一种TEE检查装置、检查系统及成像方法与流程

一种tee检查装置、检查系统及成像方法
技术领域
1.本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种tee检查装置、检查系统及成像方法。


背景技术：

2.观察患者的心脏的状况和功能会是困难的且危险的流程。超声心动图能够通过使用超声成像技术来减轻对患者造成损伤的风险。在超声心动图中，医师使用包括一个或多个超声换能器的超声探头来获得患者的心脏的各种角度的图像，超声换能器以超声波的形式发射超声能量以创建心脏的图像，超声波被由组织结构、血红细胞和其他感兴趣特征产生的中断部分地反射。回波或反射的超声波被超声换能器接收，并且被传输到信号处理器，信号处理器处理所接收的超声回波以产生放置超声换能器的位置附近的心脏的图像。
3.目前的tee检查装置体积大、价格昂贵、每年的维护费用高，这大大增加了医院的成本，由于体积大，导致移动不方便，使得检查或者教学演示都只能在固定的地点，而且现有的tee检查装各设备之间都是通过数据线连接进行数据传输，由于连接线太多会造成缠绕，而且还限制了移动操作范围。


技术实现要素：

4.本发明实施方式的一个目的在于提供一种tee检查装置，其结构简单，体积小，使用方便，成本低。
5.本发明实施方式的另一个目的在于提供一种tee检查系统，其体积小，使用方便，成本低，数据通过无线传输，移动方便。
6.本发明实施方式的再一个目的在于提供一种tee成像方法，其成像效果好，误差小，图像视野宽。
7.本发明的实施方式是这样实现的：
8.本发明的实施方式提供了一种tee检查装置，包括外壳和设置于所述外壳内的控制模块、无线通信模块、电池、电源控制板，所述无线通信模块、所述电池和所述电源控制板均与所述控制模块电连接，所述外壳的前端设有探头连接器，所述外壳内还设有散热器，所述散热器与所述控制模块连接，所述外壳的侧壁在与所述散热器相对应的部位设有散热孔，所述外壳的外侧壁上设有磁性件。
9.可选的，所述外壳内还设有风扇，所述风扇与所述散热器相对应，所述外壳的侧壁在与所述风扇相对应的部位设有进风孔。
10.可选的，所述磁性件的表面覆盖有防护垫。
11.可选的，所述防护垫为硅胶垫。
12.可选的，所述外壳的后端设有挂钩。
13.可选的，所述外壳上还设有usb接口，所述usb接口与所述控制模块电连接。
14.可选的，所述控制模块的处理器型号为stc89c52、rk3288、at89c52或
stc12c5608ad。
15.可选的，所述无线通信模块为gprs收发器或cdma收发器。
16.本发明的实施方式还提供了一种tee检查系统，包括显示设备、超声探头和上述所述的tee检查装置，所述超声探头与所述tee检查装置的探头连接器可拆卸连接，所述显示设备与所述tee检查装置通信连接。
17.本发明的实施方式还提供了一种tee成像方法，包括以下步骤：
18.s1：发射波束形成，通过tee检查装置向超声探头发射脉冲波信号，脉冲波激励超声探头的压电阵元发射出不同相位延迟超声波，在发射聚焦作用下，所有压电阵元发射的波形同时到达需要聚焦强化的区域形成发射聚焦，设定焦点为f；
19.s2：接收波束形成，对焦点f进行回波聚焦，具体为将聚焦强化的区域反射至所有压电阵元的回波进行累加，以提升扫描线的信噪比；
20.s3：幅度变迹，幅度变迹在空间方向对信号进行加权，以降低旁瓣幅度，同时也对主瓣进行拓宽；
21.s4：对s3中的数字信号依次进行正交解调、包络检测和对数压缩处理；
22.s5：成像显示，将处理后的数据进行扫描转换，生成需要显示的图像，并通过显示设备显示出来。
23.可选的，s1步骤中，阵元离焦点f的距离不同，则发射超声波的时间也不同，距离远的阵元先发射，距离近的阵元延迟发射，延迟发射时间的计算方法如下：
24.假设左右两个阵元距离焦点f的距离为l1与l2，焦点f在扫描线上的深度为n，则左右两个阵元至焦点距离与焦点深度的距离差分别为：
25.l
left
＝l1
‑
n
26.l
right
＝l2
‑
n
27.若l
left
＞l
right
，则左边的阵元先发射超声波，右边的阵元延迟t
right
后再发射超声波，延迟时间t
right
为：
[0028][0029]
式中，cc为1540m/s。
[0030]
可选的，s2步骤中，回波累加的计算方法如下：
[0031][0032]
式中，n为焦点f的深度，elements为阵元号，s
e
为阵元e的回波信号，wn为幅度变迹系数，τ
e
为不同阵元与扫描线起始点的焦点回波延迟时间差。
[0033]
可选的，s4步骤中，正交解调经过数字下变频、低通滤波、抽取的过程，将输入的实数信号分解为同相信号i与正交信号q输出。
[0034]
可选的，s5步骤中，扫描转换是对实际扫描像素点周围采用双线性插值法进行插值处理，从而得到需要显示的图像。
[0035]
本发明的有益效果为：
[0036]
本发明实施方式提供的tee检查装，其结构简单，体积小，使用方便，成本低。
[0037]
本发明实施方式提供的tee检查系统，其体积小，使用方便，成本低，数据通过无线传输，移动方便，随地都能进行操作，便于临床检查或教学。
[0038]
本发明实施方式提供的tee成像方法，其成像效果好，误差小，图像视野宽。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
[0040]
图1为本发明实施例一的tee检查装置的结构示意图；
[0041]
图2为本发明实施例二的tee检查系统的结构示意图；
[0042]
图3为本发明实施例三的tee成像方法的算法框架示意图；
[0043]
图4为发射聚焦的示意图；
[0044]
图5为接收聚焦延迟的示意图；
[0045]
图6为幅度变迹的示意图；
[0046]
图7为hamming window曲线示意图；
[0047]
图8为正交解调示意图；
[0048]
图9为fir滤波器幅相特性示意图；
[0049]
图10为脉冲包络检测示意图；
[0050]
图11为对数压缩示意图；
[0051]
图12为扫描转换方式示意图；
[0052]
图13为扫描转换计算示意图；
[0053]
图中：10
‑
检查装置；11
‑
外壳；111
‑
壳体；112
‑
前端盖；113
‑
后端盖；114
‑
散热孔；115
‑
进风孔；116
‑
挂钩；12
‑
控制模块；13
‑
无线通信模块；14
‑
电池；15
‑
电源控制板；16
‑
散热器；17
‑
风扇；18
‑
强磁磁铁；181
‑
防护垫；19
‑
探头连接器；20
‑
显示设备；30
‑
超声探头。
具体实施方式
[0054]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0055]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0056]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
[0057]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0058]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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。
[0059]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，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。
[0060]
实施例1
[0061]
参考图1所示，本发明实施例一提供了一种tee(超声心动图)检查装置10，包括外壳11、控制模块12、无线通信模块13、电池14、电源控制板15。
[0062]
外壳11包括壳体111、前端盖112和后端盖113，前端盖112设置于壳体111的前端，后端盖113设置于壳体111的后端，前端盖112和后端盖113均与壳体111卡接连接，这样便于将前端盖112或后端盖113拆下。
[0063]
控制模块12设置在壳体111内，控制模块12主要用于处理信息。控制模块12的处理器型号可以采用stc89c52、rk3288、at89c52或stc12c5608ad等，本实施例中，控制模块12的处理器型号采用at89c52。at89c52为8位通用微处理器，采用工业标准的c51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主ic内部寄存器、数据ram及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号ir的接收解码及与主板cpu通信等。主要管脚有：xtal1(19脚)和xtal2(18脚)为振荡器输入输出端口，外接12mhz晶振。rst/vpd(9脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。vcc(40脚)和vss(20脚)为供电端口，分别接+5v电源的正负端。p0～p3为可编程通用i/o脚，其功能用途由软件定义。
[0064]
无线通信模块13设置于壳体111内，无线通信模块13用于收发信息，无线通信模块13与控制模块12电连接，无线通信模块13还用于与手持终端和/或后台管理平台通信连接。无线通信模块13可以采用gprs收发器或cdma收发器。本实施例中，无线通信模块13可以选用型号为lssf
‑
gprs dtu的gprs收发器或ls
‑
cdma dtu的cdma收发器。
[0065]
电池14设置于壳体111内，电池14为可充电电池14，电池14与控制模块12电连接，电池14用于为各用电元件提供电力。
[0066]
电源控制板15设置于后端盖113内，电源控制板15与控制模块12电连接，电源控制板15上设有多个控制开关，后端盖113在与控制开关相对应的部位设有通孔，控制开关从通孔处穿出，使用时根据需要打开相应的控制开关即可。
[0067]
后端盖113或壳体111测侧壁上还设有usb接口，usb接口与控制模块12电连接，usb接口用于充电，usb接口还用于与其他设备通信连接以便于传输数据。
[0068]
壳体111内还设有散热器16，散热器16可以采用铝型材散热器，散热器16与控制模块12的发热部件通过导热胶粘接连接，当然也可以焊接连接。壳体111的侧壁在与散热器16
相对应的部位设有散热孔114，这样便于壳体111内产生的热量散发到外界。
[0069]
壳体111内还设有风扇17，风扇17位于散热器16的一端，散热孔114位于散热器16的远离风扇17的一端，风扇17与控制模块12电连接，壳体111的侧壁在与风扇17相对应的部位设有进风孔115，风扇17的设置提高了壳体111内空气的流动性，从而大大提高了散热器16的散热效率，使得控制模块12的温度不会过高，较好的保证了控制模块12的正常工作。
[0070]
壳体111的外侧壁上还设有凹槽，凹槽内设有强磁磁铁18，强磁磁铁18的设置使得tee检查装置10能够吸附在其他物件上。强磁磁铁18的表面覆盖有防护垫181，防护垫181可以采用硅胶制成，也可以是布料制成，防护垫181的设置起到保护tee检查装置10和其吸附的物件不会相互磨损划伤。
[0071]
壳体111的靠近后端盖113的一端还设有挂钩116，挂钩116与强磁磁铁18分别分布在壳体111的相对侧，挂钩116的设置是为了方便悬挂tee检查装置10。
[0072]
前端盖112的前端设有探头连接器19，需要对患者进行检查时，将tee探头与探头连接器19连接即可，tee探头与探头连接器19为卡接连接，这样便于拆卸或更换不同的tee探头进行检查大大提高了tee检查装置10的通用性，节约了成本。
[0073]
实施例2
[0074]
参考图2所示，本发明实施例二提供了一种tee检查系统，包括显示设备20、超声探头30和tee检查装置10。
[0075]
需要说明的是，本实施例中的tee检查装置10可以采用实施例1中的tee检查装置10，其结构、工作原理和产生的技术效果参考实施例1中的相应内容，此处不作赘述。
[0076]
超声探头30与探头连接器19，显示设备20与tee检查装置10通信连接，显示设备20与tee检查装置10可以通过无线网络连接，也可以通过蓝牙连接，或者通过数据线连接，本实施例中，显示设备20与tee检查装置10通过无线网络连接。
[0077]
超声探头30用于插入患者体内进行获取数据。
[0078]
显示设备20用于将检查时生成的图像和数据显示出来，便于医护人员观察。显示设备20可以是显示屏、智能手机或平板电脑等。本实施例中，显示设备20采用智能手机，这样便于使用。
[0079]
本实施例提供的tee检查系统的工作原理如下：
[0080]
将超声探头30从患者的食道放入患者的体内，然后用手握住tee检查装置10进行操作，检查的结果通过计算生成图像并在显示设备20上显示出来，便于医护人员进行观察。
[0081]
该tee检查系统体积小，方便携带或移动，成本低，使用方便，而且能够随时随地进行操作，便于临床检查或教学。
[0082]
实施例3
[0083]
本发明实施例三提供了一种tee成像方法，该成像方法是通过实施例二中的tee检查系统实现的。
[0084]
参考图3所示，该成像方法的算法过程包括前端(front
‑
end)处理、中端(mid
‑
end)处理和后端(back
‑
end)处理3个部分。
[0085]
前端主要是针对rf信号的发射、接收、调理等，中端做基本的数字信号处理，后端针对显示和多普勒做相应算法处理。
[0086]
在超声算法做完后，通常还会进行图像处理，例如锐化、降噪等，然后应用于显示。
[0087]
该方法具体步骤如下：
[0088]
s1：发射波束形成(tx beamforming)，通过tee检查装置10向超声探头30发射脉冲波信号，脉冲波激励超声探头30的压电阵元发射出不同相位延迟超声波，在发射聚焦作用下，所有压电阵元发射的波形同时到达需要聚焦强化的区域形成发射聚焦，设定焦点为f；
[0089]
参考图4所示，虚线为实际扫描线，f为焦点，即要聚焦强化的区域，发射聚焦的原则是，所有阵元发射的波形，同时到达焦点f，形成聚焦。
[0090]
由于各阵元到焦点f的距离不一样，所以在发射开始后，各阵元需要延迟不同的时间，才开始发射，最终形成声波同时到达f的效果，所以，发射聚焦转换为对各阵元发射延迟的计算。
[0091]
假设让图4中最左边阵元和最右边阵元发射的超声波形成聚焦，2个阵元离焦点f的距离为l1与l2，焦点f在扫描线上的深度为n，那么通过计算，可以得到2个阵元至焦点距离与焦点深度的距离差分别为：
[0092]
l
left
＝l1
‑
n
[0093]
l
right
＝l2
‑
n
[0094]
距离差大的则早发射，距离差小的则晚发射，才能达到聚焦效果，这里我们假设l
left
＞l
right
，则最左边阵元需要早发射，最右边阵元需要延迟t
right
后进行发射，延迟时间t
right
为：
[0095][0096]
其中，cc为声速1540m/s，在发射同步触发命令达到后，最左边阵元立即发射，最右边阵元延迟t
right
进行发射，两者发射的超声波可同时达到焦点f，形成发射聚焦。
[0097]
s2：接收波束形成(rx beamforming)，对焦点f进行回波聚焦，具体为将聚焦强化的区域反射至所有压电阵元的回波进行累加，以提升扫描线的信噪比：
[0098]
参考图5所示，接收波束形成与发射波束形成类似，对焦点f进行回波聚焦，即将焦点f反射至所有阵元的回波进行累加，提升扫描线的snr(信噪比)。
[0099]
在图5的坐标图里，扫描线(scan line)为虚线所示，焦点f在扫描线上的深度为n，如果我们要对f做接收波束形成，形成1个聚焦像素点，则有：
[0100][0101]
式中，elements为阵元号，s
e
为阵元e的回波信号，wn为幅度变迹系数，τ
e
为不同阵元与扫描线起始点的焦点回波延迟时间差。
[0102]
上面可以看出，计算出τ
e
，即可对s
e
数据进行正确延迟。
[0103]
设阵元e离扫描起始点距离为d，探头与扫描线夹角为θ，根据余弦定理，可以算出阵元e与焦点f的距离为l：
[0104][0105]
则阵元e与扫描线起始点的焦点回波距离差为：
[0106]
dif(n)＝l(n)
‑
n
[0107]
用距离差除以声速即可得到延迟时间差τ
e
：
[0108][0109]
s3：幅度变迹，幅度变迹在空间方向对信号进行加权，以降低旁瓣幅度，同时也对主瓣进行拓宽；
[0110]
参考图6所示，同一个回波信号，在不同阵元通道上，进行不同的加权，权重最大为1，最小为0，加权后，越靠近焦点的阵元对聚焦贡献最大，越远离焦点的阵元对聚焦贡献最小。
[0111]
加权函数通常为hamming window：
[0112][0113]
其中，e为阵元号，n为最大阵元号。
[0114]
以传统128阵元系统为例，hamming window的变迹曲线如图7所示，假设扫描线在阵元中央，可以看离中心越近的阵元，加权系数越接近1，相反，离中心越远的阵元(探头2端)，加权系数越接近0。
[0115]
s4：对s3中的数字信号依次进行正交解调、包络检测和对数压缩处理；
[0116]
正交解调(demodulation)，广泛用于信号解析领域，它将输入的实数信号分解为同相信号i与正交信号q，方便后续做信号处理。
[0117]
如图8所示，正交解调包含了数字下变频、低通滤波、抽取的过程，最终形成i、q解析信号输出。
[0118]
数字下变频(digital down converter)计算如下：
[0119]
假设输入信号s(t)的解析形式为：
[0120]
s(t)＝i(t)*cos(2πf
c
t)
‑
q(t)*sin(2πf
c
t)
[0121]
基带混频信号为：
[0122][0123]
其中f
c
为发射脉冲中心频率(载频)。
[0124]
对于i路：
[0125][0126]
对于q路：
[0127][0128]
低通滤波(low pass filter)，利用fir结构实现低通滤波，主要用于滤除下变频后的2倍频成分。
[0129]
如图9所示，32tap fir滤波器完成低通滤波，截止频率根据探头带宽可以修改，完成滤波后，输出的iq信号为：
[0130][0131][0132]
抽取(decimation)，经过正交解调后，信号搬移到基带，带宽很小，出于缩小数据量的考虑，要对信号进行抽取，设抽取系数为m，抽取后的iq信号为：
[0133][0134][0135]
包络检测(envelope detection)，b模式为亮度模式，所显示的图像强弱，实际为信号模值大小，所以需要对信号求模，以将整个脉冲回波的包络进行还原。
[0136]
如图10所示，最终要得到的是超声回波脉冲的包络信号，因为之前已经求出iq信号，所以对iq信号进行求模值，即得到包络信号：
[0137][0138]
对数压缩(log compression)，在求出包络后，就是信号真实的强弱变化，但通用显示器的灰度范围通常而0255，而超声包络的变化范围则远远超过255，无法直接适配显示器，所以需要对信号进行强度压缩，以适配显示器进行显示。
[0139]
这里采用对数压缩的方式：
[0140]
s
log
(t)＝a*log
10
(s
env
(t))+b
[0141]
其中a、b为常数，可以根据显示效果进行调整。
[0142]
如图11所示，横坐标为包络强度，纵坐标为对数压缩值，可以看到，随着包络强度数量级增长，对数压缩值增长速率非常缓慢，以此达到数据压缩目的。
[0143]
对数压缩后，数据可以用于显示或者图像处理。
[0144]
s5：成像显示，将处理后的数据进行扫描转换，生成需要显示的图像，并通过显示设备20显示出来。
[0145]
扫描转换(scan conversion)，如图12所示，图12(a)为扫描的真实几何结构，图12(b)为显示屏需要显示的图，图12(c)为解释如何利用图12(a)的像素得到最终显示图。
[0146]
因为真实的扫描线角度任意，而显示器的显示像素为方格，所以需要利用有角度
扫描线，去插值出周边方格的像素点，完成扫描变换，图12(c)中矩形点为实际扫描线像素点，圆形点为插值出的方格像素点。
[0147]
如图13所示，任何采样点a(x，z)，均能以极坐标表示为a(r，θ)，其中
[0148][0149][0150]
假设我们有4个采样点，它们的像素值为：s(i，j)、s(i，j+1)、s(i+1，j)、s(i+1，j+1)。
[0151]
需要插值的方格像素点为p，p在扫描坐标系下的极坐标值为p(rp，θp)，插值方法为双线性插值法。
[0152]
首先计算出双线性插值的权重范围：
[0153]
δr＝|r(i+1)
‑
r(i)|
[0154]
δθ＝|θ(i+1)
‑
θ(i)|
[0155]
在计算出p相对于权重范围的参考权重：
[0156]
rr＝|rp
‑
r(i)|
[0157]
θr＝|θp
‑
θ(i)|
[0158]
将权重进行归一化，得到p的参考权重：
[0159][0160][0161]
第一步，计算出基于r的线性插值x(i)与x(i+1)：
[0162]
x(i)＝s(i，j)*(1
‑
rr
n
)+s(i，j+1)*rr
n
[0163]
x(i+1)＝s(i+1，j)*(1
‑
rr
n
)+s(i+1，j+1)*rr
n
[0164]
第二步，根据第一步插值的结果，进行p点的线性插值：
[0165]
p＝x(i)*(1
‑
θr
n
)+x(i+1)*θr
n
[0166]
通过上述计算，可以获得空间上每一个点的幅度值，通过动态范围压缩以后，就可以获得超声的图像数据，从而得到最终显示图。
[0167]
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。