手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，其目的在于提供一種保證培訓(xùn)效果的前提下極大地縮短培訓(xùn)時(shí)間、成本低，操作簡(jiǎn)單的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，本實(shí)用新型所述系統(tǒng)包括手持式探頭、人體仿真模型、紅外檢測(cè)裝置、傳感器、主機(jī)、控制裝置和顯示裝置，所述紅外檢測(cè)裝置、所述傳感器、所述控制裝置、所述顯示裝置分別與所述主機(jī)相連；所述手持式探頭包括紅外發(fā)射裝置，所述紅外檢測(cè)裝置安裝在所述人體仿真模型上，所述傳感器安裝在所述人體仿真模型表層。
【專利說明】手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及醫(yī)療教學(xué)、臨床技能培訓(xùn)和考核系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是涉及超聲醫(yī)學(xué)專業(yè)的教學(xué)、培訓(xùn)和考核的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲診斷是一種無創(chuàng)、無痛、方便、直觀、有效的病變檢查手段，與X線、CT、磁共振成像、核醫(yī)學(xué)并稱為五大醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。相比于其它四種診斷技術(shù)，超聲設(shè)備價(jià)格低廉、移動(dòng)性強(qiáng)、急診必備，現(xiàn)已成為世界范圍內(nèi)普及最廣、應(yīng)用最多的影像設(shè)備，在我國(guó)已基本覆蓋鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)以上的醫(yī)院。
[0003]目前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，日益增長(zhǎng)的就診人數(shù)、疾病診斷任務(wù)和難度與醫(yī)院訓(xùn)練有素、思維敏銳、診斷經(jīng)驗(yàn)豐富的超聲診斷醫(yī)生嚴(yán)重不足這一矛盾日益突出。而，解決這一矛盾的途徑之一應(yīng)當(dāng)是大力培養(yǎng)滿足上述要求的超聲專業(yè)醫(yī)生(包括臨床診斷醫(yī)生和準(zhǔn)超聲診斷醫(yī)生，如在校本科生、研究生等)和基層超聲醫(yī)生隊(duì)伍，提聞他們的診斷思維和水平。然而，這是一個(gè)費(fèi)時(shí)的過程，而且是資源密集型的，超聲專業(yè)醫(yī)生在培訓(xùn)時(shí)得到的實(shí)踐機(jī)會(huì)越多，在訓(xùn)練過程中經(jīng)歷的病例越多、病種越全，他們的操作技能就越好、診斷思維越清晰、診斷經(jīng)驗(yàn)越豐富。而這，在現(xiàn)今條件下，是無法滿足的，勢(shì)必影響培養(yǎng)質(zhì)量。因此，開發(fā)適用于教學(xué)及臨床技能培訓(xùn)的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)十分必要。
[0004]目前，國(guó)外METI公司已經(jīng)開發(fā)出了綜合超聲虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行模擬腹部超聲、經(jīng)胸和經(jīng)食管超聲心動(dòng)圖，但是該訓(xùn)練系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)指引用戶進(jìn)行操作、不具備多普勒超聲的模擬，同時(shí)該設(shè)備價(jià)格昂貴、與實(shí)際超聲設(shè)備價(jià)格相差無幾。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種保證培訓(xùn)效果的前提下極大地縮短培訓(xùn)時(shí)間、成本低，操作簡(jiǎn)單的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)。
[0006]為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括手持式探頭、人體仿真模型、紅外檢測(cè)裝置、傳感器、主機(jī)、控制裝置和顯示裝置，所述紅外檢測(cè)裝置、所述傳感器、所述控制裝置、所述顯示裝置分別與所述主機(jī)相連；所述手持式探頭包括紅外發(fā)射裝置，所述紅外檢測(cè)裝置安裝在所述人體仿真模型上，所述傳感器安裝在所述人體仿真模型表層。
[0007]其中所述手持式探頭還包括控制開關(guān)，用于控制所述紅外檢測(cè)裝置打開和關(guān)閉發(fā)生紅外線。
[0008]其中所述紅外發(fā)射裝置為3個(gè)，按比例1:2分別配置在所述手持式探頭的兩側(cè)。
[0009]其中還包括人體仿真模型，所述紅外檢測(cè)裝置安裝在所述人體仿真模型背部。
[0010]工作原理:該系統(tǒng)可立體地、多角度地反映用戶的操作，其被配置成可提供可視化，能模擬臨床超聲機(jī)器提供的動(dòng)態(tài)掃查特征和視圖的可視化，這就是第一視圖1 (超聲掃描視圖圖像)，其主要是在電子仿真模型上基于算法得到的具有臨床超聲掃描圖像特征的實(shí)時(shí)仿真超聲圖像，可根據(jù)手持式探頭5和檢測(cè)設(shè)備交互的結(jié)果而實(shí)時(shí)呈現(xiàn)不同的超聲圖像。優(yōu)選地，除了第一視圖1以外，主機(jī)同時(shí)提供了反映手持式探頭5及其波束與虛擬解剖體的相對(duì)關(guān)系的第二視圖2和反映所述手持式探頭5掃描波束在虛擬解剖體上截層的解剖示意圖的第三視圖3。第二視圖2是以虛擬探頭11與所述超聲掃描視圖相關(guān)聯(lián)的身體的位置關(guān)系的圖形表示，指示手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體的相對(duì)位置與聲波的方向；第三視圖3是以與所述超聲掃描視圖相關(guān)聯(lián)的解剖體的截層的解剖圖形表示，指示所述模擬器輸入設(shè)備的掃描波束平面。優(yōu)選地，第一視圖1、第二視圖2和第三視圖3是同一虛擬解剖體的三種不同形式再現(xiàn)。
[0011]手持式探頭5是模擬常規(guī)超聲機(jī)器的探頭，其和檢測(cè)設(shè)備通過紅外光的發(fā)射與紅外光的檢測(cè)而被配置成這兩設(shè)備之間的交互，檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出手持式探頭5的位置、方向和角度，向主機(jī)提供由用戶操作手持式探頭5引起的位置、方向和角度的反饋。根據(jù)探測(cè)設(shè)備的結(jié)果，第二視圖2中的電子虛擬探頭11作為手持式探頭5的鏡像，實(shí)時(shí)模擬手持式探頭5的位置、掃描方向和角度，立體展現(xiàn)輸入設(shè)備與虛擬解剖體的相對(duì)位置和超聲波方向。通過操縱手持式探頭5，用戶能夠改變主機(jī)顯示的虛擬解剖體的圖像的視野和/或視角。這使用戶能夠通過操縱手持式探頭5來執(zhí)行虛擬(S卩，模擬的)掃描虛擬解剖體的感興趣區(qū)域。當(dāng)用戶移動(dòng)手持式探頭5，用戶能夠觀察由該運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的虛擬改變。同時(shí)，在用戶與系統(tǒng)交互過程中，關(guān)于輸入設(shè)備的運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)將被記錄，此數(shù)據(jù)可涉及手持式探頭5的位置、方向和角度。
[0012]因此，手持式探頭5的運(yùn)動(dòng)可實(shí)時(shí)引起仿真超聲訓(xùn)練系統(tǒng)的視圖改變，達(dá)到模擬臨床超聲設(shè)備，呈現(xiàn)給用戶逼真的體驗(yàn)。
[0013]然而，視圖圖像的改變不僅僅只限于與手持式探頭5的移動(dòng)而同步，其可被設(shè)置為第二視圖2的調(diào)節(jié)而不需要手持式探頭5的移動(dòng)。同時(shí)，第一視圖1、第二視圖2和第三視圖3之間亦是相互關(guān)聯(lián)的，任一視圖的改變亦會(huì)引起其它兩個(gè)視圖的相對(duì)變化。在第一視圖1、第二視圖2和第三視圖3都被顯示的多個(gè)實(shí)施方式中，優(yōu)選的是，它們相鄰于或接近彼此例如在同一計(jì)算機(jī)屏幕上的同一窗口中分區(qū)域顯示，一般以超聲掃描視圖圖像居中，其它視圖亦可調(diào)節(jié)至中央而原來區(qū)域由超聲掃描視圖圖像居之。
[0014]當(dāng)用戶想得到某切面而使用手持式探頭5無法得到時(shí)，用戶可根據(jù)第三視圖3調(diào)節(jié)第二視圖2中的電子模擬探頭，得到理想切面后，通過探測(cè)設(shè)備和手持式探頭5之間交互的結(jié)果可引導(dǎo)用戶操作手持式探頭5找到方才自己感興趣卻無法打出的切面時(shí)探頭的位置、方向和角度。根據(jù)此功能，該訓(xùn)練系統(tǒng)被配置有“引導(dǎo)”功能，在系統(tǒng)內(nèi)我們?cè)O(shè)置了具有特定疑難病例的虛擬解剖體，并針對(duì)此虛擬解剖體配置了一套專家的標(biāo)準(zhǔn)切面掃法，在用戶練習(xí)過程中，該“引導(dǎo)”功能將引導(dǎo)用戶進(jìn)行整個(gè)病例的掃查，幫助用戶建立標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)秀的診斷思維。
[0015]該手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)的控制設(shè)備，可提供兩種及以上的血流特征參數(shù)，例如，它可模擬連續(xù)多普勒和脈沖多普勒測(cè)量血流流速、阻力指數(shù)等；還可模擬至少兩種及以上的臨床操作過程中的難題，例如，它可提供氣體的增減、心律的變化等；同時(shí)，還可提供至少兩種及以上的臨床超聲機(jī)器特征的表示，例如，它可提供近遠(yuǎn)場(chǎng)的增益調(diào)節(jié)、對(duì)比度控制
坐寸ο
[0016]因此，該手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)可被稱為“仿真超聲機(jī)器”。[0017]本實(shí)用新型手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于本實(shí)用新型取得了如下技術(shù)效果:
[0018](I)具有“引導(dǎo)”功能，能夠引導(dǎo)用戶移動(dòng)和調(diào)整手持式探頭準(zhǔn)確找到所需切面、手持式探頭的位置、方向及其角度；
[0019](2)可以很好地模擬超聲多普勒測(cè)量，如血流流速的測(cè)定、阻力指數(shù)的測(cè)量等；
[0020](3)系統(tǒng)成本低廉，比現(xiàn)有設(shè)備節(jié)約上百萬元。
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)示意圖；
[0023]圖2為本實(shí)用新型顯示裝置三個(gè)視圖的示意圖；
[0024]圖3為本實(shí)用新型技術(shù)路線示意圖。
[0025]附圖標(biāo)記說明:1_第一視圖；2_第二視圖；3_第三視圖；4_人體仿真模型；5-手持式探頭；6_紅外發(fā)射裝置；7_紅外檢測(cè)裝置；8_傳感器；9_顯示裝置；10_控制裝置；11-虛擬探頭；12_電子模擬人體器官。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。
[0027]如圖1所示，本實(shí)用新型手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0028]三個(gè)紅外發(fā)射裝置6，其按數(shù)量比例1:2被分別配置在手持式探頭5的兩側(cè)，可發(fā)射紅外光，具有控制開關(guān)；
[0029]紅外檢測(cè)裝置7，其被安裝在人體仿真模型4背部，與主機(jī)相連，用于探測(cè)紅外光，向主機(jī)實(shí)時(shí)傳送手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體的角度和方向；
[0030]傳感器8，其被安裝在人體仿真模型4表層，與主機(jī)相連，用于感應(yīng)手持式探頭5在人體仿真模型4上的位置，向主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體4的位置；
[0031]顯示裝置9，與主機(jī)相連，用于顯示第一視圖1、第二視圖2、第三視圖3，第一視圖1即超聲掃描視圖圖像，其主要是在電子仿真模型上基于算法得到的具有臨床超聲掃描圖像特征的實(shí)時(shí)仿真超聲圖像，可根據(jù)手持式探頭5和檢測(cè)設(shè)備交互的結(jié)果而實(shí)時(shí)呈現(xiàn)不同的超聲圖像；第二視圖2是以虛擬探頭11與所述超聲掃描視圖相關(guān)聯(lián)的身體的位置關(guān)系的圖形表示，指示手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體的相對(duì)位置與聲波的方向；第三視圖3是以與所述超聲掃描視圖相關(guān)聯(lián)的解剖體的截層的解剖圖形表示，指示所述手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體的掃描波束平面；
[0032]控制裝置10，與主機(jī)相連，其可由用戶操縱并向主機(jī)系統(tǒng)電子輸入控制條件，如多普勒超聲測(cè)量、增益調(diào)節(jié)等。
[0033]如圖3，在使用中，用戶(包括臨床診斷醫(yī)生和準(zhǔn)超聲診斷醫(yī)生，如在校本科生、研究生等)通過控制裝置10選擇虛擬心臟解剖體，相當(dāng)于在人體仿真模型4中置入了心臟。當(dāng)用戶使用手持式探頭5在人體仿真模型4上進(jìn)行掃描操作時(shí)，在人體仿真模型4背部排布的紅外檢測(cè)裝置7將檢測(cè)到手持式探頭5兩端的紅外發(fā)射裝置6發(fā)射出的紅外光。該手持式探頭5在頭端、尾端分別安裝2個(gè)、I個(gè)紅外發(fā)射裝置6，如同常規(guī)探頭具有標(biāo)示，具有2個(gè)紅外發(fā)射裝置6的那端在紅外檢測(cè)系統(tǒng)中相當(dāng)于標(biāo)示端，紅外檢測(cè)裝置7將根據(jù)檢測(cè)到的紅外光數(shù)量判斷手持式探頭5的方向，從而實(shí)現(xiàn)了主機(jī)對(duì)于手持式探頭5正反方向的判斷。同時(shí)，根據(jù)已檢測(cè)到紅外光的紅外檢測(cè)裝置7與手持式探頭5之間的角度判斷出手持式探頭5的角度。傳感器8將實(shí)時(shí)感應(yīng)用戶操作的手持式探頭5在人體仿真模型4上的位置移動(dòng)，并實(shí)時(shí)向主機(jī)傳遞感應(yīng)結(jié)果。主機(jī)根據(jù)紅外檢測(cè)裝置7與紅外發(fā)射裝置6的交互結(jié)果和傳感器8與手持式探頭5的交互結(jié)果，綜合判斷得出手持式探頭5相對(duì)于人體仿真模型4的位置、角度和方向，從而在虛擬環(huán)境中模擬出臨床超聲的探頭與人體器官的相對(duì)關(guān)系。
[0034]在訓(xùn)練期間，主機(jī)在三個(gè)并排視圖中示出超聲掃描視圖、虛擬解剖體和虛擬探頭
11、二維解剖結(jié)構(gòu)，如圖2所示:
[0035]1.主機(jī)設(shè)置第二視圖2中的虛擬探頭11實(shí)時(shí)匹配上述得出的手持式探頭5的位置、角度和方向，第二視圖2中的電子模擬人體器官12匹配于虛擬解剖體，因此，在第二視圖2中，虛擬探頭11與電子模擬人體器官12的相對(duì)關(guān)系(如，位置、角度和方向等)將實(shí)時(shí)匹配于手持式探頭5與虛擬解剖體的相對(duì)關(guān)系。用戶通過控制手持式探頭5，將能夠?qū)崟r(shí)引起第二視圖2中的虛擬探頭11的運(yùn)動(dòng)，從而，能在第二視圖2中直觀地顯示出手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0036]2.第一視圖1是超聲掃描視圖圖像，其是虛擬探頭11的超聲掃描波束掃描電子模擬人體器官12時(shí)基于算法得到的具有臨床超聲掃描圖像特征的實(shí)時(shí)仿真超聲圖像，從而在虛擬環(huán)境中模擬出臨床超聲設(shè)備與人體器官掃描的相對(duì)關(guān)系。
[0037]3.第三視圖3是第二視圖2中虛擬探頭11的超聲掃描波束平面在電子模擬人體器官12上的截層的解剖圖形，是反映用戶操作手持式探頭5對(duì)虛擬解剖體進(jìn)行掃查時(shí)的虛擬解剖體的二維解剖體，從而，能夠讓用戶在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，直觀地觀察組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到對(duì)超聲圖像的進(jìn)一步理解。
[0038]第二視圖2、第三視圖3被主機(jī)設(shè)置為相互關(guān)聯(lián)，第一視圖1被主機(jī)設(shè)置為與第二視圖2、第三視圖3關(guān)聯(lián)，因此，三個(gè)視圖圖像都能跟蹤手持式探頭5相對(duì)于虛擬解剖體的移動(dòng)(如，位置、方向和角度)而實(shí)時(shí)呈像。當(dāng)用戶在執(zhí)行所需的心臟掃查操作時(shí)，他(她)能夠看到他/她的行為在三種形式或表示中的結(jié)果，能夠極大地增強(qiáng)其對(duì)于行為操作的結(jié)果的理解，這一影響在復(fù)雜性心臟病的掃查中尤其明顯。
[0039]盡管主機(jī)系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置上述這三個(gè)視圖同時(shí)向用戶呈現(xiàn)，但是，在一些實(shí)施方式中，主機(jī)系統(tǒng)可設(shè)置只顯示上述視圖中的一個(gè)。
[0040]當(dāng)用戶無法利用手持式探頭5在虛擬解剖體上掃描出某一標(biāo)準(zhǔn)切面時(shí)，用戶可通過控制設(shè)置7操作第二視圖2中的虛擬探頭11在電子模擬人體器官12上進(jìn)行直觀掃描，第三視圖3和第一視圖1也將隨著第二視圖2中的虛擬探頭11與電子模擬人體器官12的相對(duì)位置改變而實(shí)時(shí)顯像。當(dāng)?shù)谝灰晥D1中的圖像符合用戶之前未掃描出的切面時(shí)，用戶可停止操作控制設(shè)置7，主機(jī)將根據(jù)第二視圖2中的虛擬探頭11位置、方向和角度，自動(dòng)計(jì)算出手持式探頭5現(xiàn)有位置與第二視圖2的虛擬探頭11位置、方向和角度的差距而設(shè)定出導(dǎo)航路線。用戶可根據(jù)此路線可操作手持式探頭5在人體仿真模型4上移動(dòng)，同時(shí)，主機(jī)的紅外檢測(cè)裝置7和傳感器8將向主機(jī)實(shí)時(shí)反映手持式探頭5的移動(dòng)軌跡以供主機(jī)校準(zhǔn)，若主機(jī)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)軌跡偏差，主機(jī)將提醒用戶直至移動(dòng)軌跡正確到達(dá)之前設(shè)置的虛擬探頭11與電子模擬人體器官12的相對(duì)位置。
[0041]根據(jù)此“引導(dǎo)”功能，用戶將能迅速掃描出理想切面，有利于用戶操作水平的提高和對(duì)病變的理解，這一效果在復(fù)雜性心臟病的掃查中尤其明顯。
[0042]在模擬期間，臨床超聲設(shè)備中常用的多普勒超聲亦在系統(tǒng)中通過算法得已實(shí)現(xiàn)。如圖1，用戶可通過操作控制設(shè)置7而對(duì)虛擬解剖體的虛擬血流進(jìn)行連續(xù)多普勒或頻譜多普勒超聲測(cè)量，可以很大程度上模仿臨床超聲的多普勒超聲測(cè)量。其他技術(shù)也被用來模擬超聲機(jī)器的一些關(guān)鍵功能，從而增強(qiáng)了學(xué)生體驗(yàn)的真實(shí)性。這些特征可包括:
[0043].存儲(chǔ)圖像或動(dòng)態(tài)視頻記錄
[0044].亮度、對(duì)比度和時(shí)間增益補(bǔ)償(TGC)控制
[0045].測(cè)量距離或面積
[0046].放大和縮放圖像
[0047].圖像注釋(標(biāo)記和文本注釋)
[0048].改變圖像方向
[0049].深度調(diào)節(jié)
[0050]以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本實(shí)用新型的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本實(shí)用新型設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本實(shí)用新型權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)包括手持式探頭、人體仿真模型、紅外檢測(cè)裝置、傳感器、主機(jī)、控制裝置和顯示裝置，所述紅外檢測(cè)裝置、所述傳感器、所述控制裝置、所述顯示裝置分別與所述主機(jī)相連；所述手持式探頭包括紅外發(fā)射裝置，所述紅外檢測(cè)裝置安裝在所述人體仿真模型上，所述傳感器安裝在所述人體仿真模型表層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，其特征在于:所述手持式探頭還包括控制開關(guān)，用于控制所述紅外檢測(cè)裝置打開和關(guān)閉發(fā)生紅外線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，其特征在于:所述紅外發(fā)射裝置為3個(gè)，按比例1:2分別配置在所述手持式探頭的兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的手持式探頭仿真超聲系統(tǒng)，其特征在于:還包括人體仿真模型，所述紅外檢測(cè)裝置安裝在所述人體仿真模型背部。
【文檔編號(hào)】G09B23/28GK203825919SQ201420215402
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】田家瑋, 俞衛(wèi)東, 杜國(guó)慶, 冷曉萍, 蘇雁欣 申請(qǐng)人:哈爾濱醫(yī)科大學(xué)