專利名稱：一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波探測技術(shù)，具體涉及一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置及其方法。
背景技術(shù)：
近20年來，隨著科技的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)超聲波成像技術(shù)在探頭開發(fā)、信號處理以及臨床應(yīng)用軟件等方面都有長足發(fā)展，使得超聲波成像質(zhì)量大幅提高，應(yīng)用范圍也越來越廣。超聲波有較強(qiáng)的穿透力，且具有對被探測組織無損傷、無輻射等優(yōu)點(diǎn)，因此在醫(yī)療、工業(yè)、能源、考古等方面有著廣泛的應(yīng)用，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域，對胎兒、人體軟組織、乳腺腫瘤、顱內(nèi)腫瘤等方面的臨床診斷有著無法替代的地位。雖然超聲波成像技術(shù)在應(yīng)用中有了長足發(fā)展，但其成像質(zhì)量不高，圖像的融合、三維重建與可視化難度大。目前，超聲波成像的三維數(shù)據(jù)采集方法主要有以下兩大類第一類方法是借助機(jī)械、電磁以及其它裝置，在獲取探測數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄超聲波探頭的三維運(yùn)動姿態(tài)，從而獲得一系列相對空間位置已知的二維圖像切片，并由此合成三維圖像；第二類方法是采用二維面陣探頭，運(yùn)用電子控制的方式實(shí)現(xiàn)超聲波波束在空間的聚焦，直接采集三維數(shù)據(jù)。所述第一類方法又可分為非自由臂式和自由臂式這兩種形式，其中非自由臂式又稱為容積探頭式，其實(shí)現(xiàn)方法是設(shè)計(jì)一套機(jī)械裝置驅(qū)動探頭以預(yù)定的軌跡運(yùn)動，探頭在運(yùn)動的同時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，探頭運(yùn)動方式可以是平移、旋轉(zhuǎn)或擺動等。如美國的GE公司和 Kretz公司共同開發(fā)的Voluson 730系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的是線性掃描固定軌跡采樣技術(shù)，在一個(gè)特制的矢量面陣探頭內(nèi)安裝有微型機(jī)械裝置，通過該機(jī)械裝置驅(qū)動超聲波探頭在兩個(gè)相互垂直方向上進(jìn)行扇形擺動掃描。另外，德國的TomTec公司開發(fā)的Rotation系統(tǒng)則采用旋轉(zhuǎn)掃描固定軌跡采樣技術(shù)，該系統(tǒng)將超聲波探頭固定在一個(gè)配有步進(jìn)馬達(dá)的機(jī)械臂上，由機(jī)械臂驅(qū)動超聲波探頭進(jìn)行等角度旋轉(zhuǎn)掃描?；谧杂杀凼椒椒▌t是在探頭上加裝一個(gè)能感應(yīng)探頭空間位置以及三維姿態(tài)的傳感器，使得操作者能夠自由移動探頭來采集圖像數(shù)據(jù)，傳感器有機(jī)械、聲學(xué)和電磁等多種形式，如德國的Tomtec公司開發(fā)的Echo-Scan 系統(tǒng)采用的是電磁定位傳感技術(shù)，該系統(tǒng)能夠記錄超聲波探頭的空間位置和三維姿態(tài)共六個(gè)自由度參數(shù)。不管是非自由臂式還是自由臂式探頭，在實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用中都存在以下問題一是儀器設(shè)備復(fù)雜，包括二維超聲成像和三維重建兩套系統(tǒng)；二是通用性不強(qiáng)，某一種設(shè)備只能對某一特定的部位進(jìn)行檢查；三是設(shè)備易受干擾，對使用環(huán)境要求高。所述第二類方法則是基于惠更斯原理，利用相控陣的方法控制二維面陣探頭發(fā)射具有空間指向性的合成超聲波波束，對目標(biāo)進(jìn)行立體掃描而實(shí)現(xiàn)三維空間圖像數(shù)據(jù)采集，構(gòu)成金字塔形的三維圖像。其代表產(chǎn)品是日本的ALOKA公司開發(fā)的SSD-ALPHA系統(tǒng)。此類設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是避免了使用一套累贅的探頭定位機(jī)構(gòu)，操作方便，能快速穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)，且成像速度快， 特別適用與對心臟等動態(tài)器官的檢查。但是，隨之而來的問題是通道數(shù)激增，假設(shè)探頭由 64X64的方形陣元構(gòu)成，通道數(shù)就達(dá)到了 4096個(gè)，超聲波束的快速發(fā)射和接收存在著復(fù)雜的傳感器及信號處理，不僅技術(shù)復(fù)雜而其價(jià)格昂貴。另外，此類系統(tǒng)還存在圖像視野小、空間分辨率有限等關(guān)鍵性問題尚未解決?？偨Y(jié)現(xiàn)有的通過記錄超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)來獲取圖像數(shù)據(jù)的方法，主要存在以下問題
(I)就非自由臂式的容積探頭而言，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備笨重；各類探頭不易配接，通用性差；設(shè)備依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平，不方便普及和推廣。(2)就自由臂式探頭而言，首先需要一套復(fù)雜的探頭傳感和定位機(jī)構(gòu)，設(shè)備龐大； 系統(tǒng)易受外界聲學(xué)、電磁或其它方面的干擾而影響成像質(zhì)量，致使其對使用環(huán)境要求高。(3)無論是自由臂式還是非自由臂式系統(tǒng)都需要二維成像和探頭位置及三維姿態(tài)檢測這兩套復(fù)雜的系統(tǒng)同時(shí)工作，才能實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)采集，技術(shù)難度大、設(shè)備復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有檢測和記錄超聲波探頭三維運(yùn)動姿態(tài)和空間位置的方法和技術(shù)存在的諸多不足，提出一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置及其方法。所述裝置包括內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊和由若干高頻定位超聲波換能器構(gòu)成的附加探頭組，所述內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊包括超聲波耦合墊片基和內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基中的反射顆粒，所述高頻定位超聲波換能器為發(fā)射頻率高于所述超聲波探頭的超聲波換能器。檢測時(shí)將附加探頭組加裝在超聲波探頭上，附加探頭組向內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波稱合墊發(fā)射高頻定位超聲波，通過接收該高頻定位超聲波經(jīng)超聲波稱合墊內(nèi)已知精確空間位置的反射顆粒反射回來的回波信息，計(jì)算出附加探頭組的空間位置，進(jìn)而利用附加探頭組和超聲波探頭的固有位置關(guān)系，確定超聲波探頭的空間位置，再結(jié)合超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角確定超聲波探頭的三維姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)為不同時(shí)刻得到的超聲波圖像建立一個(gè)外部的、共同的坐標(biāo)系，從而達(dá)到超聲波三維圖像數(shù)據(jù)采集的目的。作為上述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置中，所述超聲波耦合墊片基采用分層設(shè)計(jì)，包括兩層以上，工作時(shí)與超聲波探頭接觸的一層為最外層，與超聲波探頭所要探測的部位或組織接觸一層為最內(nèi)層，在超聲波耦合墊片基相鄰層之間一個(gè)以上的區(qū)域內(nèi)嵌有反射顆粒，所有內(nèi)嵌有反射顆粒的區(qū)域在超聲波耦合墊片基外層平面的投影剛好鋪滿該外層平面，且所有內(nèi)嵌有反射顆粒的區(qū)域在該外層平面的投影不重疊；在所有所述相鄰層之間的所述區(qū)域均涂有薄膜材料層，且各個(gè)區(qū)域的薄膜材料聲阻抗特性不同； 在超聲波耦合墊片基相鄰層之間同一區(qū)域內(nèi)不同位置的反射顆粒采用不同聲阻抗特性的材料；超聲波在反射顆粒和所述最外層之間傳播的聲速一致。作為上述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置的優(yōu)化方案，所述反射顆粒在超聲波耦合墊片基相鄰層之間采用陣列布置。作為上述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置的優(yōu)化方案，所述陣列為點(diǎn)陣、線陣、點(diǎn)線相結(jié)合的陣列。作為上述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置的優(yōu)化方案，所述最外層材料比最內(nèi)層材料硬。工作時(shí)與超聲波探頭接觸的一層為最外層，其質(zhì)地較硬，用途是保證超聲波耦合墊內(nèi)的反射顆粒與超聲波耦合墊表面的距離保持不變；與超聲波探頭所要探測的部位或組織接觸一層為最內(nèi)層，最內(nèi)層與超聲波探頭所要探測的部位或組織接觸， 其質(zhì)地較軟，使其能夠按照被探測部位的表面形狀進(jìn)行彎曲，保證超聲波耦合墊與被探測部位之間良好的耦合。作為上述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置的優(yōu)化方案，超聲波耦合墊片基采用兩層設(shè)計(jì)，反射顆粒布置在與超聲波耦合墊片基外層表面平行的同一平面內(nèi)。作為上述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置的優(yōu)化方案，當(dāng)超聲波探頭為普通線陣探頭或凸陣探頭時(shí)，所述高頻定位超聲波換能器的個(gè)數(shù)為2個(gè)以上，當(dāng)超聲波探頭為面陣探頭時(shí)，所述高頻定位超聲波換能器的個(gè)數(shù)為3個(gè)以上。上述裝置中，在超聲波耦合墊片基相鄰層之間同一區(qū)域內(nèi)不同位置的反射顆粒選擇不同聲阻抗特性的材料，因此附加探頭組在接收到由反射顆粒反射回來的超聲波回波后，能夠依據(jù)這些回波信息判斷出相應(yīng)反射顆粒的聲阻抗，進(jìn)而確定各束回波是由哪個(gè)具
體的反射顆粒反射回來的，從而將這些回波與相應(yīng)反射顆粒--對應(yīng)起來。同時(shí)，反射顆粒
的尺寸應(yīng)該盡量減小，確保其不對超聲波探頭發(fā)射的超聲波造成影響，進(jìn)而影響最終成像質(zhì)量。在超聲波耦合墊片基外層布置反射顆粒陣列時(shí)，要確保所有的反射顆粒與超聲波耦合墊片基外層表面的距離是已知的確定值，通常反射顆粒布置在與超聲波耦合墊片基外層表面平行的同一平面內(nèi)。本發(fā)明還提供了上述檢測裝置的檢測方法，具體是使超聲波耦合墊的最外層與超聲波探頭接觸，最內(nèi)層與超聲波探頭所要探測的部位或組織接觸；將附加探頭組加裝在超聲波探頭上，且高頻定位超聲波換能器與超聲波耦合墊最外層接觸，附加探頭組向超聲波耦合墊發(fā)射高頻定位超聲波，并接收由超聲波耦合墊內(nèi)已知精確空間位置的反射顆粒反射的回波，根據(jù)高頻定位超聲波的往返傳播時(shí)間計(jì)算出附加探頭組的空間位置，進(jìn)而利用附加探頭組和超聲波探頭的固有位置關(guān)系，確定超聲波探頭的空間位置，再結(jié)合超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角確定超聲波探頭的三維姿態(tài)。上述檢測方法的優(yōu)選技術(shù)方案，具體包括如下步驟
步驟一，確定附加探頭組內(nèi)的各個(gè)聞頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)，任一個(gè)聞頻定位超聲波換能器的檢測均包括以下步驟
(1)高頻定位超聲波換能器向超聲波耦合墊發(fā)射用于區(qū)域判斷的高頻定位超聲波波束；該波束被超聲波耦合墊內(nèi)的一種薄膜材料反射回來，依據(jù)反射的回波判斷該高頻定位超聲波換能器在超聲波耦合墊上的區(qū)域，該區(qū)域即為該薄膜材料在超聲波耦合墊最外層表面的投影；
(2)步驟(I)所述高頻定位超聲波換能器向超聲波耦合墊發(fā)射用于判斷區(qū)域內(nèi)高頻定位超聲波換能器精確位置的高頻定位超聲波；該高頻定位超聲波被步驟(I)所述薄膜材料所在區(qū)域內(nèi)的反射顆粒反射回來，并在不同時(shí)刻被高頻定位超聲波換能器接收，根據(jù)不同反射顆粒反射回來的不同回波信息判斷出相應(yīng)反射顆粒的聲阻抗，進(jìn)而確定各束回波是由哪個(gè)具體的反射顆粒反射回來的，從而將這些回波與相應(yīng)反射顆粒--對應(yīng)起來；
(3)依據(jù)高頻定位超聲波換能器發(fā)射和接收用于精確位置判斷的高頻定位超聲波信號的時(shí)間差以及高頻定位超聲波在超聲波耦合墊內(nèi)的傳播速度，求得該高頻定位超聲波換能器與各個(gè)已知空間位置的反射顆粒之間的距離，利用三球交匯的方法求出該高頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)；
步驟二、根據(jù)得到各個(gè)高頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)，確定附加探頭組的空間坐標(biāo)，然后再利用附加探頭組和超聲波探頭的固有位置關(guān)系，確定超聲波探頭的空間位置； 步驟三、當(dāng)超聲波探頭發(fā)射的超聲波波陣面經(jīng)過超聲波耦合墊內(nèi)的某一反射顆粒時(shí)， 部分被反射顆粒超聲波被反射回去，根據(jù)反射顆粒反射回來的回波信息判斷出該反射顆粒的聲阻抗，進(jìn)而確定該束回波是由哪個(gè)具體的反射顆粒反射回來的；然后根據(jù)該反射顆粒已知的空間位置信息和超聲波探頭的空間位置，計(jì)算出超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角，進(jìn)而求得超聲波探頭的三維姿態(tài)。上述的檢測方法中，步驟(I)中依據(jù)反射的回波的衰減計(jì)算該種薄膜材料的聲阻抗，進(jìn)而確定各束回波是由哪個(gè)區(qū)域的薄膜材料反射回來的，進(jìn)而確定該高頻定位超聲波換能器在超聲波耦合墊上的區(qū)域。本發(fā)明的成果除了運(yùn)用在醫(yī)療上的超聲波檢測外，還適用于機(jī)械、管道、船舶和考古等領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果
(I)采用附加探頭組與超聲波耦合墊相結(jié)合的方式，定位精確、算法簡單，能夠快速準(zhǔn)確地檢測出超聲波探頭的空間位置和三維運(yùn)動姿態(tài)。(2)在現(xiàn)有超聲成像設(shè)備基礎(chǔ)上加上超聲波耦合墊，由于增加了先驗(yàn)的探測區(qū)域的位置坐標(biāo)，所以可以為多幅超聲波圖像實(shí)現(xiàn)精確的配準(zhǔn)、融合和三維重建，從而極大地?cái)U(kuò)展圖像視野。(3)只是在超聲波探頭上加裝一組簡單的附加探頭組，容易和現(xiàn)有超聲波探測設(shè)備相配套，通用性強(qiáng)。(4)不受聲場、磁場等干擾，對檢測的環(huán)境沒有額外的要求。(5)結(jié)構(gòu)簡單靈活，開發(fā)成本低，易于普及和推廣。


圖I是本發(fā)明所述內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊及附加探頭組工作示意圖。圖2是本發(fā)明所述內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a是呈同心圓布置的點(diǎn)反射顆粒陣列和不同薄膜材料區(qū)域的布置圖。圖3b是呈正交布置的線狀反射顆粒陣列和不同薄膜材料區(qū)域的布置圖。圖3c是呈交錯(cuò)布置的點(diǎn)線結(jié)構(gòu)反射顆粒陣列和不同薄膜材料區(qū)域的布置圖。圖4是超聲波耦合墊與附加探頭組確定超聲波探頭的空間位置和三維運(yùn)動姿態(tài)檢測流程圖。圖5是由內(nèi)嵌的反射顆粒確定探頭位置坐標(biāo)的示意圖。圖6是由內(nèi)嵌的反射點(diǎn)線陣確定探頭角度的示意圖。圖7a是實(shí)施探測時(shí)時(shí)間差產(chǎn)生的示意圖。圖7b是設(shè)置時(shí)間窗的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明，但以下僅為實(shí)例，本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。如圖I所示，是內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊及附加探頭組工作示意圖。超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，包括內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊和由若干高頻定位超聲波換能器構(gòu)成的附加探頭組，工作時(shí)將超聲波耦合墊覆蓋在超聲波探頭所要探測的部位或組織表面。在該實(shí)施例中，被探測組織101的表面和超聲波耦合墊102均為平面結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌的反射顆粒103由采用陣列布置的反射點(diǎn)構(gòu)成。該超聲波耦合墊的上表面即是外層表面，同時(shí)也是超聲波探頭接觸面，工作時(shí)與超聲波探頭接觸，下表面即是內(nèi)層表面，同時(shí)也是組織接觸面，工作時(shí)與被探測組織表面接觸。附加探頭組104固定在超聲波探頭105 的兩側(cè)，安裝時(shí)要確保附加探頭組發(fā)射的高頻定位超聲波波束與超聲波探頭發(fā)射的超聲波波束保持方向上的一致，確保能夠精確求解超聲波探頭的三維運(yùn)動姿態(tài)。如圖2所示，是所述超聲波耦合墊一個(gè)實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該超聲波耦合墊由超聲波耦合墊的片基和內(nèi)嵌的點(diǎn)狀反射顆粒201和線狀反射顆粒202構(gòu)成。超聲波耦合墊的片基采用分層設(shè)計(jì)，其中外層203為質(zhì)地較硬，內(nèi)部的反射點(diǎn)線陣與超聲波耦合墊表面的距離rf保持不變。內(nèi)層204質(zhì)地較軟，保證耦合片與被探測組織之間良好的耦合，該層相對較厚。耦合片片基的外層和內(nèi)層均選用透聲樹脂材料，以保證能夠按照被探測組織的表面形狀進(jìn)行彎曲，同時(shí)保證超聲波在其內(nèi)部傳播聲速的均勻性和一致性。不同聲阻抗特性的薄膜材料205均涂裝在反射顆粒所在平面，這樣有利于高頻定位超聲波換能器對不同反射顆粒的識別。各區(qū)域涂裝不同薄膜材料的超聲波耦合墊和反射顆粒如圖3a、圖3b、圖3c所示， 其中，不同的薄膜材料區(qū)域已經(jīng)用不同的背景標(biāo)示出來，而反射顆粒的圖案可以是點(diǎn)陣(圖 3a)、線陣(圖3b)以及點(diǎn)線結(jié)合(圖3c)的布置形式，使用時(shí)根據(jù)具體探測環(huán)境靈活選擇， 對于不同類型及頻率的超聲波設(shè)備，以不影響成像質(zhì)量和易于標(biāo)定探頭為選擇依據(jù)。如圖4所示，是本發(fā)明提出的利用內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊與附加探頭組確定超聲波探頭的空間位置和三維運(yùn)動姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超聲波三維圖像數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)框圖。具體包括以下步驟。(I)附加探頭組內(nèi)的某個(gè)高頻定位超聲波換能器向超聲波耦合墊發(fā)射用于區(qū)域判斷的高頻定位超聲波波束。同時(shí)超聲波探頭透過超聲波耦合墊向被探測組織發(fā)射超聲波并獲取被探測組織的二維切片圖像數(shù)據(jù)。工作時(shí)，通過對高頻定位超聲波換能器頻率和功率的控制，使其發(fā)射的超聲波在超聲波耦合墊內(nèi)具有極大的衰減而無法到達(dá)被探測組織，從而避免和超聲波探頭之間的相互干擾。(2)用于區(qū)域判斷的高頻定位超聲波被超聲波耦合墊外層和內(nèi)層之間具有不同聲阻抗特性的薄膜材料反射回來，依據(jù)反射回來的超聲波信息，與已建立的薄膜材料與衰減系數(shù)之間的映射關(guān)系相參照，判斷該高頻定位超聲波換能器所在區(qū)域。根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中傳播的斯涅耳定律，采用聲壓反射系數(shù)法可以計(jì)算高頻定位超聲波在不同薄膜材料中的衰減程度，從而建立所選薄膜材料與衰減系數(shù)之間的映射關(guān)系。通過接收的反射回波，測量高頻定位超聲波換能器發(fā)射的高頻定位超聲波在不同薄月旲材料中的裳減，對照所述映射關(guān)系，確定該聞頻定位超聲波換能器發(fā)射的聞頻定位超聲波所照射的薄膜材料，進(jìn)而根據(jù)被照射的薄膜材料所在區(qū)域確定該高頻定位超聲波換能器組所在區(qū)域。
(3)在確定該聞頻定位超聲波換能器所在超聲波I禹合塾上的區(qū)域之后，該聞頻定位超聲波換能器向超聲波耦合墊發(fā)射用于區(qū)域內(nèi)精確位置判斷的高頻定位超聲波。用于精確位置判斷的高頻定位超聲波被該區(qū)域內(nèi)的反射顆粒反射回來，并在不同時(shí)刻被高頻定位超聲波換能器接收。根據(jù)不同反射顆粒反射回來的不同回波信息判斷出相應(yīng)反射顆粒的聲阻抗，進(jìn)而確定各束回波是由哪個(gè)具體的反射顆粒反射回來的，從而將這些回波與相應(yīng)反射顆粒一一對應(yīng)起來。依據(jù)高頻定位超聲波換能器發(fā)射和接收用于精確位置判斷的高頻定位超聲波信號的時(shí)間差以及高頻定位超聲波在超聲波耦合墊內(nèi)的傳播速度，就可以求得該高頻定位超聲波換能器與各個(gè)已知空間位置反射顆粒之間的距離。利用三球交匯的方法就可以求出該聞頻換能器的空間坐標(biāo)。同理經(jīng)以上步驟可以求得其它高頻換能器的空間坐標(biāo)，從而得到構(gòu)成附加探頭組的所有高頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)，進(jìn)而確定附加探頭組的空間坐標(biāo)。然后再利用附加探頭組和超聲波探頭的固有位置關(guān)系，就將超聲波探頭的空間位置唯一確定下來了。(4)當(dāng)超聲波探頭發(fā)射的超聲波波陣面經(jīng)過某一反射顆粒時(shí)，部分超聲波被反射回去，利用該反射顆粒的回波信息，先確定是由哪個(gè)具體的反射顆粒反射回來的，然后根據(jù)其已知的空間位置信息和超聲波探頭的空間位置，就可以計(jì)算出超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角，進(jìn)而就可以求得超聲波探頭的三維姿態(tài)信息。本實(shí)施例中利用不同區(qū)域涂裝的薄膜材料的反射回波判斷高頻定位超聲波換能器的區(qū)域和利用反射顆粒的反射回波確定高頻定位超聲波換能器的精確位置，以及利用反射顆粒的反射回波確定超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角這三個(gè)步驟所實(shí)現(xiàn)的原理和采用的計(jì)算方法相類似，都是利用不同材料具有不同的聲阻抗，從而由不同的衰減程度來確定薄膜材料類型和反射顆粒材料類型。同時(shí)，這三個(gè)步驟所涉及到的發(fā)射的超聲波頻率有所不同。其中，確定高頻換能器的精確位置使用的超聲波頻率最高，確定高頻定位超聲波換能器的區(qū)域使用的超聲波頻率次之，確定超聲波探頭相對超聲波耦合點(diǎn)的傾斜角使用的超聲波頻率最低。(5)利用超聲波探頭獲取的被探測組織的二維切片圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合超聲波探頭的空間位置及三維姿態(tài)信息，就可以實(shí)現(xiàn)對被探測組織的三維圖像數(shù)據(jù)采集。如圖5所示，是通過超聲波耦合墊內(nèi)的發(fā)射顆粒確定探頭位置坐標(biāo)的一個(gè)實(shí)例示意圖。在本實(shí)施例中以普通線陣探頭為例，點(diǎn)/^和^表示線陣探頭的兩端的兩個(gè)高頻定位超聲波換能器。反射點(diǎn)線陣采用點(diǎn)陣列的布置形式，V為超聲波耦合墊外層的厚度，鳥、 MpM2'……氧為位置已知的反射顆粒。在這里假定鳥為坐標(biāo)原點(diǎn)，以線陣探頭兩個(gè)端點(diǎn)產(chǎn)和^連接線的平行線方向?yàn)閆軸，以超聲波耦合片硬質(zhì)層垂直方向?yàn)檩S，建立直角坐標(biāo)系O位于點(diǎn)P的高頻定位超聲波換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)反射點(diǎn)M0Ji1Ji2'……Mn反射
的回波被本高頻定位超聲波換能器接收，可記錄下來波束往返的時(shí)間分別為to'tpt；；、......
tn。假定超聲波在超聲波耦合墊外層傳播的速度為K，則可計(jì)算出點(diǎn)P到點(diǎn)鳥的距離為
二衫/ ，因?yàn)槌暡詈蠅|外層的厚度已知，所以利用勾股定理可以求得在外層表面與反射點(diǎn)處于同一垂直方向的點(diǎn)慫與點(diǎn)/7的距離5(v2r02 -炎//氣所以點(diǎn)P的位置就在外層表面以點(diǎn)慫為圓心，以距離r,為半徑的圓上。另外，產(chǎn)點(diǎn)同時(shí)處在分別以點(diǎn)&、R2-......、兄為圓心，以......、/^為半徑的圓上。所以只要當(dāng)/ A 時(shí),就可以利用多
圓交匯的方法，確定該高頻定位超聲波換能器所在點(diǎn)/7的位置。同理可求得另一高頻定位超聲波換能器所在點(diǎn)^的位置。這樣整個(gè)線陣探頭的空間位置就確定下來了。如圖6所示，是通過超聲波耦合墊內(nèi)的反射顆粒確定探頭三維姿態(tài)的一個(gè)實(shí)施例示意圖。在本實(shí)施例中探頭和反射線點(diǎn)陣與圖5中實(shí)施例一樣，同為普通線陣探頭，反射顆粒為點(diǎn)陣列布置形式。以反射顆粒所在平面為基準(zhǔn)面，以其中一個(gè)反射顆粒O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系。普通線陣探頭與外層表面接觸，兩端的高頻定位超聲波換能器分別為點(diǎn)P和隊(duì)點(diǎn) Z7和^在面的垂直投影分別為點(diǎn)P0和Q00而點(diǎn)P和^在面上沿超聲波發(fā)射方向(探測方向)的投影分別為點(diǎn)Λ和Qt。設(shè)在某一時(shí)刻線陣探頭沿超聲波發(fā)射方向(探測方向)投影線經(jīng)過某個(gè)反射顆粒#。在平面^F內(nèi)，通過反射點(diǎn)#作線段作的平行線，同時(shí)通過點(diǎn)慫和仏分別作直線Λ從的垂線，則這條經(jīng)過點(diǎn)I與線段作平行的直線和兩條垂線相交形成的交點(diǎn)巧和Qt就是點(diǎn)/^和Q沿超聲波發(fā)射方向(探測方向)在面^F上的投影點(diǎn)。根據(jù)圖 5，我們已經(jīng)得到點(diǎn)P和^的坐標(biāo)，進(jìn)而可根據(jù)點(diǎn)P和^在面X辦的垂直投影慫和Q0的坐標(biāo)得到直線產(chǎn)必的方程。則線段Λ A長度為點(diǎn)#到直線Λ必的距離，可根據(jù)點(diǎn)到直線的距離公式求得其結(jié)果，設(shè)為其結(jié)果7，而線段P ^的長度為外層的厚度^所以可求得ZP ^ P0 的正切tane=d/l。所以，在確定探頭兩個(gè)端點(diǎn)八Q的空間坐標(biāo)和探頭相對超聲波耦合墊的傾角ZP ^ P0以后，線陣探頭的空間位置和三維姿態(tài)就被唯一確定下來了。而對于二維面陣探頭，只要在超聲波陣元所在平面布置三個(gè)高頻定位超聲波換能器，通過檢測三個(gè)高頻定位超聲波換能器的空間位置，就可以同時(shí)確定二維面陣探頭的空間位置和三維運(yùn)動姿態(tài)。如圖7a、圖7b所示，是消除反射顆粒701對被探測對象反射波接收影響的一個(gè)實(shí)施例示意圖。如圖7a所示，線段作為普通線陣探頭702。該探頭透過超聲波耦合墊703向被探測組織704發(fā)射超聲波波束。Mi和JZ7為某個(gè)時(shí)刻超聲波波束通過的兩個(gè)反射顆粒。假設(shè)超聲波在超聲波耦合墊內(nèi)的傳播速度為6則超聲波波束從線陣探頭作發(fā)出，經(jīng)反射粒爲(wèi)和&反射再被探頭接收的時(shí)間td=2d/v,從被探測對象組織內(nèi)部反射回來的超聲波波束時(shí)間因?yàn)?入/，所以pi,，當(dāng)設(shè)置一個(gè)時(shí)間長度為 ,的時(shí)間窗，過濾掉(Γ ,時(shí)間段內(nèi)的反射波時(shí)，就會如圖7b所示，完全消除反射粒反射的超聲波信號，同時(shí)又能夠完全保留被探測組織反射的超聲波信號。
權(quán)利要求
1.一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于包括內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊和由若干高頻定位超聲波換能器構(gòu)成的附加探頭組，所述內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊包括超聲波耦合墊片基和內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基中的反射顆粒，所述高頻定位超聲波換能器為發(fā)射頻率高于所述超聲波探頭的超聲波換能器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于所述超聲波耦合墊片基采用分層設(shè)計(jì)，包括兩層以上，工作時(shí)與超聲波探頭接觸的一層為最外層，與超聲波探頭所要探測的部位或組織接觸一層為最內(nèi)層，在超聲波耦合墊片基相鄰層之間一個(gè)以上的區(qū)域內(nèi)嵌有反射顆粒，所有內(nèi)嵌有反射顆粒的區(qū)域在超聲波耦合墊片基外層平面的投影剛好鋪滿該外層平面，且所有內(nèi)嵌有反射顆粒的區(qū)域在該外層平面的投影不重疊；在所有所述相鄰層之間的所述區(qū)域均涂有薄膜材料層，且各個(gè)區(qū)域的薄膜材料聲阻抗特性不同；在超聲波耦合墊片基相鄰層之間同一區(qū)域內(nèi)不同位置的反射顆粒采用不同聲阻抗特性的材料；超聲波在反射顆粒和所述最外層之間傳播的聲速一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于所述反射顆粒在超聲波耦合墊片基相鄰層之間采用陣列布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于所述陣列為點(diǎn)陣、線陣、點(diǎn)線相結(jié)合的陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于所述最外層材料比最內(nèi)層材料硬。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于超聲波耦合墊片基采用兩層設(shè)計(jì)，反射顆粒布置在與超聲波耦合墊片基外層表面平行的同一平面內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置，其特征在于當(dāng)超聲波探頭為普通線陣探頭或凸陣探頭時(shí)，所述高頻定位超聲波換能器的個(gè)數(shù)為2個(gè)以上，當(dāng)超聲波探頭為面陣探頭時(shí)，所述高頻定位超聲波換能器的個(gè)數(shù)為3個(gè)以上。
8.權(quán)利要求f7任一項(xiàng)所述檢測裝置的檢測方法，其特征在于使超聲波耦合墊的最外層與超聲波探頭接觸，最內(nèi)層與超聲波探頭所要探測的部位或組織接觸；將附加探頭組加裝在超聲波探頭上，且高頻定位超聲波換能器與超聲波耦合墊最外層接觸，附加探頭組向超聲波耦合墊發(fā)射高頻定位超聲波，并接收由超聲波耦合墊內(nèi)已知精確空間位置的反射顆粒反射的回波，根據(jù)高頻定位超聲波的往返傳播時(shí)間計(jì)算出附加探頭組的空間位置，進(jìn)而利用附加探頭組和超聲波探頭的固有位置關(guān)系，確定超聲波探頭的空間位置，再結(jié)合超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角確定超聲波探頭的三維姿態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的檢測方法，其特征在于包括如下步驟步驟一，確定附加探頭組內(nèi)的各個(gè)聞頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)，任一個(gè)聞頻定位超聲波換能器的檢測均包括以下步驟(1)高頻定位超聲波換能器向超聲波耦合墊發(fā)射用于區(qū)域判斷的高頻定位超聲波波束；該波束被超聲波耦合墊內(nèi)的一種薄膜材料反射回來，依據(jù)反射的回波判斷該高頻定位超聲波換能器在超聲波耦合墊上的區(qū)域，該區(qū)域即為該薄膜材料在超聲波耦合墊最外層表面的投影；(2)步驟(I)所述高頻定位超聲波換能器向超聲波耦合墊發(fā)射用于判斷區(qū)域內(nèi)高頻定位超聲波換能器精確位置的高頻定位超聲波；該高頻定位超聲波被步驟(I)所述薄膜材料所在區(qū)域內(nèi)的反射顆粒反射回來，并在不同時(shí)刻被高頻定位超聲波換能器接收，根據(jù)不同反射顆粒反射回來的不同回波信息判斷出相應(yīng)反射顆粒的聲阻抗，進(jìn)而確定各束回波是由哪個(gè)具體的反射顆粒反射回來的，從而將這些回波與相應(yīng)反射顆粒--對應(yīng)起來；(3)依據(jù)高頻定位超聲波換能器發(fā)射和接收用于精確位置判斷的高頻定位超聲波信號的時(shí)間差以及高頻定位超聲波在超聲波耦合墊內(nèi)的傳播速度，求得該高頻定位超聲波換能器與各個(gè)已知空間位置的反射顆粒之間的距離，利用三球交匯的方法求出該高頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)；步驟二、根據(jù)得到各個(gè)高頻定位超聲波換能器的空間坐標(biāo)，確定附加探頭組的空間坐標(biāo)，然后再利用附加探頭組和超聲波探頭的固有位置關(guān)系，確定超聲波探頭的空間位置； 步驟三、當(dāng)超聲波探頭發(fā)射的超聲波波陣面經(jīng)過超聲波耦合墊內(nèi)的某一反射顆粒時(shí)， 部分被反射顆粒超聲波被反射回去，根據(jù)反射顆粒反射回來的回波信息判斷出該反射顆粒的聲阻抗，進(jìn)而確定該束回波是由哪個(gè)具體的反射顆粒反射回來的；然后根據(jù)該反射顆粒已知的空間位置信息和超聲波探頭的空間位置，計(jì)算出超聲波探頭相對超聲波耦合墊的傾斜角，進(jìn)而求得超聲波探頭的三維姿態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的檢測方法，其特征在于步驟(I)中依據(jù)反射的回波的衰減計(jì)算該種薄膜材料的聲阻抗，進(jìn)而確定各束回波是由哪個(gè)區(qū)域的薄膜材料反射回來的，進(jìn)而確定該高頻定位超聲波換能器在超聲波耦合墊上的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超聲波探頭空間位置和三維姿態(tài)的檢測裝置及方法，所述裝置包括內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊和由若干高頻定位超聲波換能器構(gòu)成的附加探頭組，內(nèi)嵌反射顆粒的超聲波耦合墊包括超聲波耦合墊片基和內(nèi)嵌在超聲波耦合墊片基中的反射顆粒。所述檢測方法利用附加探頭組向超聲波耦合墊發(fā)射高頻定位超聲波，并接收由超聲波耦合墊內(nèi)已知精確空間位置的反射顆粒反射的回波，根據(jù)高頻定位超聲波的往返傳播時(shí)間計(jì)算出附加探頭組的空間位置，進(jìn)而確定超聲波探頭的空間位置，再結(jié)合超聲波探頭的傾斜角確定超聲波探頭的三維姿態(tài)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)、定位精確、算法簡單，容易和現(xiàn)有超聲波探測設(shè)備相配套，具有很強(qiáng)通用性。
文檔編號G01S15/06GK102590814SQ201210053010
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者余業(yè)林, 曹燕, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)