一种便携式无盲区多模态超声心电系统

技术领域

本专利涉及医疗设备领域，具体涉及便携式无盲区多模态超声心电系统。

背景技术

目前，超声成像在医疗诊断中广泛应用，但传统的超声系统存在一些局限性：例如传统超声设备通常依赖于特定的设备和系统，如控制台、显示器和图像存储设备，且体积庞大笨重不便携；由于超声探头的体积限制，穿刺过程中的超声图像盲区，导致操作过程中存在危险性；单一的超声成像难以实现介入手术过程中需要实时评估心血管状态的需求。

申请号 201811093945 .7 一种无盲区无菌穿刺装置及其成像方法，包括设置于操作手柄上的超声探头组以及设置于其之间的穿刺针支架，其中超声探头组包括至少两个超声单元，穿刺针支架活动设置于两个超声单元之间，进一步通过将多个超声单元的多个偏转图像加权融合得以实现成像；但是其图像处理算法采用的是加权融合的方式，而两帧图像或两个探头图像生成时间并不是完全一致，而在此过程中探头或被测对象会发生移动，此时该算法就会把有错位的两帧清晰图像加权融合，导致出现伪影问题。

申请号 202310090580 .7一种超声引导下穿刺血管的可视化定位装置，其包括采集机构、驱动器、主机，所述采集机构包括支撑架和设备架，所述设备架水平区段上滑动装配有轴向探头，设备架竖直区段上固定安装有径向探头；但是此穿刺可视化装置依然存在体积庞大笨重不便携的缺点。

申请号202080050480 .6用于结构性心脏手术的压力感测导丝、系统和方法，提供了一种压力导丝，其包括外管、定位在外管径向内侧的连接管、压力传感器组件和/或在外管远端处的远侧尖端。但此专利所述压力导丝为单腔结构，且其作为单独的压力监测装置，无法与心脏介入手术中其他监测设备兼容。

因此，针对以上专利的不足，一种具备适用于移动端芯片架构的高分辨率图像处理算法的便携式无盲区多模态超声心电系统，解决成像盲区处理算法产生的伪影问题，通过超声图像和血流压力及心电信号的监测，实时分析心血管状态，对提升介入手术操作便利性及成功率有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式无盲区多模态超声心电系统，旨在解决传统超声体积庞大笨重不便携、操作逻辑复杂，盲区处理算法产生伪影及数据分析模式单一的问题。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种便携式无盲区多模态超声心电系统，其特征在于包括便携式无盲区超声探头、便携式心电及血流压力监测模块、血流压力导丝及控制系统；便携式无盲区超声探头由双探头阵列柔性声头与超声主板组成，超声主板集成了数字信号处理器与发射接收控制模块；便携式心电及血流压力监测模块处理心电和血流压力信号并在已安装所述控制系统的移动端设备上显示；血流压力导丝由显影弹簧、双腔套管及光纤法珀腔压力传感器组成；控制系统包括超声控制模块、超声图像处理模块、超声诊断模块及数据库模块；所述控制系统以软件的形式安装到移动端设备，即手机或平板中，实现了便携式超声成像和心电及血流压力监测。

进一步，所述便携式无盲区超声探头，由双探头阵列柔性声头和超声主板组成；双探头阵列柔性声头是发射和接受超声信号的传感装置，由柔性超声换能器阵列和声头外壳组成，柔性超声换能器阵列中的两个探头阵列相互平行，是无盲区成像的硬件基础；所述柔性超声换能器阵列由两组压电微机械超声换能器并联而成，每组为一个探头阵列；所述压电微机械超声换能器微观结构包括顶电极、压电层、底电极、结构层和基底；压电层材料为锆钛酸铅，结构层为硅晶片，基底材料为聚二甲基硅氧烷；顶电极、压电层和底电极由光刻工艺制成，与基底粘结，使得柔性超声换能器阵列具备柔性与可拉伸性，以贴合皮肤表面进行长距离成像，成像距离即柔性超声换能器阵列的长度根据应用场景不同划分为100mm至200mm多种规格，无需移动探头就可以覆盖整个导丝植入区域；最小可弯折半径50mm，超声换能器密度为8个/10mm，厚度为8mm。

进一步，所述超声主板集成了数字信号处理器与发射接收控制模块，所述发射接收控制模块控制顶电极与底电极之间的电流通断，使得压电层产生形变，从而带动空气振动产生超声波；所述超声主板接收控制系统发出的信号，即超声频率，回波深度信息，通过发射接收控制模块控制声头发射与接收超声波，所述数字信号处理器包括滤波器、放大器和模数转换器，滤波器和放大器将回波信号做滤波和放大处理，模数转换器将回波信号转换成数字信号，通过高速数据传输接口传输回控制系统。

进一步，所述心电模块包括放大器和模数转换器，放大器将心电信号放大，模数转换器将心电信号模数转换后发送给控制系统，将心电信号波形与超声图像同步显示到移动端设备屏幕上；由于电极跟随血流压力导丝置于血管中，通过观察腔内心电图P波特征性改变，即高振幅Ｐ波的起始段有基线向下的小负向波，来判断导丝头端位置。

进一步，所述心电模块使用了一种适配通用数据传输接口的心电数据格式，使心电模块能够与各种移动端设备和操作系统平台进行无缝集成和通信；所述心电数据格式包括数据包头部、数据字段和校验位。

进一步，所述数据包头部包括设备信息、数据时间戳、数据压缩算法代号和数据长度；所述设备信息即设备类型、设备ID和软件版本号；所述数据时间戳用来记录数据采集的时间信息；所述数据压缩算法代号表示数据压缩的方式；所述数据长度指数据包中有效数据的长度。

进一步，所述数据字段以开头8位二进制数据作为标志位，数据字段包括心电波形数据、心率数据、导联信息和数据质量标识；所述心电波形数据为以数字形式表示的心电信号波形数据，采用多导联的方式进行传输；所述心率数据记录心率信息，即每分钟心跳次数；所述导联信息描述心电信号采集的导联方式；所述数据质量标识表示数据的质量和可靠性，包括信噪比、伪差；所述校验位用于验证数据的完整性和正确性；数据字段之间使用十六进制字符0xFF作为分隔符，该分隔符不与任何格式的数据相同。

进一步，所述光信号发射解调模块通过监测血流压力来定量评价心血管及心肌状态，为介入手术提供有效的术前评估及术中监测；所述光信号发射解调模块接收到血流压力导丝的光信号后，将法珀腔上下腔壁反射回来的光信号的光程差解调出来，再根据传感器灵敏度计算出当前血流压力值，所述传感器灵敏度由物理特性极佳的硅膜决定，为精准的血流压力监测提供了硬件基础。

进一步，所述血流压力导丝由显影弹簧、双腔套管及光纤法珀腔压力传感器组成，其中光纤法珀腔压力传感器位于双腔套管的上腔道中；所述光纤法珀腔压力传感器由法珀腔和光纤组成，其中法珀腔由上腔壁的硅膜和腔体组成，所述腔体是在硅晶片上经化学腐蚀后激光切割制成，由于所述光纤法珀腔压力传感器部分不含电子元器件，所以具有不受电磁干扰和耐腐蚀的优异特性；外界微弱的压力变化就会导致实时腔长变化，从而使法珀腔上下腔壁反射回来的光信号的光程差发生变化，将该变化量传给所述光信号发射解调模块，实现精准的血流压力监测；所述双腔套管实现了一根导丝穿刺可以同时监测心电和血流压力信号，提高了手术效率。

进一步，所述控制系统由超声控制模块、超声图像处理模块、超声诊断模块及数据库模块组成，所述超声控制模块根据预设参数，对便携式无盲区超声探头发出控制信号，接收到来自便携式无盲区超声探头的超声回波信号，交由超声图像处理模块处理。

进一步，所述超声图像处理模块，其使用无盲区多普勒超声成像算法，该成像算法主要由波束参数缓存预写入系统、适用于移动端芯片架构GPU的相干因子类自适应波束合成算法、多探头并行图像处理及基于强特征点的图像配准融合算法组成；所述相干因子类自适应波束合成算法将广义相干因子与相位相干因子结合，对回波信号进程波束合成。

进一步，所述波束参数缓存预写入系统包括缓存数据写入模块和回波增益函数；缓存数据写入模块将血管组织的超声频移、孔径及角度的波束相干性参数信息预先写入缓存，回波增益函数对血管组织及血流多普勒频移的超声回波增加权重，增益量

进一步，所述多探头并行图像处理及基于强特征点的图像配准融合算法将双探头阵列并行计算得到的两张图片融合，能有效缓解多探头阵列图像处理延迟引起的图像融合过程中的伪影问题，形成最终的高分辨率无盲区超声图像。

进一步，超声诊断模块对超声图像上用户指定两点的距离和指定图形的面积进行计算显示，及对病灶或目标组织如血管的位置的识别与标注；该模块将控制逻辑精简。

进一步，数据库模块对病历数据、超声或心电图像截图进行保存，建立索引，可通过关键词或病历ID快速查找相关数据；对于频繁进行查询的数据，数据库模块会进行索引优化，根据具体的查询需求和查询性能进行索引的调整和重新创建，以提高查询效率和减少索引的空间占用。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

（1）本发明将超声系统底层架构适配移动端处理器，波束参数缓存预写入系统，对血管组织超声信号进行增益加权，使得进行指定增益对象的超声成像时有传统大型超声设备同等图像分辨率和对比度的同时，降低了对硬件计算能力的需求，为适配移动端设备提供了算法保障，使用一个探头连接到移动端设备就可以进行超声成像的便携式超声成像，提升了医护人员操作便利性。

（2）本发明将心电模块适配移动端架构，实现了在手机观测超声图像的同时显示心电信号，有助于精准定位导丝位置，提升了介入手术过程中医护人员的诊断效率；为心电模块设计了一种适配通用数据传输接口的心电信号传输数据格式，使心电模块能够实现移动端设备跨平台进行通信。

（3）本发明将光纤法珀腔压力传感技术集成到超声心电系统中，通过监测血流压力来定量评价心血管及心肌状态，为介入手术提供有效的术前评估及术中监测，其中本发明设计的血流压力导丝中双腔套管的结构，实现了一根导丝穿刺可以同时监测心电和血流压力信号，提高了手术效率，降低了病人负担。

（4）本发明设计了一种便携式无盲区超声探头，采用柔性超声换能器阵列，其由两组压电微机械超声换能器并联而成，每组为一个探头阵列；所述柔性超声换能器阵列具备柔性与可拉伸性，可自然地贴合皮肤，无需移动探头就可以覆盖整个导丝植入区域；配合所述控制系统的图像处理算法将双探头阵列并行计算得到的两张图片融合，消除成像盲区。

（5）本发明提出了基于多探头并行图像处理及基于强特征点的图像配准融合算法，不仅解决了传统图像加权平均算法在消除成像盲区时的伪影问题，而且将此算法优化适配到移动端设备，实现了便携式超声系统的无盲区成像。

（6）本发明将超声控制及后处理逻辑精简，相比传统超声复杂的控制面板，只需要在安装所述控制系统的设备触控屏幕上操作，数据库系统可以对每个病历的相关数据建立索引，可通过关键词或病历ID快速方便快捷的查找相关数据。

附图说明

图1为本发明的系统设计框架图。

图2为本发明的系统硬件连接示意图。

图3为本发明的系统工作流程图。

图4为本发明的血流压力导丝结构示意图。

图5为本发明的法珀腔横截面示意图。

图6为本发明的便携式无盲区超声探头结构示意图。

图7为本发明的柔性超声换能器阵列结构示意图。

图8为本发明的多普勒模式血流超声成像对比图。

图中标号说明：1-移动端设备，2-高速数据传输线，3-便携式心电及血流压力监测模块，4-便携式无盲区超声探头，5-心电导联线，6-血流压力导丝，7-显影弹簧，8-上腔道开口，9-双腔套管，10-硅膜，11-法珀腔腔体，12-声头外壳，13-柔性超声换能器阵列，14-超声主板，15-基底，16-顶电极，17-压电层，18-底电极，19-结构层。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的技术细节做进一步详细描述。

本发明的系统设计框架图如图1所示，所述便携式无盲区多模态超声心电系统，其特征在于包括便携式无盲区超声探头4、便携式心电及血流压力监测模块3、血流压力导丝6及控制系统；控制系统包括超声控制模块、超声图像处理模块、超声诊断模块及数据库模块；所述控制系统以软件的形式安装到移动端设备1中；便携式无盲区超声探头4由双探头阵列柔性声头与超声主板14组成，超声主板14集成了数字信号处理器与发射接收控制模块；便携式心电及血流压力监测模块3处理心电和血流压力信号并在移动端设备1显示；血流压力导丝6由显影弹簧7、双腔套管9及光纤法珀腔压力传感器组成。

实施例1：

本发明的系统硬件连接示意图如图2所示，移动端设备1通过高速数据传输线2与便携式心电及血流压力监测模块3的IN口相连，便携式无盲区超声探头4与便携式心电及血流压力监测模块3的OUT口相连，若只使用超声成像功能，可将便携式无盲区超声探头4与移动端设备1直接相连；心电导联线5一端与便携式心电及血流压力监测模块3的导联线口相连，另一端由五个电极组成，其中一个电极置于血流压力导丝6中双腔套管9的下腔道内，其余四个电极按照图2所示贴在人体皮肤表面指定位置。

实施例2：

本发明的血流压力导丝6结构如图4所示，血流压力导丝6由显影弹簧7、双腔套管9及光纤法珀腔压力传感器组成，血流压力导丝6直径为0.8mm，其中光纤法珀腔压力传感器位于双腔套管9的上腔道中；所述光纤法珀腔压力传感器由法珀腔和光纤组成；所述法珀腔位于双腔套管9的上腔道开口8处，其微观结构如图5所示，包括硅膜10和法珀腔腔体11组成；所述血流压力导丝6置于血管中时，血流流经上腔道开口8，与硅膜10接触，血流压力使实时腔长变化，从而使法珀腔上下腔壁反射回来的光信号的光程差发生变化，将该变化量传给所述便携式心电及血流压力监测模块3的光信号发射解调模块。

实施例3：

本发明的便携式无盲区超声探头4结构如图6所示，由双探头阵列柔性声头与超声主板14组成，其中双探头阵列柔性声头由声头外壳12与柔性超声换能器阵列13组成；所述柔性超声换能器阵列13的结构如图7所示，由基底15、顶电极16、压电层17、底电极18和结构层19组成，通过控制顶电极16与底电极18之间的电流通断，使得压电层17产生形变，从而带动空气振动产生超声波；所述柔性超声换能器阵列13的长度，根据超声显影位置的不同，从100mm到200mm每间隔10mm划分为1种规格，共11种规格，无需移动探头就可以覆盖整个导丝植入区域，最小可弯折半径50mm，超声换能器密度为8个/10mm，厚度为8mm；将需显影的位置涂抹上耦合剂，再将便携式无盲区超声探头4的柔性超声换能器阵列13与显影位置的皮肤表面贴合，最后打开所述控制系统，由经过培训的专业医护人员按照软件指示操作即可使用便携式超声显影的功能。

实施例4：

本发明的系统工作流程图如图3所示，首先系统开始后会进行初始化，包括硬件检测、将硬盘中各个模块二进制文件及用户数据库加载到内存，然后超声控制模块按照预设参数，包括超声频率、回波深度及成像模式，通过高速数据传输接口向探头中的发射接收控制模块发送控制信号；位于柔性超声换能器阵列13的超声换能器发射超声波，随即进入监听模式，监听到超声回波信号经过数字信号处理器滤波、放大处理后转换成数字信号，再通过高速数据传输接口触发系统中断，超声图像处理模块处理该中断信号，将回波信号数据增益加权和波束合成计算处理，最终形成单探头阵列一帧图像数据，再通过图像配准融合算法将双探头阵列的两帧图像融合，形成最终的超声图像显示；超声诊断模块对超声图像上用户指定两点的距离和指定图形的面积进行计算显示，及对病灶或目标组织如血管的位置的识别与标注；由于心电模块信号处理、超声信号处理及血流压力信号处理均为独立的芯片，所以心电、超声及血流压力的信号处理互不干扰，最终将心电与血流压力波形数据传回控制系统来显示；数据库系统将此次超声图像数据、测量结果、心电及血流压力数据及病历信息建立索引，存入硬盘指定位置。

实施例5：

使用本发明的便携式无盲区多模态超声心电系统作为实验组；按照实施例1的方式连接完成后，在便携式无盲区超声探头4表面涂上耦合剂并置于血管处，观察屏幕上的超声图像，找到合适的静脉血管进行穿刺，而后进行导丝植入，实时观察腔内心电图P波特征性改变，来判断导丝头端位置，同时通过观察血流压力波形评估血管状态，判断是否需要进行冠状动脉支架植入术。

对比例1：

采用常规超声设备作为对比例。其功能对比如表1所示：

表1 便携式无盲区多模态超声心电系统和常规超声设备的功能比较

通过表1的功能对比，可以清楚的看到，本发明的便携式无盲区多模态超声心电系统解决了传统超声体积庞大笨重不便携、操作逻辑复杂的问题，还可以通过血流压力及心电信号的监测，实时分析心血管状态，提高了介入手术诊断治疗过程中的准确性和便携性。

对比例2：

采用常规超声加额外的心电及血流压力监测装置作为对比例，进行血管穿刺，而后进行导丝植入，实时观察腔内心电图P波特征性改变，来判断导丝头端位置，同时通过观察血流压力波形评估血管状态，判断是否需要进行冠状动脉支架植入术；记录需要观察的指标：

（1）操作完成时间；

（2）设备操作便携性主观评分：1-10分，10分代表最高分；较高的评分表示设备的便携性较高；

（3）图像成像清晰度主观评分：1-10分，10分代表最高分；较高的评分表示设备的清晰度较高；

对照试验结果如表2所示：

表2 对比例和实验组的手术结果比较

由对比例的操作完成时间和设备操作便携性评分，及与实验组对应结果对比可以发现，实验组可将介入手术操作时间降低30%-50%，大幅提升了操作便携性，同时有着优异的成像清晰度；本发明的便携式无盲区多模态超声心电系统在操作过程中移动十分便捷，柔性超声换能器阵列可实现200mm的血管成像长度，无需移动探头就可以覆盖整个导丝植入区域，从而减少了移动探头的时间，且血流压力导丝6中的双腔套管9可实现植入一根导丝可同时观察血流压力与心电信号，有效提升了手术效率。

对比例3：

在多普勒超声的显示模式下，使用本发明所述波束参数缓存预写入系统、适用于移动端芯片架构GPU的相干因子类自适应波束合成算法及多探头并行图像处理及基于强特征点的图像配准融合算法对血流成像，再对同一位置进行常规超声算法成像；图8（A）为使用本发明图像处理算法的多普勒血流超声图，图8（B）为使用常规图像处理算法的多普勒血流超声图；白色面积为血流的图像，本图做了黑白处理，血流实际在系统界面显示为蓝色；可以观察到使用本发明图像处理算法对血流范围的识别更准确，对血管壁位置的判断也更清晰。

以上内容结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明包括但不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的范围情况下，可以对其进行各种改进和变化，本发明均可适用于超声和心电成像的任何有医疗成像需求的应用场景。任何本领域的技术人员能思之的变化都应是本发明的保护范围。