手持式探头仿真超声系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种手持式探头仿真超声系统，其目的在于提供一种保证培训效果的前提下极大地缩短培训时间、成本低，操作简单的手持式探头仿真超声系统，本实用新型所述系统包括手持式探头、人体仿真模型、红外检测装置、传感器、主机、控制装置和显示装置，所述红外检测装置、所述传感器、所述控制装置、所述显示装置分别与所述主机相连；所述手持式探头包括红外发射装置，所述红外检测装置安装在所述人体仿真模型上，所述传感器安装在所述人体仿真模型表层。
【专利说明】手持式探头仿真超声系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及医疗教学、临床技能培训和考核系统领域，尤其是涉及超声医学专业的教学、培训和考核的手持式探头仿真超声系统。
【背景技术】
[0002]超声诊断是一种无创、无痛、方便、直观、有效的病变检查手段，与X线、CT、磁共振成像、核医学并称为五大医学影像技术。相比于其它四种诊断技术，超声设备价格低廉、移动性强、急诊必备，现已成为世界范围内普及最广、应用最多的影像设备，在我国已基本覆盖乡镇级以上的医院。
[0003]目前，随着社会经济发展，日益增长的就诊人数、疾病诊断任务和难度与医院训练有素、思维敏锐、诊断经验丰富的超声诊断医生严重不足这一矛盾日益突出。而，解决这一矛盾的途径之一应当是大力培养满足上述要求的超声专业医生(包括临床诊断医生和准超声诊断医生，如在校本科生、研究生等)和基层超声医生队伍，提闻他们的诊断思维和水平。然而，这是一个费时的过程，而且是资源密集型的，超声专业医生在培训时得到的实践机会越多，在训练过程中经历的病例越多、病种越全，他们的操作技能就越好、诊断思维越清晰、诊断经验越丰富。而这，在现今条件下，是无法满足的，势必影响培养质量。因此，开发适用于教学及临床技能培训的手持式探头仿真超声系统十分必要。
[0004]目前，国外METI公司已经开发出了综合超声虚拟培训系统，能够进行模拟腹部超声、经胸和经食管超声心动图，但是该训练系统不能实时指引用户进行操作、不具备多普勒超声的模拟，同时该设备价格昂贵、与实际超声设备价格相差无几。
实用新型内容
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种保证培训效果的前提下极大地缩短培训时间、成本低，操作简单的手持式探头仿真超声系统。
[0006]为达上述目的，本实用新型手持式探头仿真超声系统，所述系统包括手持式探头、人体仿真模型、红外检测装置、传感器、主机、控制装置和显示装置，所述红外检测装置、所述传感器、所述控制装置、所述显示装置分别与所述主机相连；所述手持式探头包括红外发射装置，所述红外检测装置安装在所述人体仿真模型上，所述传感器安装在所述人体仿真模型表层。
[0007]其中所述手持式探头还包括控制开关，用于控制所述红外检测装置打开和关闭发生红外线。
[0008]其中所述红外发射装置为3个，按比例1:2分别配置在所述手持式探头的两侧。
[0009]其中还包括人体仿真模型，所述红外检测装置安装在所述人体仿真模型背部。
[0010]工作原理:该系统可立体地、多角度地反映用户的操作，其被配置成可提供可视化，能模拟临床超声机器提供的动态扫查特征和视图的可视化，这就是第一视图1 (超声扫描视图图像)，其主要是在电子仿真模型上基于算法得到的具有临床超声扫描图像特征的实时仿真超声图像，可根据手持式探头5和检测设备交互的结果而实时呈现不同的超声图像。优选地，除了第一视图1以外，主机同时提供了反映手持式探头5及其波束与虚拟解剖体的相对关系的第二视图2和反映所述手持式探头5扫描波束在虚拟解剖体上截层的解剖示意图的第三视图3。第二视图2是以虚拟探头11与所述超声扫描视图相关联的身体的位置关系的图形表示，指示手持式探头5相对于虚拟解剖体的相对位置与声波的方向；第三视图3是以与所述超声扫描视图相关联的解剖体的截层的解剖图形表示，指示所述模拟器输入设备的扫描波束平面。优选地，第一视图1、第二视图2和第三视图3是同一虚拟解剖体的三种不同形式再现。
[0011]手持式探头5是模拟常规超声机器的探头，其和检测设备通过红外光的发射与红外光的检测而被配置成这两设备之间的交互，检测设备能够实时检测出手持式探头5的位置、方向和角度，向主机提供由用户操作手持式探头5引起的位置、方向和角度的反馈。根据探测设备的结果，第二视图2中的电子虚拟探头11作为手持式探头5的镜像，实时模拟手持式探头5的位置、扫描方向和角度，立体展现输入设备与虚拟解剖体的相对位置和超声波方向。通过操纵手持式探头5，用户能够改变主机显示的虚拟解剖体的图像的视野和/或视角。这使用户能够通过操纵手持式探头5来执行虚拟(S卩，模拟的)扫描虚拟解剖体的感兴趣区域。当用户移动手持式探头5，用户能够观察由该运动产生的虚拟改变。同时，在用户与系统交互过程中，关于输入设备的运动的数据将被记录，此数据可涉及手持式探头5的位置、方向和角度。
[0012]因此，手持式探头5的运动可实时引起仿真超声训练系统的视图改变，达到模拟临床超声设备，呈现给用户逼真的体验。
[0013]然而，视图图像的改变不仅仅只限于与手持式探头5的移动而同步，其可被设置为第二视图2的调节而不需要手持式探头5的移动。同时，第一视图1、第二视图2和第三视图3之间亦是相互关联的，任一视图的改变亦会引起其它两个视图的相对变化。在第一视图1、第二视图2和第三视图3都被显示的多个实施方式中，优选的是，它们相邻于或接近彼此例如在同一计算机屏幕上的同一窗口中分区域显示，一般以超声扫描视图图像居中，其它视图亦可调节至中央而原来区域由超声扫描视图图像居之。
[0014]当用户想得到某切面而使用手持式探头5无法得到时，用户可根据第三视图3调节第二视图2中的电子模拟探头，得到理想切面后，通过探测设备和手持式探头5之间交互的结果可引导用户操作手持式探头5找到方才自己感兴趣却无法打出的切面时探头的位置、方向和角度。根据此功能，该训练系统被配置有“引导”功能，在系统内我们设置了具有特定疑难病例的虚拟解剖体，并针对此虚拟解剖体配置了一套专家的标准切面扫法，在用户练习过程中，该“引导”功能将引导用户进行整个病例的扫查，帮助用户建立标准、优秀的诊断思维。
[0015]该手持式探头仿真超声系统的控制设备，可提供两种及以上的血流特征参数，例如，它可模拟连续多普勒和脉冲多普勒测量血流流速、阻力指数等；还可模拟至少两种及以上的临床操作过程中的难题，例如，它可提供气体的增减、心律的变化等；同时，还可提供至少两种及以上的临床超声机器特征的表示，例如，它可提供近远场的增益调节、对比度控制
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[0016]因此，该手持式探头仿真超声系统可被称为“仿真超声机器”。[0017]本实用新型手持式探头仿真超声系统与现有技术不同之处在于本实用新型取得了如下技术效果:
[0018](I)具有“引导”功能，能够引导用户移动和调整手持式探头准确找到所需切面、手持式探头的位置、方向及其角度；
[0019](2)可以很好地模拟超声多普勒测量，如血流流速的测定、阻力指数的测量等；
[0020](3)系统成本低廉，比现有设备节约上百万元。
[0021]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型手持式探头仿真超声系统示意图；
[0023]图2为本实用新型显示装置三个视图的示意图；
[0024]图3为本实用新型技术路线示意图。
[0025]附图标记说明:1_第一视图；2_第二视图；3_第三视图；4_人体仿真模型；5-手持式探头；6_红外发射装置；7_红外检测装置；8_传感器；9_显示装置；10_控制装置；11-虚拟探头；12_电子模拟人体器官。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图和实施例，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0027]如图1所示，本实用新型手持式探头仿真超声系统，所述系统包括:
[0028]三个红外发射装置6，其按数量比例1:2被分别配置在手持式探头5的两侧，可发射红外光，具有控制开关；
[0029]红外检测装置7，其被安装在人体仿真模型4背部，与主机相连，用于探测红外光，向主机实时传送手持式探头5相对于虚拟解剖体的角度和方向；
[0030]传感器8，其被安装在人体仿真模型4表层，与主机相连，用于感应手持式探头5在人体仿真模型4上的位置，向主机系统实时传送手持式探头5相对于虚拟解剖体4的位置；
[0031]显示装置9，与主机相连，用于显示第一视图1、第二视图2、第三视图3，第一视图1即超声扫描视图图像，其主要是在电子仿真模型上基于算法得到的具有临床超声扫描图像特征的实时仿真超声图像，可根据手持式探头5和检测设备交互的结果而实时呈现不同的超声图像；第二视图2是以虚拟探头11与所述超声扫描视图相关联的身体的位置关系的图形表示，指示手持式探头5相对于虚拟解剖体的相对位置与声波的方向；第三视图3是以与所述超声扫描视图相关联的解剖体的截层的解剖图形表示，指示所述手持式探头5相对于虚拟解剖体的扫描波束平面；
[0032]控制装置10，与主机相连，其可由用户操纵并向主机系统电子输入控制条件，如多普勒超声测量、增益调节等。
[0033]如图3，在使用中，用户(包括临床诊断医生和准超声诊断医生，如在校本科生、研究生等)通过控制装置10选择虚拟心脏解剖体，相当于在人体仿真模型4中置入了心脏。当用户使用手持式探头5在人体仿真模型4上进行扫描操作时，在人体仿真模型4背部排布的红外检测装置7将检测到手持式探头5两端的红外发射装置6发射出的红外光。该手持式探头5在头端、尾端分别安装2个、I个红外发射装置6，如同常规探头具有标示，具有2个红外发射装置6的那端在红外检测系统中相当于标示端，红外检测装置7将根据检测到的红外光数量判断手持式探头5的方向，从而实现了主机对于手持式探头5正反方向的判断。同时，根据已检测到红外光的红外检测装置7与手持式探头5之间的角度判断出手持式探头5的角度。传感器8将实时感应用户操作的手持式探头5在人体仿真模型4上的位置移动，并实时向主机传递感应结果。主机根据红外检测装置7与红外发射装置6的交互结果和传感器8与手持式探头5的交互结果，综合判断得出手持式探头5相对于人体仿真模型4的位置、角度和方向，从而在虚拟环境中模拟出临床超声的探头与人体器官的相对关系。
[0034]在训练期间，主机在三个并排视图中示出超声扫描视图、虚拟解剖体和虚拟探头
11、二维解剖结构，如图2所示:
[0035]1.主机设置第二视图2中的虚拟探头11实时匹配上述得出的手持式探头5的位置、角度和方向，第二视图2中的电子模拟人体器官12匹配于虚拟解剖体，因此，在第二视图2中，虚拟探头11与电子模拟人体器官12的相对关系(如，位置、角度和方向等)将实时匹配于手持式探头5与虚拟解剖体的相对关系。用户通过控制手持式探头5，将能够实时引起第二视图2中的虚拟探头11的运动，从而，能在第二视图2中直观地显示出手持式探头5相对于虚拟解剖体的实时运动轨迹。
[0036]2.第一视图1是超声扫描视图图像，其是虚拟探头11的超声扫描波束扫描电子模拟人体器官12时基于算法得到的具有临床超声扫描图像特征的实时仿真超声图像，从而在虚拟环境中模拟出临床超声设备与人体器官扫描的相对关系。
[0037]3.第三视图3是第二视图2中虚拟探头11的超声扫描波束平面在电子模拟人体器官12上的截层的解剖图形，是反映用户操作手持式探头5对虚拟解剖体进行扫查时的虚拟解剖体的二维解剖体，从而，能够让用户在进行训练时，直观地观察组织结构，以达到对超声图像的进一步理解。
[0038]第二视图2、第三视图3被主机设置为相互关联，第一视图1被主机设置为与第二视图2、第三视图3关联，因此，三个视图图像都能跟踪手持式探头5相对于虚拟解剖体的移动(如，位置、方向和角度)而实时呈像。当用户在执行所需的心脏扫查操作时，他(她)能够看到他/她的行为在三种形式或表示中的结果，能够极大地增强其对于行为操作的结果的理解，这一影响在复杂性心脏病的扫查中尤其明显。
[0039]尽管主机系统默认设置上述这三个视图同时向用户呈现，但是，在一些实施方式中，主机系统可设置只显示上述视图中的一个。
[0040]当用户无法利用手持式探头5在虚拟解剖体上扫描出某一标准切面时，用户可通过控制设置7操作第二视图2中的虚拟探头11在电子模拟人体器官12上进行直观扫描，第三视图3和第一视图1也将随着第二视图2中的虚拟探头11与电子模拟人体器官12的相对位置改变而实时显像。当第一视图1中的图像符合用户之前未扫描出的切面时，用户可停止操作控制设置7，主机将根据第二视图2中的虚拟探头11位置、方向和角度，自动计算出手持式探头5现有位置与第二视图2的虚拟探头11位置、方向和角度的差距而设定出导航路线。用户可根据此路线可操作手持式探头5在人体仿真模型4上移动，同时，主机的红外检测装置7和传感器8将向主机实时反映手持式探头5的移动轨迹以供主机校准，若主机发现移动轨迹偏差，主机将提醒用户直至移动轨迹正确到达之前设置的虚拟探头11与电子模拟人体器官12的相对位置。
[0041]根据此“引导”功能，用户将能迅速扫描出理想切面，有利于用户操作水平的提高和对病变的理解，这一效果在复杂性心脏病的扫查中尤其明显。
[0042]在模拟期间，临床超声设备中常用的多普勒超声亦在系统中通过算法得已实现。如图1，用户可通过操作控制设置7而对虚拟解剖体的虚拟血流进行连续多普勒或频谱多普勒超声测量，可以很大程度上模仿临床超声的多普勒超声测量。其他技术也被用来模拟超声机器的一些关键功能，从而增强了学生体验的真实性。这些特征可包括:
[0043].存储图像或动态视频记录
[0044].亮度、对比度和时间增益补偿(TGC)控制
[0045].测量距离或面积
[0046].放大和缩放图像
[0047].图像注释(标记和文本注释)
[0048].改变图像方向
[0049].深度调节
[0050]以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种手持式探头仿真超声系统，其特征在于:所述系统包括手持式探头、人体仿真模型、红外检测装置、传感器、主机、控制装置和显示装置，所述红外检测装置、所述传感器、所述控制装置、所述显示装置分别与所述主机相连；所述手持式探头包括红外发射装置，所述红外检测装置安装在所述人体仿真模型上，所述传感器安装在所述人体仿真模型表层。
2.根据权利要求1所述的手持式探头仿真超声系统，其特征在于:所述手持式探头还包括控制开关，用于控制所述红外检测装置打开和关闭发生红外线。
3.根据权利要求1所述的手持式探头仿真超声系统，其特征在于:所述红外发射装置为3个，按比例1:2分别配置在所述手持式探头的两侧。
4.根据权利要求2所述的手持式探头仿真超声系统，其特征在于:还包括人体仿真模型，所述红外检测装置安装在所述人体仿真模型背部。
【文档编号】G09B23/28GK203825919SQ201420215402
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】田家玮, 俞卫东, 杜国庆, 冷晓萍, 苏雁欣 申请人:哈尔滨医科大学