一种自由臂超声气胸定量评估系统 专利技术说明

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本实用新型属于医学影像技术领域，特别涉及一种自由臂超声气胸定量评估系统和方法。背景技术：2.气胸是指由于肺部疾病或外力影响造成肺组织和脏层胸膜破裂，致使气体进入胸膜腔，形成积气的状态。气胸会引起胸部刺痛和呼吸困难，进而可能引起缺氧和低血压，甚至死亡，是常见的危急重症。医院、战场等场所是气胸的高发地带。据报道，医疗过程中气胸的发病率高达6％。其中，在需要接受机械通气的肺炎患者中，气胸的发病率高达56％，其中80％的患者死亡。新生儿气胸的发病率高达3.9％，其中29.1％死亡。由于得不到及时诊治，胸部战创伤的死亡率高达 14.3％，其中20％为气胸所致。因此，及时、快速、准确的诊断对于减少并发症和降低死亡率都具有重要意义。战场是气胸的高发地带，一旦发生气胸危害严重，快速准确诊断并行穿刺减压排气，对挽救伤员生命，保持军队战斗力有着非常重要的意义。新生儿气胸发病率高，死亡率高，需格外引起重视并给与及时有效的治疗。此外，肺炎并发气胸病情凶险且预后差，应予以足够的重视。3.然而，目前气胸诊断主要依据症状体征监测和影像学手段(包括胸部x线、胸部ct和肺超声)，但均无法满足现场快速、准确诊断的要求。肺部超声方兴未艾，超声气胸诊断越来越受到临床科室和院前急救的重视，但由于缺乏熟悉超声图像解读的医护人员，超声气胸诊断的普及仍然任重道远。超声气胸计算机辅助诊断技术为超声气胸诊断带来了曙光。基于动态图像处理的超声气胸辅助诊断方法利用了超声图像时间变化的信息，但对操作者经验手法和采集图像的质量要求都很高，距离临床应用还有相当一段距离。summers等人(west j.emerg.med.,17 (2016)209-215)开发了一款智能气胸辅助诊断软件，称为ifast(intelligent focusedassessment with sonography for trauma)。该软件首先定位胸膜线，然后通过分析动态超声图像，搜索胸膜线周围有水平运动的像素来确认是否有胸膜滑动。burlina 和mukherjee(automated pneumothorax detection,the johns hopkins university, 2013)提出了对动态超声图像进行光流法处理，进而辅助气胸诊断。然而，基于动态图像处理的方法对图像采集的质量要求较高，对图像采集时探头的移动较为敏感，且计算耗时，实时性和实用性都较差。4.基于多普勒的超声气胸辅助诊断方法利用了胸膜滑动引起的超声多普勒效应 (即频率变化信息)，但对超声入射角度特别敏感，对操作者经验手法要求较高，无法满足气胸诊断的实际需求。williamso等人(curr.pulmonol.rep.,6(2017) 39-47)提出使用功率多普勒可用于观察脏胸膜的运动，可在大多数情况下排除气胸。而胸膜滑动消失的部位无多普勒信号，进而辅助气胸诊断。richards等人(colorand power doppler sonography for pneumothorax detection,36(2017)2143-2147)利用彩色多普勒和功率多普勒进行气胸辅助诊断。利用呼吸过程中胸膜运动所产生的多普勒效应来判断是否有胸膜滑动。然而，多普勒方法对超声入射角度非常敏感，对医生操作探头的手法要求较高，需要经验丰富的医生操作才能获得较好的效果。5.此外，发明人此前在专利申请2021100061083.6中提出了一种基于超声应变成像的气胸自动诊断系统。然而，由于人体胸部相对于超声探头较大，医生需在多个位置进行检查，如国际blue指南中将胸部分成了12个区域，左右胸的前、侧、后的上下部分，每个部分都需要做检查，这样大大增加了气胸检查的时间和难度，容易造成漏诊和误诊。技术实现要素：6.有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种自由臂超声气胸定量评估系统和方法，在传统二维超声探头上增加位置和角度传感器，由于超声的帧频为30f/s左右，远大于超声探头扫查时的滑动速度，这样超声探头每个位置上都能都扫查到胸膜滑动的状态，并且将胸膜滑动存在与消失的交界处的肺点的空间位置进行标记，这样整个胸部扫查完成之后，系统根据多个肺点的空间位置，可勾勒出气胸的空间区域，从而计算出气胸的容量，评估气胸的严重程度，并指导胸膜穿刺引气。7.为实现上述目的，一方面，本实用新型提供了一种自由臂超声气胸定量评估系统，包括超声探头、超声定位模块、超声成像模块、肺点自动识别模块和气胸定量计算模块；其中，8.超声探头用于向人体发射超声波信号并接收经人体反射的超声波信号；9.超声定位模块用于实时地记录超声探头的空间位置和角度；10.超声成像模块用于将超声探头接收的经人体反射的超声波信号转化为超声图像；11.肺点自动识别模块用于判断超声图像中的胸膜滑动状态，进而判断是否存在肺点，并标记肺点的空间位置；12.气胸定量计算模块用于根据肺点自动识别模块所标记的肺点的空间位置计算气胸容量。13.进一步地，超声探头包括a型超声传感器，其工作模式为m超模式，形成的超声图像为m超图像。14.进一步地，超声定位模块安装在超声探头内，包括位置传感器和角度传感器，分别用于记录超声探头的空间位置和角度。例如，位置传感器可以是磁定位传感器或光学定位传感器；角度传感器可以是陀螺仪。15.进一步地，肺点自动识别模块通过对m超图像的智能识别，判断当前超声探头下方是否存在胸膜滑动。关于是否存在胸膜滑动的判断方法，中国专利申请 cn112801954a中有详细的描述。简单说来，如果m超图像中仅存在沙滩征 (seashore sign)，则超声探头下方存在为胸膜滑动(即正常情况)；如果仅存在条形码征(barcode sign)，则超声探头下方为胸膜滑动消失(即气胸)；如果同时存在沙滩征和条形码征，则超声探头下方存在肺点，且沙滩征与条形码征的交替处即为肺点位置。16.进一步地，肺点自动识别模块包括提示单元，用于在完成对某一部位的肺点的空间位置标记后，向用户发出提示，例如通过声音或指示灯的方式进行提示。17.进一步地，肺点自动识别模块还可以利用中国发明专利申请cn111297395a 中的技术辅助识别胸膜线，从而可以只关注胸膜线以下的图像，以进一步减少数据处理量，有效提高胸膜滑动与胸膜滑动消失的识别效率和准确率。18.进一步地，气胸定量计算模块通过肺点自动识别模块标记的肺点的空间位置信息，输出肺点空间图像，即气胸的边界，从而定量计算气胸的容量，评估气胸的严重程度，并指导胸膜穿刺引气。19.另一方面，本实用新型提供了一种利用上述自由臂超声气胸定量评估系统对气胸容量进行定量评估的方法，包括以下步骤：20.(1)在m超工作模式下，将超声探头放置在患者肋骨或肋间的一端上方开始扫查，当肺点自动识别模块发出找到肺点的提示或者在一段时间内都没有发出提示(表示在当前位置没有找到肺点)，则沿着患者肋骨延伸的方向向另一端缓慢滑动超声探头以扫查下一位置，直至整条肋骨或肋间扫查完毕。由于超声的帧频为30f/s左右，远大于超声探头的滑动速度，这样超声探头在每个位置上都能都扫查到胸膜滑动的状态；21.(2)将超声探头移动至另一肋骨或肋间，同样使用步骤(1)的方法扫查，直至历遍所有的肋骨或肋间，即扫描完成整个胸部；22.(3)气胸定量计算模块根据肺点自动识别模块所标记的肺点的空间位置信息，输出肺点空间图像，即气胸的边界，通过积分法定量计算气胸的容量，并据此进一步评估气胸的严重程度，并指导胸膜穿刺引气。23.进一步地，步骤(1)中所述的“一段时间”为5～10s。24.进一步地，步骤(1)中所述的“缓慢滑动”是指超声探头的滑动速度小于5cm/s。25.本实用新型的有益技术效果在于，在传统二维超声探头上增加了位置和角度传感器，使得超声探头不但能够扫查到胸膜滑动的状态，并且能将胸膜滑动存在与消失的交界处的肺点的空间位置进行标记，这样整个胸部扫查完成之后，系统根据多个肺点的空间位置，可勾勒出气胸的空间区域，从而计算出气胸的容量，进而评估气胸的严重程度，并指导胸膜穿刺引气。本实用新型的自由臂超声气胸定量评估系统和方法的测量结果精确，自动化程度高。附图说明26.图1是本实用新型一个较佳实施例的自由臂超声气胸定量评估系统的超声定位模块的示意图。具体实施方式27.下面对本实用新型的实施例作详细说明，下述的实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。28.如图1所示，在一个较佳实施例中，本实用新型的自由臂超声气胸定量评估系统包括超声探头、超声定位模块1、超声成像模块、肺点自动识别模块和气胸定量计算模块；其中，超声探头用于向人体发射超声波信号并接收经人体反射的超声波信号；超声定位模块1用于实时地记录超声探头的空间位置和角度；超声成像模块用于将超声探头接收的经人体反射的超声波信号转化为超声图像；肺点自动识别模块用于判断超声图像中的胸膜滑动状态，进而判断是否存在肺点，并标记肺点的空间位置；气胸定量计算模块用于根据肺点自动识别模块所标记的肺点的空间位置计算气胸容量。29.超声探头包括a型超声传感器，其工作模式为m超模式，形成的超声图像为 m超图像。30.超声定位模块1安装在超声探头内，包括位置传感器和角度传感器，分别用于记录超声探头的空间位置和角度。本实施例中，位置传感器是磁定位传感器，角度传感器是陀螺仪。31.肺点自动识别模块通过对m超图像的智能识别，判断当前超声探头下方是否存在胸膜滑动。关于是否存在胸膜滑动的判断方法，中国专利申请cn112801954a 中有详细的描述。简单说来，如果m超图像中仅存在沙滩征(seashore sign)，则超声探头下方存在为胸膜滑动(即正常情况)；如果仅存在条形码征(barcodesign)，则超声探头下方为胸膜滑动消失(即气胸)；如果同时存在沙滩征和条形码征，则超声探头下方存在肺点，且沙滩征与条形码征的交替处即为肺点位置。32.肺点自动识别模块在完成对某一部位的肺点的空间位置标记后，向用户可以发出提示，例如通过声音或指示灯的方式进行提示。33.肺点自动识别模块还可以利用中国发明专利申请cn111297395a中的技术辅助识别胸膜线，从而可以只关注胸膜线以下的图像，以进一步减少数据处理量，有效提高胸膜滑动与胸膜滑动消失的识别效率和准确率。34.气胸定量计算模块通过肺点自动识别模块标记的肺点的空间位置信息，输出肺点空间图像，即气胸的边界，从而定量计算气胸的容量，评估气胸的严重程度，并指导胸膜穿刺引气。35.利用本实施例的自由臂超声气胸定量评估系统对气胸容量进行定量评估的方法包括以下步骤：36.(1)在m超工作模式下，将超声探头放置在患者肋骨2或肋间3的一端上方开始扫查，当肺点自动识别模块发出找到肺点的提示或者在5s内都没有发出提示(表示在当前位置没有找到肺点)，则沿着患者肋骨2延伸的方向向另一端以小于5cm/s的速度缓慢滑动超声探头以扫查下一位置，直至整条肋骨2或肋间3 扫查完毕。由于超声的帧频为30f/s左右，远大于超声探头的滑动速度，这样超声探头在每个位置上都能都扫查到胸膜滑动的状态；37.(2)将超声探头移动至另一肋骨2或肋间3，同样使用步骤(1)的方法扫查，直至历遍所有的肋骨2或肋间3，即扫描完成整个胸部；38.(3)气胸定量计算模块根据肺点自动识别模块所标记的肺点的空间位置信息，输出肺点空间图像，即气胸的边界，通过积分法定量计算气胸的容量，并据此进一步评估气胸的严重程度，并指导胸膜穿刺引气。39.以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。









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