超声引导穿刺装置和超声引导穿刺检测方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种超声引导穿刺装置和一种超声引导穿刺检测方法。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

目前，通过神经阻滞达到机体的某一部分的感觉神经传导功能暂时被阻断，实现局部麻醉，其运动神经传导保持完好或同时有程度不等的被阻滞状态，这种神经阻滞完全可逆，不产生任何组织的损害。神经阻滞麻醉具有药物清除快、生理机能影响小、术后感染风险低等优势，神经阻滞麻醉在针对各类人群的各类手术中有着广泛的应用。

神经阻滞操作时必须严格控制穿刺针在人体内穿过的路径，避免对周围组织造成不必要的损害，并控制穿刺针尖点准确到达神经丛，进而注射麻醉药物，获得最好的麻醉效果。现有的超声引导穿刺架对保持穿刺针在超声平面内穿刺存在难点，且无法有效的检测穿刺针是否在超声内穿刺，也无法识别导针器是否正常安装到位。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有的超声引导穿刺设备难以保持穿刺针在超声平面内穿刺的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种超声引导穿刺装置，包括：

支架；

导针器，设置在所述支架上，所述导针器用于安装穿刺针；

摄像模组，设置在所述支架上；

定位部，设置在所述摄像模组的采集范围内，所述摄像模组用于采集所述穿刺针与所述定位部的位置图像；

超声探头，设置在所述支架上，所述超声探头用于扫描成像患者的目标神经位置；

检测装置，分别与所述摄像模组和所述超声探头电连接，所述检测装置用于根据所述位置图像检测所述穿刺针是否在所述超声探头的超声平面外穿刺。

本发明第一方面提出的超声引导穿刺装置具有安装穿刺针的导针器，能够固定穿刺针并对穿刺针进行导向，摄像模组能够采集所述穿刺针与所述定位部的位置图像，检测装置通过对比较图像进行分析以判断穿刺针是否在超声探头的超声平面外穿刺，超声引导穿刺装置还具有扫描成像患者的目标神经位置的超声探头以在穿刺时对穿刺针进行引导。

另外，根据本发明的超声引导穿刺装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述超声引导穿刺装置还包括穿刺角度调节机构，所述穿刺角度调节机构设置在所述支架上且与所述导针器连接，所述穿刺角度调节机构用于调节所述导针器上的穿刺针的角度。

在本发明的一些实施例中，所述穿刺角度调节机构包括：

安装架，所述导针器设置在所述安装架上；

第一弧形导轨，所述第一弧形导轨的两端分别与所述安装架和所述支架连接；

第二弧形导轨，所述第二弧形导轨的两端分别与所述安装架和所述支架连接，所述导针器相较所述第一弧形导轨更靠近所述第二弧形导轨设置；

驱动组件，设置在所述安装架上，所述驱动组件与所述第一弧形导轨连接，所述驱动组件用于驱动所述安装架沿所述第一弧形导轨运动。

在本发明的一些实施例中，所述超声引导穿刺装置还包括设置在所述支架上的所述位置检测组件，所述位置检测组件包括霍尔传感器，所述导针器包括磁性件，所述位置检测组件用于通过霍尔效应检测所述导针器的位置。

在本发明的一些实施例中，所述摄像模组的采集范围与所述超声探头的采集范围至少部分重合，所述定位部设置在所述超声探头的超声中轴面上。

本发明的第二方面提了一种超声引导穿刺检测方法，根据本发明第一方面提出的超声引导穿刺装置来实施，所述超声引导穿刺检测方法包括以下步骤：

控制所述超声引导穿刺装置的摄像模组采集穿刺针的位置图像；

对所述位置图像进行处理，以突出所述穿刺针的特征；

计算所述穿刺针在图像中呈现的直线的斜率，根据直线的斜率判断所述穿刺针的倾斜情况。

本发明第二方面提出的超声引导穿刺检测方法通过分析摄像模块采集的穿刺针在人体外的姿态图像，通过检测装置对上述姿态图像进行处理以突出穿刺针在图像中的特征，再对处理后的图像进行分析，计算穿刺针在图像中呈现的直线的斜率，根据斜率判断穿刺针的穿刺路径是否偏离。

在本发明的一些实施例中，所述对所述位置图像进行处理，以突出所述穿刺针的特征的步骤包括：

将所述摄像模组采集到的原始图像转换为灰度图像。

在本发明的一些实施例中，在所述将所述摄像模组采集到的原始图像转换为灰度图像的步骤之后还包括步骤：

使用边缘检测算法提取所述灰度图像的边缘。

在本发明的一些实施例中，在所述使用边缘检测算法提取所述灰度图像的边缘的步骤之后还包括步骤：

对边缘检测算法得到的图像使用大津法计算自适应阈值，并使用所述自适应阈值对边缘检测算法得到的图像进行二值化操作得到二值图像。

在本发明的一些实施例中，所述对边缘检测算法得到的图像使用大津法计算自适应阈值，并使用所述自适应阈值对边缘检测算法得到的图像进行二值化操作得到二值图像的步骤之后还包括步骤：

对所述二值图像使用霍夫线变换算法检测图像中的直线。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺装置的第一视角的结构示意图；

图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺装置的第二视角的结构示意图；

图3示意性地示出了图2中A处的局部放大结构示意图；

图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺装置的第三视角的结构示意图；

图5示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺装置的第四视角的结构示意图；

图6示意性地示出了根据图5中D-D截面的结构示意图；

图7示意性地示出了图6中B处的局部放大结构示意图；

图8示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺装置的穿刺针在偏离超声平面以及处于超声平面内的对比结构示意图；

图9示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺检测方法的流程示意图；

图10示意性地示出了根据本发明的实施方式的超声引导穿刺检测方法在霍夫线变换步骤时的检测图像示意图。

附图标记如下：

100、穿刺针；

10、支架；11、导针器；111、安装孔；12、摄像模组；13、定位部；14、超声探头；141、超声中轴面；15、霍尔传感器；16、磁性件；

20、安装架；21、第一弧形导轨；22、第二弧形导轨；23、驱动组件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图10所示，本发明的第一方面提出了一种超声引导穿刺装置，包括支架10、导针器11、摄像模组12、定位部13、超声探头14和检测装置，导针器11设置在支架10上，导针器11用于安装穿刺针100，摄像模组12设置在支架10上，定位部13设置在摄像模组12的采集范围内，摄像模组12用于采集穿刺针100与定位部13的位置图像，超声探头14设置在支架10上，超声探头14用于扫描成像患者的目标神经位置，检测装置分别与摄像模组12和超声探头14电连接，检测装置用于根据位置图像检测穿刺针100是否在超声探头14的超声平面外穿刺。

可以理解的是，导针器11可以是块型结构，其中设置安装孔，通过将穿刺针100穿设于安装孔111中实现将穿刺针100的固定，为便于控制穿刺针100的穿刺深度，可在支架10上设置径向驱动机构，导针器11与径向驱动机构传动连接，径向驱动机构可选用蜗轮蜗杆机构或者丝杠机构等，以驱动导针器11前后运动，实现控制穿刺的进深。摄像模组12可选用现有的摄像模块，摄像模组12安装在支架10上，且摄像的角度朝向导针器11上的穿刺针100露出的部分，超声探头14可选用现有的超声探头14，可安装在支架10上实现固定。定位部13为实体结构，可以是设置在超声探头14的外侧的柱形结构，以作为摄像模组12拍摄的图像中的参照，进而判断穿刺针100是否偏离。检测装置能够接收摄像模组12拍摄的图像，在图像中呈现穿刺针100和定位部13的影像，通过图像处理可使穿刺针100以及定位部13特征更加显著，进而以定位部13作为参照，分析穿刺针100是否偏离，以对穿刺手术进行实时把控。

本发明第一方面提出的超声引导穿刺装置具有安装穿刺针100的导针器11，能够固定穿刺针100并对穿刺针100进行导向，摄像模组12能够采集穿刺针100与定位部13的位置图像，检测装置通过对比较图像进行分析以判断穿刺针100是否在超声探头14的超声平面外穿刺，超声引导穿刺装置还具有扫描成像患者的目标神经位置的超声探头14以在穿刺时对穿刺针100进行引导。

如图1、图4和图5所示，在本发明的一些实施例中，超声引导穿刺装置还包括穿刺角度调节机构，穿刺角度调节机构设置在支架10上且与导针器11连接，穿刺角度调节机构用于调节导针器11上的穿刺针100的角度。

如图1、图4和图5所示，在本发明的一些实施例中，穿刺角度调节机构包括：

安装架20，导针器11设置在安装架20上；

第一弧形导轨21，第一弧形导轨21的两端分别与安装架20和支架10连接；

第二弧形导轨22，第二弧形导轨22的两端分别与安装架20和支架10连接，导针器11相较第一弧形导轨21靠近第二弧形导轨22设置；

驱动组件23，设置在安装架20上，驱动组件23与第一弧形导轨21连接，驱动组件23用于驱动安装架20沿第一弧形导轨21运动。

具体地，安装架20可以是板型支架10结构，导针器11可通过径向驱动机构安装在安装架20上。第一弧形导轨21和第二弧形导轨22呈弧形设置，第一弧形导轨21的长度大于第二弧形导轨22的长度，第一弧形导轨21与第二弧形导轨22可同圆心设置，第一弧形导轨21设置在第二弧形导轨22的径向外侧，安装架20的一端可与第二弧形导轨22连接，此端可设置腰型孔，通过螺栓将安装架20固定在第二弧形导轨22上，并且可沿腰型孔调节连接的位置，安装架20的另一端以可滑动的方式与第一弧形导轨21连接，并且在安装架20上设置驱动组件23，例如齿轮齿条机构，电机驱动齿轮沿设置在第一弧形导轨21上的齿条运动，进而带动安装架20沿第一弧形导轨21运动，上述双弧形导轨机构能够方便地调节穿刺角度。

如图1、图6和图7所示，在本发明的一些实施例中，超声引导穿刺装置还包括设置在支架10上的位置检测组件，位置检测组件包括霍尔传感器15，导针器11包括磁性件16，位置检测组件用于通过霍尔效应检测导针器11的位置。在支架10上可设置固定部用于安装具有霍尔传感器15的电路板，在导针器11与安装架20连接的一端可设置凹槽用于安装磁性件16，当导针器11安装到位时，磁性件16可与霍尔传感器15发生霍尔效益，此时电路板可检测到霍尔效应产生的电压变化，进而将其转化为安装到位的信号，以检测导针器11是否安装到位。

如图1至图4所示，在本发明的一些实施例中，摄像模组12的采集范围与超声探头14的采集范围至少部分重合，定位部13设置在超声探头14的超声中轴面141上。摄像范围和超声范围部分重合可以通过摄像模组12设置在超声探头14的上方，且摄像模组12与超声探头14平行设置来实现，这样使得摄像模组12和超声探头14能够监测到穿刺针100的穿刺过程。定位部13的位置设置在超声探头14的超声中轴面141上，超声中轴面141是指经过超声探头14的超声平面的中轴线且垂直于超声探头14的超声平面的平面，定位部13的作用是提供穿刺针100的参照。穿刺针100安装在导针器11上时，穿刺针100与上述超声平面的中轴线以及定位部13同平面。

如图9和图10所示，本发明的第二方面提了一种超声引导穿刺检测方法，根据本发明第一方面提出的超声引导穿刺装置来实施，超声引导穿刺检测方法包括以下步骤：

控制超声引导穿刺装置的摄像模组12采集穿刺针100的位置图像；

对位置图像进行处理，以突出穿刺针100的特征；

计算穿刺针100在图像中呈现的直线的斜率，根据直线的斜率判断穿刺针100的倾斜情况。

本发明第二方面提出的超声引导穿刺检测方法通过分析摄像模组12采集的穿刺针100在人体外的姿态图像，通过检测装置对上述姿态图像进行处理以突出穿刺针100在图像中的特征，再对处理后的图像进行分析，计算穿刺针100在图像中呈现的直线的斜率，根据斜率判断穿刺针100的穿刺路径是否偏离。

本发明提出的超声引导穿刺检测方法的具体流程如下：

通过摄像模块采集穿刺针100在穿刺过程中的位置图像，将采集的位置图像分割感兴趣区域(ROI，region of interest，感兴趣区域)。可将图像中心区域划定为感兴趣区域，减少其他区域对算法判别的干扰。

再对划分感兴趣区域后的图像进行预处理，将原始图像帧转换为灰度图像。

具体地，对划分感兴趣区域后的图像进行预处理，将原始图像帧转换为灰度图像。计算公式如下：

Y＝0.3R+0.59B+0.11B

其中Y是图像亮度，以这个亮度值表达图像的灰度值。R，G，B代表原始彩色图像在红色通道，绿色通道，蓝色通道上的值。

再使用边缘检测算法提取灰度图像的边缘。

具体地，使用Canny边缘检测算法提取灰度图像的边缘。首先使用高斯滤波器以平滑图像，滤除噪声。

可以理解的是，高斯滤波器是一种线性滤波器，原理是取滤波器窗口内的像素的均值作为输出，高斯滤波器的窗口模板系数随着距离模板中心的增大而系数减小。

图像平滑处理如下：

a)高斯函数是一种连续的数学函数，用于描述正态分布。它在中心点处有一个峰值，并随着距离中心点的增加逐渐减小。高斯函数的一维形式:

b)高斯滤波器核：高斯滤波器在图像处理中采用离散形式的高斯函数。通过离散化连续高斯函数得到高斯滤波器核，也称为高斯模板或卷积核。高斯滤波器核是一个二维的矩G阵，其中的元素值表示离散化的高斯函数在各个位置上的权重。H是3x3的高斯滤波器核

c)滤波操作：在图像处理中，将高斯滤波器核应用于图像的每个像素点上。具体来说，将高斯滤波器核与图像进行卷积操作，即对每个像素及其邻域进行加权平均。卷积操作可以通过将高斯滤波器核在图像上滑动并进行相乘求和的方式实现。滤波结果由以下公式确认：

其中e为高斯滤波和图像卷积后得到的结果，H是高斯滤波核，A为原始图像像素。

d)平滑效果：高斯滤波器通过加权平均的方式对图像的像素进行模糊处理。离中心像素越远的像素在平滑过程中的贡献越小，因为高斯函数的值随距离中心点的增加而减小。这样就实现了图像平滑的效果。

进一步，对处理后的图像计算梯度幅值和方向：使用索贝尔算子或其他梯度算子计算图像中每个像素的梯度幅值和方向。梯度幅值表示像素的灰度变化强度，而梯度方向表示灰度变化的方向。通常，水平和垂直方向上的梯度可以通过计算像素周围的亮度差异来获得。梯度和梯度方向由以下公式确定：

θ＝arctan(G

其中G为梯度强度，G

进一步的，对梯度幅值图像进行非极大值抑制，以细化边缘并消除边缘上的非极大响应。这个步骤通过在梯度方向上对每个像素进行比较，仅保留具有最大梯度幅值的像素，将其它像素抑制为零。通过非极大值抑制的操作，可以在梯度方向上筛选出具有最大梯度幅值的像素，形成细化的边缘。这样可以避免边缘变宽或模糊，同时保持边缘的细节信息。

进一步的，根据预先设定的阈值，对非极大值抑制后的图像进行二值化处理。通常采用双阈值处理，将像素分为强边缘、弱边缘和非边缘三个类别。如果像素的梯度幅值高于高阈值，则被视为强边缘。如果像素的梯度幅值低于低阈值，则被视为非边缘。介于两个阈值之间的像素被视为弱边缘。

最终得到的是图像中的强边缘。

进而，对边缘检测算法得到的图像用大津法计算自适应阈值，并使用自适应阈值对进行图像二值化操作得到二值图像。

具体地，对经过边缘检测算法得到的图像用大津法计算自适应阈值，并使用该阈值对进行图像二值化操作，以突出穿刺针100特征。大津法(最大类间方差法)是一种经典的自适应阈值选择方法，可参考百度百科：

(https://baike.baidu.com/item/％E6％9C％80％E5％A4％A7％E7％B1％BB％E9％97％B4％E6％96％B9％E5％B7％AE％E6％B3％95？fromModule＝lemma_search-box)，大津法用于图像二值化操作。该方法通过最大化类间方差来确定最佳阈值，使得图像在二值化后的类别之间的差异最大化。以下是大津法计算步骤：

a)将灰度图像转换为直方图：首先，将原始图像转换为灰度图像，并计算其直方图。直方图表示不同灰度级别在图像中的分布情况。

b)计算类间方差：对于每个可能的阈值T(从0到255)，将图像分为两个类别：背景和前景。计算每个阈值下的类间方差，该类间方差表示通过该阈值将图像分割为背景和前景时。类别之间的差异程度。类间方差由下公式确定：

Std＝w

其中，w

c)寻找最大类间方差：遍历所有可能的阈值，计算每个阈值下的类间方差，并找到使类间方差最大的阈值。这个阈值即为最佳阈值，用于图像的二值化。

d)应用阈值进行二值化：使用最佳阈值将图像进行二值化。将原始灰度图像中的像素根据阈值分为背景和前景两类，像素值高于阈值的被置为白色(255)，低于阈值的被置为黑色(0)。

在本发明的一些实施例中，对边缘检测算法得到的图像用大津法计算自适应阈值，并使用自适应阈值对进行图像二值化操作得到二值图像的步骤之后还包括步骤：

对二值图像使用霍夫线变换算法检测图像中的直线。

具体地，霍夫线变换算法步骤如下：

a)对图像边缘构建霍夫空间，对于每个边缘点，在霍夫空间中构建一个曲线，该曲线表示可能的直线参数(极坐标形式)。霍夫空间通常由两个参数表示：ρ和θ。ρ表示直线到原点的距离，原点可取定位部13的坐标作为原点位置，定位部13处于超声平面的中轴面上，且穿刺针100的理论穿刺皮肤进针点同样处于超声平面的中轴面上，理论穿刺皮肤进针点与定位部13的端部的连线还与超声平面垂直，ρ可以通过以下公式计算：ρ＝x*cos(θ)+y*sin(θ)，θ表示直线与x轴的夹角，通常取值范围为0到π。对于每个边缘点，遍历可能的θ值，并计算对应的ρ值，将这些点在霍夫空间中进行累加。

b)确定直线：在霍夫空间中，检测出现频率较高的点，这些点表示在图像中具有较高概率的直线。通常通过设置一个阈值来选择累加值超过阈值的点。

c)转换回图像空间：根据在霍夫空间中检测到的直线参数，将这些参数转换回图像空间。通过计算ρ和θ的逆变换，可以得到直线在图像上的位置。

霍夫线变换可以检测出图像中各种方向和长度的直线，对于存在噪声或中断的直线也具有一定的鲁棒性。

最后计算图像中直线斜率，(在霍夫线变换算法的步骤中,函数返回直线的起点和终点坐标)。由于机械结构限制和分割感兴趣区域的步骤的双重限制，像中检测直线仅仅出现一条直线(穿刺针100出现在摄像模块下)或不出现直线(穿刺针100未出现在摄像模块下)。

a)未检测直线时，默认忽略，不计算斜率。

b)检测到直线时，利用直线的起点和终点坐标，计算直线的斜率。可以使用以下公式计算斜率：

slope＝(y

其中，(x

根据直线的斜率判断倾斜情况。如果斜率大于0，则表示直线向上倾斜；如果斜率小于0，则表示直线向下倾斜；如果斜率接近0，则表示直线接近水平。

给定直线斜率的偏离阈值d,若|slope＞d，则穿刺针100偏离平面穿刺。若|slope＜d，则穿刺针100处于平面内穿刺。

综上，本发明提出的超声引导穿刺检测方法结构简单、灵巧，提出一种保持平面内的超声引导穿刺装置及检测方法，该机构和方法能有效保持穿刺针100在超声平面内穿刺，且若发生穿刺针100超出超声平面的情况，能及时检测穿刺针100的状态，并能够检测导针器11是否安装到位，通过上述技术可以防止穿刺针100超出超声平面外，导致不可接受的风险，保证穿刺架穿刺的安全性和准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。