一种三维超声妇科疾病诊断装置的制作方法

本发明涉及超声诊断技术领域，特别是涉及一种三维超声妇科疾病诊断装置。

背景技术：

妇科疾病作为女性的常见病、多发病，需要及时给予有效的治疗，以避免病程延长或恶化给患者带来的影响。但由于妇科疾病中很多疾病不具有特异性症状，及时进行有效、准确的诊断对疾病的发现和治疗具有重要意义。在妇科疾病的各类临床诊断方法中，针对腔内的超声诊断作为一种无创、无痛、方便、直观的有效检查手段得到了广泛的应用。

目前，临床常采用二维超声诊断妇科疾病，以有效获取病变位置图像，但由于图像清晰度较差，对于微小病变的诊断效果不佳，从而导致漏诊、误诊等现象，影响了疾病的治疗。因此，清晰度相对更高、能够更加直观地显示病变部位及周围组织间情况的三维超声技术开始逐渐受到人们的关注，如何利用三维超声技术对患者进行准确有效的疾病诊断是当前的研究重点。

公开号为cn109350111a的专利提供了一种用于超声的影像数据整合系统及方法，该专利将采集到的患者的二维超声影像信息通过建立三维模型、病变标记以及病变对比的方式来评估患者的疾患状况，从而准确地判断及确定患者地病变位置及程度，方便医护人员对患者疾患进行诊断。但由于目前临床上超声影像信息的获取主要是由医生手持超声探头进行检测得到的，存在操作不稳定、一致性差的问题，难以对各截面的二维超声图像进行准确获取，导致获得的二维超声影像在进行三维模型建立时难度较大、准确度不足，从而影响最终诊断结果的准确性。

此外，由于妇科疾病的种类较多，部分疾病不仅临床症状没有表现出明显的特异性，其超声图像也较为相似，导致基于这类超声图像进行妇科疾病诊断时仍存在较大困难，难以准确鉴别疾病种类，导致诊断结果不够准确和全面。

有鉴于此，当前仍有必要提供一种更加准确、全面的三维超声妇科疾病诊断装置，以便对妇科疾病进行更加准确的诊断，辅助医护人员对患者进行及时有效的诊断与治疗。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种三维超声妇科疾病诊断装置，通过在超声探头上增设光学镜头组成检测探头，并设置机械扫描机构准确控制检测探头进行腔内超声诊断，不仅能够使获得的二维超声图像及光学图像具有位置信息，便于准确进行三维重建；还能够利用装置主机内设有的妇科疾病诊断系统将光学图像与超声图像进行融合，从而有效提高超声图像的分辨率，以便获得更加精细的组织结构，对病变区域进行更精准的分割与提取，实现对妇科疾病的准确诊断。

为实现上述目的，本发明提供了一种三维超声妇科疾病诊断装置，包括诊断装置主机、机械扫描机构和检测探头，所述机械扫描机构与所述诊断装置主机通信连接，所述检测探头与所述诊断装置主机电连接；所述机械扫描机构固定于检测床上，所述检测探头可拆卸式安装于所述机械扫描机构上，用于在所述机械扫描机构的带动下进行自动扫描；所述检测探头内设有超声探头和光学镜头，分别用于采集患者的二维超声图像和光学图像；所述诊断装置主机内设有妇科疾病诊断系统，用于对所述机械扫描机构进行控制，并对采集的超声图像和光学图像进行图像处理与分析。

进一步地，所述机械扫描机构包括平移机构和机械臂，所述平移机构包括竖直滑轨、支撑板和滑块，所述机械臂与所述滑块固定连接；所述竖直滑轨有两条，分别固定于所述检测床的两侧，与患者平躺方向平行；所述支撑板与所述检测床的床面平行，并垂直所述竖直滑轨设置；所述支撑板上平行于所述竖直滑轨的两端各设有两个滑轮，所述滑轮嵌入所述竖直滑轨中，沿所述竖直滑轨滚动；所述支撑板上垂直于所述竖直滑轨的两侧各设有一条水平滑轨；所述滑块设于所述支撑板上，与所述水平滑轨滑动连接。

进一步地，所述机械臂为六自由度机械臂，所述六自由度机械臂固定于所述滑块的上表面，所述六自由度机械臂的末端设有夹持机构；所述夹持机构包括电机和夹具，所述电机可拆卸式安装于所述六自由度机械臂的末端，所述电机的驱动端与所述夹具连接，所述夹具用于夹持所述检测探头。

进一步地，所述检测探头包括超声探头、光学镜头、导光光纤和透明外壳；所述超声探头和所述光学镜头朝向一致，所述导光光纤包覆于所述超声探头和所述光学镜头的外表面，所述透明外壳包覆于所述导光光纤的外表面。

进一步地，所述妇科疾病诊断系统包括依次连接的图像采集模块、图像处理模块、疾病诊断模块和输出模块；所述图像采集模块与所述检测探头连接，用于采集所述检测探头获取的图像信息；所述图像处理模块用于对所述图像采集模块采集的图像进行处理，以获取相应图像特征；所述疾病诊断模块用于对所述图像处理模块获取的图像特征进行自动识别与分类，并得出诊断结果；所述输出模块与显示屏连接，用于将所述疾病诊断模块得出的诊断结果进行输出与显示。

进一步地，所述妇科疾病诊断系统还包括控制模块，所述控制模块包括主控制单元和扫描控制单元；所述主控制单元与所述扫描控制单元、图像采集模块、图像处理模块、疾病诊断模块和输出模块分别连接，用于控制各模块或单元的正常运行；所述扫描控制单元与所述机械扫描机构通信连接，用于控制所述机械扫描机构的运动状态。

进一步地，所述图像采集模块包括超声图像采集单元、光学图像采集单元和位置信息匹配单元；所述超声图像采集单元与所述超声探头连接，用于采集二维超声图像；所述光学图像采集单元与所述光学镜头连接，用于采集宫腔内的二维光学图像；所述位置信息匹配单元与所述超声图像采集单元、光学图像采集单元和扫描控制单元分别连接，用于将所述扫描控制单元提供的运动信息与所述超声图像采集单元和光学图像采集单元采集到的图像信息进行匹配，使所述图像采集模块输出的信息包括图像信息和位置信息。

进一步地，所述图像处理模块包括依次连接的预处理单元、三维重建单元、图像融合单元和特征提取单元；所述预处理单元用于对所述图像采集模块输入的图像信息进行滤波去噪、图像增强和图像缩放处理；所述三维重建单元用于将预处理后的图像信息和位置信息转化为三维体数据，进行宫腔的三维图像重建，并分别输出子宫矢状面、冠状面、横断面的超声图像和光学图像；所述图像融合单元用于将所述三维重建单元输出的光学图像融入对应的超声图像中，得到融合超声图像；所述特征提取单元对所述融合超声图像进行图像分割与病灶特征提取，所述病灶特征包括形态特征、分布特征、边缘特征、纹理特征和回声特征。

进一步地，所述疾病诊断模块包括模型训练单元和疾病分类单元；所述模型训练单元基于训练样本的病灶特征进行神经网络模型训练，所述疾病分类单元基于所述模型训练单元训练好的神经网络模型对所述图像处理模块输出的病灶特征进行自动分类，并输出疾病类别；所述疾病类别包括子宫畸形、子宫内膜息肉、子宫内膜增生、子宫肌瘤和子宫内膜癌，所述子宫内膜增生类别包括单纯增生、复合增生和不典型增生，所述子宫肌瘤类别包括黏膜下肌瘤、肌壁间肌瘤和浆膜下肌瘤。

进一步地，所述妇科疾病诊断系统还包括存储模块，所述存储模块与所述控制模块连接，用于对采集到的图像信息、输出的诊断信息以及所述机械扫描机构的运动路径信息进行存储。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置通过在超声探头上增设光学镜头组成检测探头，并设置机械扫描机构准确控制检测探头进行腔内超声诊断，不仅能够使获得的二维超声图像及光学图像具有位置信息，便于准确进行三维重建；还能够利用装置主机内设有的妇科疾病诊断系统将光学图像与超声图像进行融合，从而有效提高超声图像的分辨率，以便获得更加精细的组织结构，对病变区域进行更精准的分割与提取，实现对妇科疾病的准确诊断。

2、本发明通过设置含有平移机构和机械臂的机械扫描机构对检测探头的运动进行控制，不仅能够对检测探头在检测过程中的运动情况进行准确控制，使采集到的图像具有位置信息，便于准确高效地进行三维重建；还能够在患者复查时重复原始的探头检测路径，进行针对性地检查与对比。同时，本发明还能够利用平移机构的大范围移动作用，解决单一机械臂运动范围小、操作不便的问题，使检测过程更加便捷高效。此外，本发明通过将夹具与电机的驱动端连接，能够控制检测探头进行选择，以便进行旋转式扫查，检测方式更加全面。

3、本发明通过设置同时含有超声探头和光学镜头的检测探头，并设置含有图像融合单元的妇科疾病诊断系统对超声图像和光学图像进行融合，从而利用光学镜头获取的光学图像分辨率高的特点，将光学图像融入对应的超声图像中，有效提高融合后得到的超声图像的分辨率，使融合后的超声图像具有更多清晰的组织细节，解决了传统超声图像分辨率低导致的部分疾病难以有效区分的问题，便于对妇科疾病的类别进行更加准确、精细的划分，使诊断结果更加准确、全面。

4、本发明提供的妇科疾病诊断系统不仅能够对采集的超声图像和光学图像进行三维重建与图像融合，还能够通过建立神经网络模型对样本数据进行训练，实现对妇科疾病的自动诊断，极大地提高了检测效率；且本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置易于操作，使用便捷，诊断过程准确高效，能够满足实际应用的需求。

附图说明

图1是本发明提供的一种三维超声妇科疾病诊断装置的结构示意图；

图2是本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置中平移机构的俯视图；

图3是本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置中检测探头的横截面示意图；

图4是本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置中妇科疾病诊断系统的示意图；

附图中各部件的标记如下：1、诊断装置主机；11、显示屏；12、连接线；21、竖直滑轨；22、滑轮；23、支撑板；24、水平滑轨；25、滑块；26、六自由度机械臂；27、电机；28、夹具；3、检测探头；31、超声探头；32、光学镜头；33、导光光纤；34、透明外壳；4、检测床。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例

请参阅图1，本发明实施例提供了一种三维超声妇科疾病诊断装置，包括诊断装置主机1、机械扫描机构和检测探头3，所述机械扫描机构与所述诊断装置主机1基于tcp/ip通信协议建立通信连接，所述检测探头与所述诊断装置主机通过连接线12电连接；所述机械扫描机构固定于检测床4上，所述检测探头3可拆卸式安装于所述机械扫描机构上，用于在所述机械扫描机构的带动下进行自动扫描；所述检测探头3内设有超声探头31和光学镜头32，分别用于采集患者的二维超声图像和光学图像；所述诊断装置主机1内设有妇科疾病诊断系统，用于对所述机械扫描机构进行控制，并对采集的超声图像和光学图像进行图像处理与分析。

结合参与图2，所述机械扫描机构包括平移机构和六自由度机械臂26，所述平移机构包括竖直滑轨21、支撑板23和滑块25；所述竖直滑轨21有两条，分别固定于所述检测床4的两侧，与患者平躺方向平行；所述支撑板23与所述检测床4的床面平行，并垂直所述竖直滑轨21设置；所述支撑板23上平行于所述竖直滑轨的两端各设有两个滑轮22，所述滑轮22嵌入所述竖直滑轨21中，沿所述竖直滑轨21滚动，从而带动所述支撑板23沿所述竖直滑轨21进行滑动；所述支撑板23上垂直于所述竖直滑轨21的两侧各设有一条水平滑轨24；所述滑块25设于所述支撑板23上，与所述水平滑轨24滑动连接；所述六自由度机械臂26固定于所述滑块25的上表面，用于在滑块的带动下沿所述水平滑轨24进行滑动。所述六自由度机械臂26的末端设有夹持机构；所述夹持机构包括电机27和夹具28，所述电机27可拆卸式安装于所述六自由度机械臂26的末端，所述电机27的驱动端与所述夹具28连接，用于驱动夹具28进行旋转；所述夹具28用于夹持所述检测探头3。

结合参阅图3，所述检测探头3包括超声探头31、光学镜头32、导光光纤33和透明外壳34；所述超声探头31和所述光学镜头32的朝向一致，所述导光光纤33包覆于所述超声探头31和所述光学镜头32的外表面，用于为所述光学镜头32提供光线，便于采集到清晰的光学图像；所述透明外壳34包覆于所述导光光纤33的外表面，用于对导光光纤33进行保护，并保证光线透出。

结合参阅图4，本实施例提供的三维超声妇科疾病诊断装置中的妇科疾病诊断系统包括依次连接的图像采集模块、图像处理模块、疾病诊断模块和输出模块；所述图像采集模块与所述检测探头连接，用于采集所述检测探头3获取的图像信息；所述图像处理模块用于对所述图像采集模块采集的图像进行处理，以获取相应图像特征；所述疾病诊断模块用于对所述图像处理模块获取的图像特征进行自动识别与分类，并得出诊断结果；所述输出模块与显示屏11连接，用于将所述疾病诊断模块得出的诊断结果进行输出与显示。

所述妇科疾病诊断系统还包括控制模块和存储模块，所述控制模块包括主控制单元和扫描控制单元；所述主控制单元与所述扫描控制单元、存储模块、图像采集模块、图像处理模块、疾病诊断模块和输出模块分别连接，用于控制各模块或单元的正常运行；所述扫描控制单元与所述机械扫描机构通信连接，用于控制所述机械扫描机构的运动状态；所述存储模块用于对采集到的图像信息、输出的诊断信息以及所述机械扫描机构的运动路径信息进行存储。

具体地，所述图像采集模块包括超声图像采集单元、光学图像采集单元和位置信息匹配单元；所述超声图像采集单元与所述超声探头31连接，用于采集二维超声图像；所述光学图像采集单元与所述光学镜头32连接，用于采集宫腔内的二维光学图像；所述位置信息匹配单元与所述超声图像采集单元、光学图像采集单元和扫描控制单元分别连接，用于将所述扫描控制单元提供的运动信息与所述超声图像采集单元和光学图像采集单元采集到的图像信息进行匹配，使所述图像采集模块输出的信息包括图像信息和位置信息。

所述图像处理模块包括依次连接的预处理单元、三维重建单元、图像融合单元和特征提取单元；所述预处理单元用于对所述图像采集模块输入的图像信息进行滤波去噪、图像增强和图像缩放处理；所述三维重建单元用于将预处理后的图像信息和位置信息转化为三维体数据，进行宫腔的三维图像重建，并分别输出子宫矢状面、冠状面、横断面的超声图像和光学图像；所述图像融合单元用于将所述三维重建单元输出的光学图像融入对应的超声图像中，得到融合超声图像；所述特征提取单元对所述融合超声图像进行图像分割与病灶特征提取，所述病灶特征包括形态特征、分布特征、边缘特征、纹理特征和回声特征。

所述疾病诊断模块包括模型训练单元和疾病分类单元；所述模型训练单元基于训练样本的病灶特征进行神经网络模型训练，所述疾病分类单元基于所述模型训练单元训练好的神经网络模型对所述图像处理模块输出的病灶特征进行自动分类，并输出疾病类别；所述疾病类别包括子宫畸形、子宫内膜息肉、子宫内膜增生、子宫肌瘤和子宫内膜癌，所述子宫内膜增生类别包括单纯增生、复合增生和不典型增生，所述子宫肌瘤类别包括黏膜下肌瘤、肌壁间肌瘤和浆膜下肌瘤。

本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置在开机后即可开始进行疾病诊断，具体包括如下步骤：

s1、图像采集

使患者取膀胱结石位卧于检测床上，医生先沿竖直滑轨21移动支撑板23，再沿水平滑轨24移动滑块25，使位于六自由度机械臂26末端的检测探头3位于患者阴道口处，再通过诊断装置主机上的操作面板对六自由度机械臂26的运动进行控制，进行经阴道腔内超声扫描；在扫描过程中，医生可根据需要控制电机27带动检测探头2进行旋转扫查，以获得不同需要的图像。

所述检测探头采集到的二维超声图像和二维光学图像分别由超声图像采集单元和光学图像采集单元接收后，输入位置信息匹配单元，由位置信息匹配单元将扫描过程中六自由度机械臂26和电机27的运动情况与采集到的超声图像和光学图像进行匹配，从而使每张图像具有对应的位置信息，并将该图像信息和位置信息输入图像处理模块。

s2、图像处理

图像处理模块的预处理单元接收到位置信息匹配单元输出的信息后，对其中的图像信息先进行双边滤波处理，得到去噪图像；再采用灰度变换法对去噪图像进行增强处理，以提高图像的对比度，增强视觉效果；最后对增强后的图像进行缩放处理及灰度归一化，使每张图像均保持相同的尺寸。具体地，在本实施例中，设置缩放处理后的超声图像和光学图像大小均为512×512，灰度值归一化至[0,1]，在其他实施例中该参数可以根据需要进行调整。

经上述预处理后的图像信息及其对应的位置信息输入三维重建单元中进行三维重建，所述三维重建过程包括如下步骤：

s21、将输入三维重建单元的二维图像信息按照其对应的位置信息进行排列，形成图像序列；

s22、采用线性灰度插值法对图像序列中相邻图像对应的像素值进行线性插值，得到各相邻图像对应的灰度数据，从而得到由立方体灰度值组成的三维体数据；

s23、基于步骤s22得到的三维体数据构建宫腔三维图像，所述宫腔三维图像包括三维超声图像和三维光学图像；

s24、对步骤s23得到的宫腔三维图像进行多平面成像，获得所述宫腔三维图像在子宫矢状面、子宫冠状面和子宫横断面的超声图像及光学图像，并输出至图像融合单元。

再由图像融合单元将同一截面对应的超声图像和光学图像进行融合，融合方法如下：

对超声图像和光学图像上各像素点的灰度值进行提取，并将超声图像上像素点(i,j)的灰度值ga(i,j)与对应的光学图像上同一位置的像素点(i,j)的灰度值gb(i,j)按一定比例系数进行叠加，得到融合后的超声图像上像素点(i,j)的灰度值gc(i,j)，从而根据融合后各像素点的灰度值得到融合超声图像。在本实施例中，gc(i,j)＝0.75ga(i,j)+0.25gb(i,j)，在此条件下能够使获得的融合超声图像在充分保留原有超声特征的情况下增加宫腔的表面细节特征，提高融合超声图像的分辨率，便于获得更加精细的组织结构，从而对病变区域进行更精准的分割与提取，实现对妇科疾病的准确诊断。

通过上述方式得到的融合超声图像由图像融合单元输入至特征提取单元，由特征提取单元先按照灰度阈值的不同对输入的融合超声图像进行分割，分别提取到子宫肌层、子宫内膜及其他组织对应的图像；再由特征提取单元对分割后的图像进行病灶特征提取，所述病灶特征包括形态特征、分布特征、边缘特征、纹理特征和回声特征。

具体地，所述形态特征包括子宫轮廓的形状s0与体积v0，子宫内膜的厚度h0及其他异常组织的形状si与体积vi。其中，子宫轮廓或其他组织的形状si根据对应图像轮廓的离心率进行判断：离心率越接近于1，则该组织的轮廓形状越接近椭圆形；离心率越接近于0，则该组织的轮廓形状越接近圆形。子宫或其他组织的体积vi则为图像分辨率与该组织对应的掩模像素数的乘积。

所述分布特征用于描述除子宫肌层、子宫内膜等正常组织外的异常组织在子宫内的分布情况，包括异常组织的数量i及其中心点坐标ci(a,b)。

所述边缘特征用于描述所述异常组织的轮廓平滑情况，由相关系数ri²进行表征；所述相关系数ri²的计算公式如下：

上式中，n为该组织轮廓上像素点的个数，bi为该组织轮廓线上各像素点的纵坐标，bi为根据该组织轮廓线得到的拟合曲线上对应的像素点的纵坐标。其中，所述拟合曲线根据最小二乘法拟合得到。

所述纹理特征用于描述异常组织的表面纹理情况，通过灰度共生矩阵进行提取，提取的特征数据包括角二阶矩mi和对比度ni。其中，角二阶矩mi用于描述组织表面纹理的均匀性，计算公式为mi＝∑a∑b[p(a,b)]²；对比度用于描述组织表面纹理的清晰度，计算公式为ni＝∑a∑b(a,b)²p(a,b)；式中，(a,b)为组织图像上的任一像素点，p(a,b)该像素点的像素值。

所述回声特征用于描述所述异常组织的回声情况，由图像灰度值gi进行表征。

通过对上述形态特征、分布特征、边缘特征、纹理特征和回声特征等病灶特征的提取，所述特征提取单元将作为病灶特征向量输出至疾病诊断模块。

s3、疾病诊断

疾病诊断模块的疾病分类单元接收到特征提取单元输出的病灶特征向量后，利用神经网络模型对所述病灶特征向量进行自动分类，该分类过程包括疾病大类粗分过程和疾病特征细分过程；所述粗分过程得到的分类结果包括正常、子宫畸形、子宫内膜息肉、子宫内膜增生、子宫肌瘤和子宫内膜癌，当粗分结果为正常、子宫畸形、子宫内膜息肉或子宫内膜癌时，直接结束分类，并输出诊断结果；当粗分结果为子宫内膜增生和子宫肌瘤时，则进一步进行细分：所述子宫内膜增生的细分类别包括单纯增生、复合增生和不典型增生，所述子宫肌瘤的细分类别包括黏膜下肌瘤、肌壁间肌瘤和浆膜下肌瘤。

其中，所述神经网络模型需预先进行训练，其训练过程包括如下步骤：

s31、从医院获取患者的腔内超声图像；患者的患病类型包括子宫畸形、子宫内膜息肉、子宫内膜增生、子宫肌瘤和子宫内膜癌，各类疾病选择2000张超声图像作为训练样本；

s32、按照与检测样本相同的方法对各训练样本的病灶特征进行提取；

s33、构建神经网络模型，将病灶特征向量从神经网络模型的第一输入端输入，由第一输出层输出正常、子宫畸形、子宫内膜息肉、子宫内膜增生、子宫肌瘤和子宫内膜癌六类分类结果；再将第一输出层的结果输入第二输入层进行结果检测，使分类为正常、子宫畸形、子宫内膜息肉或子宫内膜癌的结果直接由第二输出层输出，分类为子宫内膜增生和子宫肌瘤的则进一步对病灶特征向量进行分类后再输出。上述训练过程均采用损失函数进行监督训练。

随着本实施例提供的三维超声妇科疾病诊断装置的使用，能够获得更多检测数据，均在存储模块中进行存储，可定期将新的检测数据替代原有训练数据进行训练，以提高神经网络模块的准确度。

s4、结果输出

由输出模块对所述疾病诊断模块输出的疾病分类结果进行识别，并通过显示屏对检测图像及疾病诊断结果进行显示，便于医生进行观察；也可外接打印机进行打印输出，便于医生、患者进行保存。

通过上述方式，本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置不仅能够准确控制检测探头进行腔内超声诊断，使获得的二维图像具有位置信息，便于准确进行三维重建；还能够将光学图像与超声图像进行融合，有效提高超声图像的分辨率，从而获得更加精细的组织结构，以便对妇科疾病的类别进行更加准确、精细的划分，使诊断结果更加准确、全面。此外，本发明能够实现对妇科疾病的自动诊断，极大地提高了检测效率；且本发明提供的三维超声妇科疾病诊断装置易于操作，使用便捷，诊断过程准确高效，能够满足实际应用的需求。

以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。