进针直到出现在换能器2对应成像平面内时，穿刺针与周围组织的位置关系才能被确定，此时如果穿刺针发生了偏离就不能不重新穿刺。这一过程增加了穿刺时间以及穿刺失败率并且可能已经给周围组织带来损伤。因此，传统的t型或者l型双平面超声换能器不具备实时纠正穿刺针进针路径的能力。
3.现有技术中可以通过采用完整面型的阵列换能器实现双平面超声成像，其效果虽然好，但是上万通道的面阵以及成像成本限制其无法被广泛普及。
4.现有技术中也存在其他的改进方式。例如实用新型专利202122239361.x公开了一种双平面超声换能器探头装置，通过改变两个换能器的夹角及换能器与基座的夹角，使得能够在个平面同时看到穿刺针，导引穿刺。但是其只能改变两个换能器的夹角及换能器与基座的夹角，无法准确根据穿刺要求改变角度，会造成某些目标无法穿刺；且其中两个换能器之间的夹角及换能器与基座的夹角取值依赖于经验，在使用时需要医生将探头贴在被检部位进行手动进行尝试和调整，造成使用非常不便利；同时两个换能器之间的夹角及换能器与基座的夹角分别独立调整，两者之间并无关联性，也导致在实际使用时医生很难到一种与其具体的穿刺目标相匹配的探头设置，使得穿刺导引的准确度降低，并且增加了穿刺失败的可能性。
5.为了解决上述问题，本发明提出了一种新型双平面超声换能器探头的构造方法，通过对单平面换能器在三维坐标系中的位置进行变换，以构造具有两个换能器的双平面探头，其中位置变换包括一个水平移动变换和三个方向的角度变换，使得探头的两个换能器的之间夹角可调，并且与水平面的两个角度可调。可以根据身体部位的穿刺要求设计最优
的双平面穿刺探头。该两个换能器的扫查平面相交在进针路径上，从而可以从不同的维度对穿刺针的进针过程进行显示，并相互实时纠正穿刺针在各自换能器的被动孔径方向上发生的偏离，并且所有的角度关系，通过数学表达式互相转化，并且根据不同的应用场景，指导双平面换能器探头的设计，能够快速自动地对换能器参数精确设置，使其与具体的穿刺目标相匹配，提高了穿刺导引的精确度。

技术实现要素：

6.本发明提出了一种双平面超声换能器探头及其中换能器位置的设置方法，通过对单平面换能器在三维坐标系中的位置进行变换，以构造具有两个换能器的双平面超声换能器探头，该两个换能器的扫查平面相交在进针路径上，从而可以从不同的维度对穿刺针的进针过程进行显示并相互实时纠正穿刺针在各自换能器的被动孔径方向上发生的偏离。
7.一种双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法，以正对人体组织并贴合皮肤的单平面超声换能器为基础，对该单平面超声换能器在三维坐标系中的位置进行变换，以计算双平面超声换能器探头中两个换能器的位置，其特征在于包括以下步骤：
8.s1：将单平面超声换能器置于正对人体组织并贴合皮肤的位置，以皮肤表面为xoy平面建立平面直角坐标系，使得单平面超声换能器的一个顶点位于原点，其长轴位于x轴正方向，短轴位于y轴负方向，其中超声换能器的长轴为其长边，即主动孔径方向，短轴为超声换能器的宽边，即被动孔径方向，单平面超声换能器的位置为初始位置(x,y,z)；
9.s2：将初始位置的超声换能器沿着y轴负方向平移δ，平移后的超声换能器位置坐标为 (x,y-δ,z)
t
；
10.s3：使超声换能器绕着短轴顺时针旋转α度，此时短轴与y轴重合，该变化对应的换能器坐标等于平移后的换能器坐标右乘绕y轴的旋转矩阵ry，ry的表达式为：
[0011][0012]
s4：使换能器绕长轴旋转β度，该旋转可以分解为下列过程：首先将换能器绕y轴旋转，使其一长边与x轴重合，然后将换能器绕着x轴顺时针旋转β度，最后通过绕y轴还原旋转的逆变换得到换能器p1的坐标，这一系列变换的总变换矩阵h如下：
[0013][0014][0015][0016]
其中是r
y1
的逆矩阵；
[0017]
s5：对超声换能器p1的位置做镜像操作获得换能器p2的几何位置，镜像平面与xoy平面垂直且其与p1的长轴在xoy平面投影的夹角(即与x轴的夹角)为此时镜像平面的单位法向量为镜像平面的单位法向量为时对应的镜像矩
阵为
[0018][0019]
即
[0020][0021]
换能器p1的坐标右乘以q得到p2换能器的坐标；
[0022]
s6：使用超声换能器p1和p2作为双平面超声换能器探头的两个换能器组件。
[0023]
优选的，其中超声换能器p1和p2可以分别为线性换能器或凸阵换能器或相控阵换能器。
[0024]
优选的，其中双平面超声换能器的参数δ、α、β、γ根据盲区深度和进针角度进行调整。
[0025]
优选的，其中双平面超声换能器的参数范围为δ≥4mm，α≤10
°
，β≤20
°
，且γ在90
°
附近。
[0026]
优选的，其中双平面超声换能器用于肾脏穿刺活检时，其参数设置为δ＝4mm，α＝ 10
°
，β＝20
°
以及γ＝90
°
。
[0027]
本发明还提出了一种双平面超声换能器探头，包括两个超声换能器，其中使用如上所述的双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法设置两个超声换能器的位置，两个换能器的扫查平面的交线为进针路径的导引线。
附图说明
[0028]
根据以下结合附图对实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面将变得明显并且更易于理解，在附图中：
[0029]
图1是展示了t型双平面超声探头的成像平面。
[0030]
图2是l/t型双平面超声换能器和新型双平面超声换能器的几何关系。
[0031]
图3是新型的双平面超声换能器几何结构。
[0032]
图4是双平面超声换能器构造过程。
[0033]
图5是超声穿刺导引下穿刺路径的盲区深度、进针角度示意图。
[0034]
图6是双平面超声换能器的构造参数对进针路径的影响。
具体实施方式
[0035]
图2展示了传统的l型或者t型双平面超声换能器与新型双平面超声换能器的几何关系，图中的主换能器与l/t型探头的辅助换能器共同组成l/t型双平面超声换能器，而主换能器与改进探头的辅助换能器共同构成新型的双平面超声换能器。图中的绿线表示进针路径， l/t型双平面超声换能器和新型的双平面超声换能器在此进针路径上对穿刺针进行辅助导引，紫小球代表穿刺目标，两边的蓝箭头代表穿刺针与穿刺目标的相对偏移。对于l/t 型双平面超声换能器，主换能器对应的扫查平面可以观察到穿刺针的整个进针过
程，但是 l/t型探头的辅助换能器只能显示进针路径与其扫查平面相交的一个点，并根据此点在辅助换能器的超声成像中的位置纠正在主换能器的被动孔径方向上穿刺针与穿刺目标出现的偏离。l/t型双平面超声换能器的这个成像方式没有充分利用辅助换能器带来更多的穿刺针在不同维度的位置信息。基于这一认识，提出了一种新型双平面探头的设计思路，图中的l/t 型探头的辅助换能器经过几何变换后改变其位置到改进探头的辅助换能器处，它与主换能器对应的扫查平面相交在进针路径上。此时辅助换能器和主换能器一样同样可以在整个进针过程中观察到穿刺针，辅助换能器和主换能器从不同的维度对穿刺针的进针过程进行显示可以相互实时纠正穿刺针在各自换能器的被动孔径方向发生的偏离。
[0036]
由于图2所示的新型超声探头在主换能器正对人体组织且贴合皮肤时辅助换能器已侵入人体组织，在物理上不可实现，因此在上文提出的双平面超声换能器设计思路的基础上，通过对其整体进行旋转得到图3所示的新型双平面超声换能器。它由两个镜像对称的换能器组成，并以两换能器的扫查平面交线为进针路径。
[0037]
图3展示了由单个换能器得到新型双平面超声探头几何结构的设计方法：以一个正对人体组织并贴合皮肤的单平面换能器为基础，对换能器做平移，并在俯仰，滚转自由度上做旋转操作获得换能器1，然后，换能器1关于一个镜像平面做镜像对称操作获得换能器2的位置，该镜像平面是与换能器1成一定偏航角。通过如上的几何变换操作，即可获得双平面换能器两换能器的几何构型。
[0038]
下面将给出双平面超声换能器的具体构造过程。为了讨论方便，首先定义超声换能器几何变换过程中使用到的参数。长轴定义为超声换能器的长边，即主动孔径方向，而短轴定义为超声换能器的宽边，即被动孔径方向，其中换能器的长轴和短轴大小分别记为a和b。以皮肤表面为xoy平面建立平面直角坐标系，换能器任意位置的坐标记为(x,y,z)
t
。双平面超声换能器的换能器1记为p1而换能器2记为p2。图4描述的几何变换中，黑线围成的长方形表示超声换能器平面的初始状态，它的其中一个顶点位于原点，长轴位于x轴正方向，短轴位于y轴负方向。在几何变换各步骤中，换能器在步骤1中沿着y轴负方向平移距离为δ，步骤2中绕短轴旋转的俯仰角为α，步骤3中绕长轴旋转的滚转角为β。初始状态的超声换能器由几何变换的步骤1～3得到换能器p1的位置。步骤4中p1换能器做关于镜像平面的镜像操作后获得换能器p2的位置，其中镜像平面垂直于xoy平面并且与换能器具有一个偏航角偏航角定义为镜像平面和换能器长轴到xoy平面投影的夹角。
[0039]
为了方便数学分析，使用几何变换矩阵来定量描述从单平面换能器到新型双平面超声换能器的几何变换过程，具体如下：
[0040]
1)首先，初始位置的换能器沿着y轴负方向平移δ，此时平移后的换能器任意位置坐标为 (x,y-δ,z)
t
。
[0041]
2)换能器绕着短轴顺时针旋转α度。此时短轴与y轴重合，所以该变化对应的换能器坐标等于平移后的换能器坐标右乘绕y轴的旋转矩阵ry，ry的表达式为：
[0042][0043]
3)绕短轴旋转后，换能器接着绕长轴旋转了β度。该旋转可以分解为下列过程：首
先将换能器绕y轴旋转，使其一长边x轴重合，然后将换能器绕着x轴顺时针旋转β度，最后通过绕y轴还原旋转的逆变换得到换能器p1。这一系列变换的总变换矩阵h如下：
[0044][0045][0046][0047]
其中是r
y1
的逆矩阵。
[0048]
4)换能器p1做镜像操作获得换能器p2的几何位置，镜像平面与xoy平面垂直且其与p1的长轴在xoy平面投影的夹角(即与x轴的夹角)为此时镜像平面的单位法向量为此时镜像平面的单位法向量为镜像平面的单位法向量为时对应的镜像矩阵为
[0049][0050]
即
[0051][0052]
换能器p1的坐标右乘以q得到p2换能器的坐标。两个换能器将以如图3的几何关系进行放置。
[0053]
用矩阵乘法的形式将各个变换步骤合并，即可得到从单平面换能器初始状态经过平移后分别变换到p1换能器和p2的变换矩阵，称之为构造矩阵r
p1
及r
p2
，两矩阵的表达式为：
[0054][0055]rp2
＝qr
p1
[0056]
由此可见当给定两个单平面超声换能器时，双平面超声换能器由δ、α、β、γ参数决定。
[0057]
除了解决超声导引下穿刺针的精确定位问题之外，还需要考虑双平面超声换能器的实用性对设计的额外要求。不同的应用场景需要不同的换能器几何类型，比如应用于浅表的线性换能器和应用于腹部的凸阵换能器。为了问题的简单化以及项目的有效性评估，双平面超声换能器将以肾脏穿刺活检作为应用场景进行设计，因此双平面超声换能器应符合肾脏穿刺活检要求。以下对双平面超声换能器的设计要求进行了总结，后续的双平面超声换能器将围绕这些要求进行展开。
[0058]
1)换能器与皮肤表面尽可能贴合。
[0059]
2)进针的盲区深度要小于目标深度。
[0060]
3)换能器的尺寸要满足穿刺部分的放置要求。
[0061]
4)尽量减少进针路径长度，减少穿刺对人体的伤害。
[0062]
5)双平面超声换能器适用于肾脏穿刺活检术。
[0063]
6)规划的穿刺路径应尽量保证穿刺目标靠近换能器成像区域的中部。
[0064]
图5展示了在超声穿刺的过程中穿刺针与目标及人体皮肤的几何关系及一些重要的几何参数。在超声探头的设计过程中，主要需要考虑的问题为.。在穿刺过程中，由于超声换能器的扫查角度限制且穿刺针和换能器间存在距离，故穿刺器械在进针一定距离后才会被超声能量覆盖并在成像中显示。这段超声成像监控不到的区域即为进针路径上的盲区，盲区深度应显著小于目标深度。进针角度表示穿刺器械进针路径与皮肤表面的夹角，在穿刺目标深度固定的情况下，进针角度越大，穿刺针在人体组织中需要行进的长度越小。另一方面，对于深度固定的穿刺目标，如果进针角度过大，会导致目标过度偏离换能器扫查平面的中心，不利于超声探头对穿刺目标的显示。
[0065]
在双平面超声成像中，以过短轴中心的两个扫查平面的交线作为穿刺针的进针路径。根据双平面超声换能器的构造原理以及几何参数可以计算出双平面超声换能器的进针路径，进而得到关于进针路径的盲区深度、进针角度。为了方便分析双平面超声换能器的构造参数δ、α、β、γ分别对进针路径的影响，双平面超声换能器的进针路径采用控制变量法分析，考虑其中一个参数对进针路径的影响时，其余参数保持不变，参数保持不变时的参数设置见下表。
[0066]
表1双平面超声换能器几何参数
[0067][0068]
图6分别描述了δ、α、β、γ参数变化时，进针路径的盲区深度、进针角度的变化。由图可得，α参数对进针路径的影响较小，同时由于α是换能器绕短轴旋转的俯仰角因而无法做大角度，所以α参数调整范围受限。β参数主要影响进针角度，较小的β参数能实现一个大的进针角，但β参数过大会导致进针角度过大，不利于穿刺目标在扫查平面的中心显示。γ参数过小会导致盲区深度太大，同时γ参数过大也会导致进针角度过大。出于贴合性考虑，双平面探头上的两换能器靠拢处需要错开一定距离，对应δ参数不能太小。另一方面，在保证贴合性的情况下，继续增大δ参数会导致盲区深度不必要的增加。同时，在双平面超声探头的贴合试验中发现，在δ≥4mm，α≤10
°
，β≤20
°
，且γ在90
°
附近时，探头能保持较好的组织贴合性。
[0069]
为了问题的简单化以及项目的有效性评估，双平面超声换能器将以肾脏穿刺活检作为应用场景进行设计，肾脏穿刺的病灶深度一般在30mm到100mm之间。为了尽可能的减少
穿刺路径长度同时使盲区深度远小于肾脏穿刺的病灶深度，基于上述参数分析确定了双平面超声换能器的δ等于4mm，α等于10
°
，β等于20
°
以及γ等于90
°
。此时双平面超声换能器的盲区深度为9mm，进针角度为64.5
°
，其中盲区深度远小于肾脏穿刺的病灶深度。
[0070]
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。

技术特征：

1.一种双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法，以正对人体组织并贴合皮肤的单平面超声换能器为基础，对该单平面超声换能器在三维坐标系中的位置进行变换，以计算双平面超声换能器探头中两个换能器的位置，其特征在于包括以下步骤：s1：将单平面超声换能器置于正对人体组织并贴合皮肤的位置，以皮肤表面为xoy平面建立平面直角坐标系，使得单平面超声换能器的一个顶点位于原点，其长轴位于x轴正方向，短轴位于y轴负方向，其中超声换能器的长轴为其长边，即主动孔径方向，短轴为超声换能器的宽边，即被动孔径方向，单平面超声换能器的位置为初始位置(x,y,z)；s2：将初始位置的超声换能器沿着y轴负方向平移δ，平移后的超声换能器位置坐标为(x,y-δ,z)
t
；s3：使超声换能器绕着短轴顺时针旋转α度，此时短轴与y轴重合，该变化对应的换能器坐标等于平移后的换能器坐标右乘绕y轴的旋转矩阵r
y
，r
y
的表达式为：s4：使换能器绕长轴旋转β度，该旋转可以分解为下列过程：首先将换能器绕y轴旋转，使其一长边与x轴重合，然后将换能器绕着x轴顺时针旋转β度，最后通过绕y轴还原旋转的逆变换得到换能器p1的坐标，这一系列变换的总变换矩阵h如下：其中，其中，其中是r
y1
的逆矩阵；s5：对超声换能器p1的位置做镜像操作获得换能器p2的几何位置，镜像平面与xoy平面垂直且其与p1的长轴在xoy平面投影的夹角(即与x轴的夹角)为此时镜像平面的单位法向量为镜像平面的单位法向量为时对应的镜像矩阵为即换能器p1的坐标右乘以q得到p2换能器的坐标；s6：使用超声换能器p1和p2作为双平面超声换能器探头的两个换能器组件。2.如权利要求1所述的双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法，其中超声换
能器p1和p2可以分别为线性换能器或凸阵换能器或相控阵换能器。3.如权利要求1所述的双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法，其中双平面超声换能器的参数δ、α、β、γ根据盲区深度和进针角度进行调整。4.如权利要求3所述的双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法，其中双平面超声换能器的参数范围为δ≥4mm，α≤10
°
，β≤20
°
，且γ在90
°
附近。5.如权利要求3所述的双平面超声换能器探头中换能器位置的构造方法，其中双平面超声换能器用于肾脏穿刺活检时，其参数设置为δ＝4mm，α＝10
°
，β＝20
°
以及γ＝90
°
。6.一种双平面超声换能器探头，包括两个超声换能器，其中使用如权利要求1-5中任一所述的双平面超声换能器探头中换能器位置的设置方法设置两个超声换能器的位置，两个换能器的扫查平面的交线为进针路径的导引线。

技术总结

本发明涉及一种双平面穿刺超声导引系统换能器探头及其换能器位置的设置方法。通过对单平面换能器在三维坐标系中的位置进行变换，以构造具有两个换能器的双平面探头，其中位置变换包括一个水平移动变换和三个方向的角度变换，使得探头的两个换能器的之间夹角可调，并且与水平面的两个角度可调。可以根据身体部位的穿刺要求设计最优的双平面穿刺探头。该两个换能器的扫查平面相交在进针路径上，从而可以从不同的维度对穿刺针的进针过程进行显示，并相互实时纠正穿刺针在各自换能器的被动孔径方向上发生的偏离，并且所有的角度关系，通过数学表达式互相转化，并且根据不同的应用场景，指导双平面换能器探头的设计，能够快速自动地对换能器参数精确设置，使其与具体的穿刺目标相匹配，提高了穿刺导引的精确度。提高了穿刺导引的精确度。提高了穿刺导引的精确度。