一种超声探头标定装置及方法与流程

1.本发明涉及超声图像技术领域，具体涉及一种超声探头标定装置及方法。


背景技术：

2.医学超声成像作为一种廉价、实时的影像学检查方法，在医学中已经有着较为广泛的应用。例如，外科手术导航系统逐渐成为了外科手术中的重要工具，可以显著的提高手术的精准度，减小手术创伤，将术前获取患者的医学影像资料与术中的病灶区域的物理位置信息相叠加，并与带有跟踪装置的手术器械相结合，将直观的将手术区域的实时状态显示出来。现有的超声引导手术导航系统中，需要在超声探头上加装光学参考架或是磁性定位装置，但由于超声探头的种类繁多，且外观没有统一规格，因此会导致加装的光学参考架或磁性定位装置位置不一致，因此在安装后，需要对超声探头进行标定，即在加装的光学参考架或磁性定位装置的位置与超声成像位置之间建立确定的对应关系。
3.当前主要的超声探头标定方法是借助光学跟踪系统或电磁定位系统，使用超声探头扫描定制的标定装置来完成的。现有的超声标定装置中，多采用开放式的容器内部盛纯净水，装置很大，操作不方便。
4.如申请号为cn201510551128.1的中国发明专利公开了“一种超声探头标定体模、超声探头标定系统及其标定方法，在所述超声探头标定体模的上表面的中间位置开设有凹形槽，其侧面开设有若干锥形孔，所述凹形槽内固定连接有二维超声探头，所述锥形孔中插入有ndi穿刺探针，通过超声图像可以获取所述ndi穿刺探针的尖端”，其中涉及的标定装置采用较大的开放装置盛水，同时在水里边放置用于超声显像的标定体模。这种结构如在医院使用很不方便，体积大而且开放式的结构不方便维护。
5.又如申请号为cn201611101392.6的中国发明专利公开了“一种电磁定位与b超一体化探头标定装置及其标定方法，该装置包括水槽和尼龙线，水槽由内外两层共三个透明无顶长方体结构组成，内层水槽包括两个长方体结构，每个内层长方体水槽较大的两个相对面钻有分布同样的孔，外层长方体水槽可容纳两个内层长方体水槽”，其中提到的标定装置也同样的存在开放式结构，体积大的问题，并不是很适合实际推广使用。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声探头标定装置及方法，用于解决背景技术中提到的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明所提供的技术方案，如下：
8.一种超声探头标定装置，包括防护上盖、标定盒主体、标定盒下盖、定位支座和光学参考架，所述标定盒主体内的顶部通过硅胶薄膜进行密封，并用压紧盖压紧，所述标定盒主体的上端活动连接有所述防护上盖，所述标定盒主体的底部与标定盒下盖固定连接；
9.所述标定盒主体上加工有用于安装尼龙绳的定位微孔，所述标定盒主体的内部设有由尼龙绳组成的n型体模，所述尼龙绳在高度方向上共分三层，每层尼龙绳的俯视图投影
均呈字母n型；
10.所述标定盒主体的两侧壁上开设有配准孔，所述配准孔的底部为锥面结构，且每侧配准孔的数量不少于3个，每侧所述配准孔的锥面顶点中至少有3个顶点是相互不共线的，且这3个锥面顶点组成三角形的边长互不相等；
11.所述标定盒主体的前端面上还开设有定位孔和注水孔，所述定位支座通过螺钉固定安装于标定盒主体的前端面上且压盖住所述定位孔和注水孔，所述光学参考架通过锁紧螺栓固定安装于定位支座上，所述锁紧螺栓穿过光学参考架和定位支座后插入至定位孔内，所述光学参考架的端部固定安装有反光球。
12.优选地，所述防护上盖和压紧盖内分别安装有相对应的磁柱。
13.优选地，所述标定盒下盖的上端均匀开设有多个消音孔。
14.优选地，所述注水孔内套设有密封圈，所述定位支座将所述密封圈压紧。
15.优选地，所述标定盒主体的上方设有超声探头，所述超声探头外壳上安装有适配器及参考架，所述超声探头透过硅胶薄膜可以扫描到标定盒主体内部的n型体模，所述适配器及参考架和光学参考架处在光学定位系统的视野范围内。
16.一种超声探头标定方法，包括以下步骤:
17.1)标定准备：往标定盒主体内部注满纯净水，确保内部无气泡。将适配器及参考架安装在超声探头上，并确保安装牢固稳定；
18.2)数据模型导入：将标定装置的3d数据模型导入到软件系统中；
19.3)模型配准：将组装完成的标定装置放置在光学定位系统的视野范围内，使用探针选取标定装置上的3个配准孔，软件系统通过配准孔上的顶点进行配准，使3d数据模型与标定装置实物完全重合，并建立以光学参考架为基准，在光学定位系统下的物理坐标系；
20.4)图像采集：超声探头透过硅胶薄膜并扫描由尼龙绳组成的n型体模，获取超声扫描图像，及当前状态下的适配器及参考架在上一步的物理坐标系下的位置；
21.5)图像提取及计算：通过算法对获取的扫描图像进行自动分割，并提取n型体模在超声图像中形成的9个特征点，并计算每行的特征点之间的距离；
22.6)坐标匹配：通过上一步计算得到的距离与超声标定装置中n型体模的设计参数进行运算，进而将超声探头的扫描平面匹配在n型体模中，至此可以得到超声图像在模型配准时的物理坐标系下的位置，进而得到超声成像位置与超声探头上适配器及参考架之间的对应关系，完成超声探头在光学定位系统下的标定操作。
23.优选地，在步骤3)中选取的3个配准孔之间应满足互不共线，且组成的三角形边长互不相等。
24.优选地，在步骤4)中使用的尼龙绳的直径小于1
㎜
，且尼龙绳表面进行处理使其在纯净水中不会产生小气泡。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26.本发明使用尼龙绳组成的n型体模来进行标定，不需要超声探头的扫描平面与尼龙绳垂直，降低了标定时的操作难度，同时提高了标定效率，并且本发明中的标定装置是内部充满水的封闭结构，体积小，重量轻，探头标定操作更加简单，携带更加方便，能适应更多的实际使用场景。
附图说明
27.下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。
28.图1为本发明中标定装置的结构示意图；
29.图2为本发明中标定装置的剖视视图；
30.图3为本发明中标定装置的俯视图；
31.图4为本发明中n型体模的结构示意图；
32.图5为本发明中标定装置的截面视图；
33.图6为本发明中超声探头标定工作示意图。
34.其中，附图标记具体说明如下：1.防护上盖；2.硅胶薄膜；3.压紧盖；4.标定盒主体；5.标定盒下盖；6.反光球；7.光学参考架；8.定位支座；9.锁紧螺丝；10.尼龙绳；11.磁柱；12.超声探头；13.适配器及参考架；14.光学定位系统；15.密封圈；401.配准孔；402.定位孔；403.注水孔；501.消音孔。
具体实施方式
35.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易的了解本发明的其他优点及功效。
36.须知，本说明书附图所示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
37.如图1和图2所示，本发明提供一种超声探头标定装置，包括防护上盖1、标定盒主体4、标定盒下盖5、定位支座8和光学参考架7，标定盒主体4内的顶部通过硅胶薄膜2进行密封，并用压紧盖3压紧，标定盒主体4的上端活动连接有防护上盖1，标定盒主体4的底部与标定盒下盖5固定连接；
38.如图4所示，标定盒主体4上加工有用于安装尼龙绳10的定位微孔，标定盒主体4的内部设有由尼龙绳10组成的n型体模，尼龙绳10在高度方向上共分三层，每层尼龙绳10的俯视图投影均呈字母n型；
39.如图1所示，标定盒主体4的两侧壁上开设有配准孔401，配准孔401的底部为锥面结构，且每侧配准孔401的数量不少于3个，每侧配准孔401的锥面顶点中至少有3个顶点是相互不共线的，且这3个锥面顶点组成三角形的边长互不相等；
40.如图3和图5所示，标定盒主体4的前端面上还开设有定位孔402和注水孔403，定位支座8通过螺钉固定安装于标定盒主体4的前端面上且压盖住定位孔402和注水孔403，光学参考架7通过锁紧螺栓9固定安装于定位支座8上，锁紧螺栓9穿过光学参考架7和定位支座8后插入至定位孔402内，光学参考架7的端部固定安装有反光球6。
41.本实施例中，防护上盖1和压紧盖3内分别安装有相对应的磁柱11，使得防护上盖1和压紧盖3之间能产生自动吸附的效果，防护上盖1吸附在压紧盖3上，可以防止灰尘进入，
对硅胶薄膜2起到了一定的保护作用。
42.进一步地，标定盒下盖5的上端均匀开设有多个消音孔501，消音孔501可以有效地防止反射对超声探头扫描结果的影响。
43.进一步地，注水孔403内套设有密封圈15，定位支座8将密封圈15压紧，密封圈15提高了密封性能，防止注水孔403渗水。
44.进一步地，如图6所示，标定盒主体4的上方设有超声探头12，超声探头12外壳上安装有适配器及参考架13，超声探头12透过硅胶薄膜2可以扫描到标定盒主体4内部的n型体模，适配器及参考架13和光学参考架7处在光学定位系统14的视野范围内。
45.本发明还提供一种超声探头标定方法，包括以下步骤:
46.1)标定准备：往标定盒主体4内部注满纯净水，确保内部无气泡。将适配器及参考架13安装在超声探头12上，并确保安装牢固稳定；
47.2)数据模型导入：将标定装置的3d数据模型导入到软件系统中；
48.3)模型配准：将组装完成的标定装置放置在光学定位系统14的视野范围内，使用探针选取标定装置上的3个配准孔401，软件系统通过配准孔401上的顶点进行配准，使3d数据模型与标定装置实物完全重合，并建立以光学参考架7为基准，在光学定位系统14下的物理坐标系；
49.4)图像采集：超声探头12透过硅胶薄膜2并扫描由尼龙绳10组成的n型体模，获取超声扫描图像，及当前状态下的适配器及参考架13在上一步的物理坐标系下的位置；
50.5)图像提取及计算：通过算法对获取的扫描图像进行自动分割，并提取n型体模在超声图像中形成的9个特征点，并计算每行的特征点之间的距离；
51.6)坐标匹配：通过上一步计算得到的距离与超声标定装置中n型体模的设计参数进行运算，进而将超声探头12的扫描平面匹配在n型体模中，至此可以得到超声图像在模型配准时的物理坐标系下的位置，进而得到超声成像位置与超声探头12上适配器及参考架13之间的对应关系，完成超声探头12在光学定位系统14下的标定操作。
52.本实施例中，在步骤3)中选取的3个配准孔401之间应满足互不共线，且组成的三角形边长互不相等。
53.由于超声探头的声场会随着扫描深度的增加，而发生扩散现象，尤其是对于扫描具有一定厚度的物体时，成像可能会有失真。所以在本实施例中，在步骤4)中使用的尼龙绳10的直径小于1
㎜
，且尼龙绳10表面进行处理使其在纯净水中不会产生小气泡，提高了扫描结果的准确性。
54.综上，本发明使用尼龙绳组成的n型体模来进行标定，不需要超声探头的扫描平面与尼龙绳垂直，降低了标定时的操作难度，同时提高了标定效率，并且本发明中的标定装置是内部充满水的封闭结构，体积小，重量轻，探头标定操作更加简单，携带更加方便，能适应更多的实际使用场景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
55.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。