【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于醫(yī)學(xué)超聲數(shù)據(jù)處理，尤其涉及一種用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法、系統(tǒng)及探頭。
技術(shù)介紹
1、醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)在臨床上具有非侵入性、無(wú)電離輻射、靶向性好、可重復(fù)施治等優(yōu)勢(shì)。a型超聲在測(cè)量眼角厚度、測(cè)量眼軸長(zhǎng)度上已有臨床應(yīng)用。
2、超聲測(cè)距在工業(yè)應(yīng)用較為廣泛，超聲骨測(cè)距原理與工業(yè)超聲測(cè)距儀及超聲無(wú)損探傷原理類似，是通過(guò)識(shí)別超聲發(fā)射波與被測(cè)物(即骨表面)的超聲回波時(shí)間間隔計(jì)算距離。
3、醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)已經(jīng)被視為成熟穩(wěn)定的技術(shù)，研究者持續(xù)探索提高超聲圖像質(zhì)量、開(kāi)發(fā)新的超聲成像技術(shù)。但在醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)結(jié)合新型治療手段上關(guān)注較少。
4、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)及圖像處理技術(shù)，將患者手術(shù)部位虛擬影像模型與實(shí)際手術(shù)部位空間位置進(jìn)行配準(zhǔn)定位，對(duì)智能手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展、提高手術(shù)效率具有重要意義。配準(zhǔn)是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航的關(guān)鍵步驟，將預(yù)先掃描的病人ct(computed?tomography)或mri(magnetic?reso?nance?imaging)圖像空間位置與實(shí)際位置坐標(biāo)匹配，以便準(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)設(shè)手術(shù)程序。傳統(tǒng)的配準(zhǔn)方法通常使用機(jī)械探針有創(chuàng)穿刺入組織將機(jī)械探針的頂點(diǎn)貼緊骨骼表面進(jìn)行坐標(biāo)采集。
5、這種傳統(tǒng)配準(zhǔn)方法的缺點(diǎn)是操作復(fù)雜耗時(shí)較長(zhǎng)且有創(chuàng)，在需要較多點(diǎn)位配準(zhǔn)時(shí)醫(yī)生和患者都需要面臨漫長(zhǎng)的手術(shù)時(shí)間，且有創(chuàng)口患者預(yù)后較差，不易重復(fù)采樣，無(wú)法批量實(shí)時(shí)采樣。
6、有研究者提出利用超聲可替代探針穿刺定位，以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、快速實(shí)時(shí)采樣。但目前還未見(jiàn)利用超聲定點(diǎn)測(cè)量皮膚與
7、通過(guò)上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及缺陷為：計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航中利用機(jī)械探針穿刺進(jìn)入骨頭表面的配準(zhǔn)方法操作復(fù)雜耗時(shí)且有創(chuàng)，在需要較多點(diǎn)位配準(zhǔn)時(shí)醫(yī)生和患者都需要面臨漫長(zhǎng)的手術(shù)時(shí)間，患者預(yù)后較差，這種方法不易重復(fù)采樣，無(wú)法批量實(shí)時(shí)采樣。
8、采用超聲配準(zhǔn)可無(wú)創(chuàng)、快速實(shí)時(shí)配準(zhǔn)，傳統(tǒng)a超，b超儀體積較大、系統(tǒng)接口封閉不便于集成到手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、不利于配準(zhǔn)操作過(guò)程。探頭面積較大導(dǎo)致測(cè)量位置與定位點(diǎn)偏差大、測(cè)量誤差較大。特定部位組織厚度較薄(腳踝)超出傳統(tǒng)a超儀器可測(cè)量范圍。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為克服相關(guān)技術(shù)中存在的問(wèn)題，本專利技術(shù)公開(kāi)實(shí)施例提供了一種用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法、系統(tǒng)及探頭。針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)用超聲儀器應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航定位配準(zhǔn)時(shí)存在的問(wèn)題，本專利技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種專用超聲配準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、精準(zhǔn)、快速實(shí)時(shí)測(cè)量配準(zhǔn)。
2、所述技術(shù)方案如下：用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，包括：
3、s1，微型超聲換能器探頭的發(fā)射陣元向被測(cè)物發(fā)射超聲波，在與發(fā)射陣元陣列軸對(duì)稱布設(shè)的接收陣元接收到發(fā)射陣元發(fā)出的信號(hào)和被測(cè)物發(fā)射回波信號(hào)；
4、s2，接收陣元將接收的多組回波信號(hào)的聲壓轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)v1，將電壓信號(hào)v1進(jìn)行增益的放大，獲得放大電壓信號(hào)v2，放大電壓信號(hào)v2經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除低頻干擾和超聲高次諧波，得到諧波電壓信號(hào)v3，諧波電壓信號(hào)v3通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到回波數(shù)據(jù)d并暫存至單片機(jī)；
5、s3，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令請(qǐng)求數(shù)據(jù)，下位機(jī)將回波數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)并在上位機(jī)進(jìn)行波形顯示，基于骨表面回波檢測(cè)算法計(jì)算得到測(cè)量距離，并自動(dòng)顯示。
6、在步驟s1中，在與發(fā)射陣元陣列軸對(duì)稱布設(shè)的接收陣元接收到發(fā)射陣元發(fā)出的信號(hào)和被測(cè)物發(fā)射回波信號(hào)，包括：第一發(fā)射陣元向被測(cè)物發(fā)射測(cè)距脈沖，第一接收陣元接收到一組回波信號(hào)，第一發(fā)射陣元再次發(fā)射測(cè)距脈沖，第二接收陣元接收到一組回波信號(hào)，第一發(fā)射陣元采樣完成后，第二發(fā)射陣元發(fā)射測(cè)距脈沖，第一接收陣元、第二接收陣元分別各接收到一組回波信號(hào)，微型超聲換能器探頭一次瞬時(shí)采集到1組長(zhǎng)度u＝4096個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)的超聲回波數(shù)據(jù)，依次類推，根據(jù)微型超聲換能器探頭的主控芯片運(yùn)算時(shí)間與實(shí)時(shí)測(cè)量速度需求，將各個(gè)陣元發(fā)射接收的4種組合獲得的4組數(shù)據(jù)作為一個(gè)大組進(jìn)行計(jì)算；
7、第一發(fā)射陣元、第二發(fā)射陣元發(fā)射的超聲測(cè)距脈沖的波形x(t)如下公式：
8、
9、式中，x(t)為超聲測(cè)距脈沖的波形，x(t)為脈沖信號(hào)，f為超聲中心工作頻率，k為脈沖個(gè)數(shù)，t為發(fā)射時(shí)間；
10、超聲中心工作頻率f＝7.5mhz，脈沖個(gè)數(shù)k＝6，脈沖信號(hào)x(t)表示為：
11、
12、式中，a為脈沖信號(hào)幅值，b為發(fā)射脈沖波的序號(hào)。
13、在步驟s3中，骨表面回波檢測(cè)算法基于人體手臂、小腿、膝蓋、腳踝部位，采用a超骨表面距離檢測(cè)用骨表面回波檢測(cè)算法，包括：
14、(1)將采集的4n組超聲回波數(shù)據(jù)前置處理上傳到上位機(jī)，將該數(shù)據(jù)中波形內(nèi)索引n的數(shù)據(jù)記為d1(n)，對(duì)d1(n)進(jìn)行高斯濾波，生成高斯濾波數(shù)據(jù)d2(n)；
15、(2)對(duì)高斯濾波數(shù)據(jù)d2(n)使用希爾伯特變換提取數(shù)據(jù)包絡(luò)線，得到數(shù)據(jù)包絡(luò)線數(shù)據(jù)d3(n)；
16、(3)對(duì)數(shù)據(jù)包絡(luò)線數(shù)據(jù)d3(n)利用動(dòng)態(tài)閾值進(jìn)行二值化，獲得二值化數(shù)據(jù)d4(n)；
17、(4)對(duì)二值化數(shù)據(jù)d4(n)進(jìn)行脈沖寬度識(shí)別保留與發(fā)射波寬度范圍相同的包絡(luò)波段，濾除與發(fā)射波寬度范圍相同的包絡(luò)波段以外的波形；
18、(5)按照強(qiáng)度提取每組數(shù)據(jù)中前5個(gè)包絡(luò)波段，并計(jì)算出所有組中每個(gè)包絡(luò)波的計(jì)算距離dij，其中，i代表不同回波數(shù)據(jù)，j為每組數(shù)據(jù)內(nèi)5個(gè)波段的索引；
19、以包絡(luò)波幅值最大的數(shù)值的索引位置為中心，選取前后10個(gè)點(diǎn)，計(jì)算該波段對(duì)應(yīng)的波段均方值根rij；
20、(6)通過(guò)數(shù)據(jù)間共同特征值進(jìn)行交叉驗(yàn)證篩選出超聲骨回波：將統(tǒng)計(jì)的所有距離值dij分別與其它組的所有距離值做差，將距離差值小于0.5mm的回波段視為同一位置的回波，記作相似距離波段，依次做差將所有相似距離波段分別分組產(chǎn)生若干相似距離組；
21、(7)可信度反饋：利用計(jì)算的幅值可信度、一致性可信度參考指標(biāo)評(píng)價(jià)骨表面、測(cè)量角度對(duì)骨表面距離測(cè)量產(chǎn)生的影響。
22、在步驟(1)中，高斯濾波數(shù)據(jù)d2(n)的表達(dá)式為：
23、
24、式中，σ,μ均為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，σ＝1,μ＝0，e為歐拉數(shù)，高斯模板的長(zhǎng)度為2s+1,s＝2。
25、在步驟(2)中，對(duì)高斯濾波數(shù)據(jù)d2(n)使用希爾伯特變換提取數(shù)據(jù)包絡(luò)線，得到數(shù)據(jù)包絡(luò)線數(shù)據(jù)d3(n)；表達(dá)式為：
26、
27、式中，m為結(jié)果序列的位置索引，n為d2中的位置索引。
28、在步驟(3)中，二值化數(shù)據(jù)d4(n)的表達(dá)式為：
29、
30、式中，t為d3(n)的第一四分位數(shù)。
31、在步驟(5)中，每個(gè)包絡(luò)波的計(jì)算距離dij的表本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，該方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟S1中，在與發(fā)射陣元陣列軸對(duì)稱布設(shè)的接收陣元接收到發(fā)射陣元發(fā)出的信號(hào)和被測(cè)物發(fā)射回波信號(hào)，包括：第一發(fā)射陣元向被測(cè)物發(fā)射測(cè)距脈沖，第一接收陣元接收到一組回波信號(hào)，第一發(fā)射陣元再次發(fā)射測(cè)距脈沖，第二接收陣元接收到一組回波信號(hào)，第一發(fā)射陣元采樣完成后，第二發(fā)射陣元發(fā)射測(cè)距脈沖，第一接收陣元、第二接收陣元分別各接收到一組回波信號(hào)，微型超聲換能器探頭一次瞬時(shí)采集到1組長(zhǎng)度U＝4096個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)的超聲回波數(shù)據(jù)，依次類推，根據(jù)微型超聲換能器探頭的主控芯片運(yùn)算時(shí)間與實(shí)時(shí)測(cè)量速度需求，將各個(gè)陣元發(fā)射接收的4種組合獲得的4組數(shù)據(jù)作為一個(gè)大組進(jìn)行計(jì)算；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟S3中，骨表面回波檢測(cè)算法基于人體手臂、小腿、膝蓋、腳踝部位，采用A超骨表面距離檢測(cè)用骨表面回波檢測(cè)算法，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟(2)中，對(duì)高斯濾波數(shù)據(jù)D2(n)使用希爾伯特變換提取數(shù)據(jù)包絡(luò)線，得到數(shù)據(jù)包絡(luò)線數(shù)據(jù)D3(n)；表達(dá)式為：
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟(3)中，二值化數(shù)據(jù)D4(n)的表達(dá)式為：
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟(5)中，每個(gè)包絡(luò)波的計(jì)算距離dij的表達(dá)式為：
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)Q的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟(7)中，利用計(jì)算的幅值可信度，包括：
9.一種用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)實(shí)施如權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，該系統(tǒng)包括：
10.一種微型超聲換能器探頭，其特征在于，該微型超聲換能器探頭實(shí)施如權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，該微型超聲換能器探頭為4陣元7.5MHz基頻的圓形陣列軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，該方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟s1中，在與發(fā)射陣元陣列軸對(duì)稱布設(shè)的接收陣元接收到發(fā)射陣元發(fā)出的信號(hào)和被測(cè)物發(fā)射回波信號(hào)，包括：第一發(fā)射陣元向被測(cè)物發(fā)射測(cè)距脈沖，第一接收陣元接收到一組回波信號(hào)，第一發(fā)射陣元再次發(fā)射測(cè)距脈沖，第二接收陣元接收到一組回波信號(hào)，第一發(fā)射陣元采樣完成后，第二發(fā)射陣元發(fā)射測(cè)距脈沖，第一接收陣元、第二接收陣元分別各接收到一組回波信號(hào)，微型超聲換能器探頭一次瞬時(shí)采集到1組長(zhǎng)度u＝4096個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)的超聲回波數(shù)據(jù)，依次類推，根據(jù)微型超聲換能器探頭的主控芯片運(yùn)算時(shí)間與實(shí)時(shí)測(cè)量速度需求，將各個(gè)陣元發(fā)射接收的4種組合獲得的4組數(shù)據(jù)作為一個(gè)大組進(jìn)行計(jì)算；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟s3中，骨表面回波檢測(cè)算法基于人體手臂、小腿、膝蓋、腳踝部位，采用a超骨表面距離檢測(cè)用骨表面回波檢測(cè)算法，包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無(wú)創(chuàng)配準(zhǔn)的超聲高精度骨測(cè)距方法，其特征在于，在步驟(1)中，高斯...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：菅喜岐，徐天涯，穆加洋，楊久敏，張艷秋，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津醫(yī)科大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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