CN114601499A - 一种多模态超声微探头关节镜成像装置和成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模态超声微探头关节镜成像装置，所述成像装置包括：关节镜和与所述关节镜相匹配的超声微探头；所述超声微探头由前至后依次包括：探头、超声换能器、驱动电机、传像光纤以及探头固定装置；所述驱动电机的定子与所述探头的外壳固定连接；所述驱动电机的转子与所述超声换能器相连接；所述传像光纤用于传输图像、数字信号；微探头固定装置，用于固定所述超声微探头，所述超声微探头与所述关节镜平行设置；所述关节镜由前至后依次包括：物镜和图像传感器、控制电路和传像光纤。相应的，本发明还提供了一种利用上述成像装置的多模态超声微探头关节镜成像系统。采用本发明提供的技术方案能够实现多模态成像，获得清晰、深方的图像。

Description

一种多模态超声微探头关节镜成像装置和成像系统

技术领域

本发明涉及外科医疗器械技术领域，具体地说，涉及一种多模态超声微探头关节镜成像装置和成像系统。

背景技术

高频超声检查可以清晰显示肌肉、肌腱等软组织，在肌骨的应用逐渐得到了临床医生的认可。高频超声对肩部周围病变的早期诊断、治疗、加快肩关节的功能恢复和提高患者生活质量等方面都至关重要。在肩袖全层撕裂中高频超声有较高诊断准确率，其检查结果与关节镜检查结果存在较高的一致性。但体外经皮高频超声检查对肩袖部分撕裂进行诊断时敏感性有所降低，造成这种结果的原因有很多，例如：有些撕裂位于肌腱内，且裂口小；有些撕裂部位较深并有解剖骨质遮挡；有些在肌腱撕裂过程中伴出血及滑膜增生，骨表面增厚的滑膜组织很容易被当成正常组织而造成漏诊；还有检查过程中患者因疼痛不能配合体位检查，肌腱暴露不充分导致的诊断不明确。

近10年来，国内外对膝关节、肩关节、髋关节等大关节的关节镜诊疗水平有了大幅度提高。随着关节镜技术的不断发展，其在手术适应证、手术入路、检查和手术方法、术中术后并发症的预防等各方面都有一整套成熟的方案。相对于切开手术技术而言，关节镜手术具伤口小，功能肌肉组织等重要结构的损伤少，关节内的视野好，以及在操作同时可以处理并发疾患和损伤，减轻术后早期疼痛，缩短术后恢复期等优点。因此，越来越多的疾病可以在关节镜下进行治疗，其已逐渐成为许多关节性疾病的首选手术方式。然而，虽然实施关节镜手术的手术医师严格掌握患者适应证、禁忌证，熟知解剖结构，并具有娴熟精细的手术操作功底，能够选择适当的手术体位、手术入路，术后仍有4.6％～10.6％的并发症发生。这可能与关节镜术操作过程中存在一些无法避免的损伤有关。因为关节镜术中仅给术者显示解剖结构表面，而组织结构内部及深部损伤情况需要术者使用探针探查。在探查过程中会存在额外损伤，从而不同程度加重了损伤的程度和范围。例如在肩关节镜下肩袖撕裂修复术中，手术操作者需要在肩关节腔侧和三角肌下滑囊侧来回转换关节镜镜头位置，并辅助探针探查以确定冈上肌腱两侧损伤情况，既增加了患者手术麻醉时间，又存在不同程度的损伤。

综上，目前常规的关节镜诊断方式具有以下局限性，例如：①仅能够显示关节镜下各个组织结构的表面情况，对于组织内部和关节镜无法探及的解剖深部的组织结构无法探测检查；②不够智能化，观察范围仅局限于关节镜面投射范围内，且关节镜镜头不够灵活，不能深入解剖结构组织探查该处的病变情况；③信息传输系统不够先进化，随着科学技术的快速发展，5G信息化时代的到来，常规关节镜的信息传输系统未能及时更新，不能实现高速高效的远程医疗服务；④不能提供病变组织内部血供情况；⑤显示面为二维平面图像，不能直观显示组织结构的三维空间结构图像；⑥不能测量关节镜下所示的撕裂肌腱和肌肉的僵硬度以进一步评估其延展性；⑦不能进一步提供病变的定性结果，如无法评估关节镜修补术后的患者修复肌腱、肌肉的脂肪浸润程度；⑧不能进一步提供病变的定量数据，如不能提供肌纹理参数、测量肩袖撕裂患者肌腱撕裂回缩距离和肌肉发生萎缩后的肌肉厚度等。

因此目前急需一种能够在术中准确获取关节病变的详细信息，并能够在术后提供相应数据对术后情况进行评估的成像装置。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了采用多模态超声微探头与关节镜相结合的技术方案。这种多模态超声探头关节镜成像装置可用于在术中获取关节内病变的位置、大小、范围、血流情况、周边相应的肌肉纹理和三维立体形态等详细信息，或在术后提供定量参数数值，如：修复肌腱的弹性值，以便有效评估术后再撕裂风险。

根据本发明的一个方面，提供一种多模态超声微探头关节镜成像装置，所述成像装置包括：关节镜和与所述关节镜相匹配的超声微探头；

所述超声微探头由前至后依次包括：探头、超声换能器、驱动电机、传像光纤以及探头固定装置；

所述驱动电机的定子与所述探头的外壳固定连接；

所述驱动电机的转子与所述超声换能器相连接；

所述传像光纤用于传输图像、数字信号；

微探头固定装置，用于固定所述超声微探头，所述超声微探头与所述关节镜平行设置；

所述关节镜由前至后依次包括：物镜和图像传感器、控制电路和传像光纤。

根据本发明的一个具体实施方式，所述超声微探头包括多个直径为4mm的多模态超声微探头。

根据本发明的另一个具体实施方式，所述超声微探头的成像模式包括：高频二维超声、超声多普勒、三维超声和超声弹性成像。

根据本发明的又一个具体实施方式，所述驱动电机为弯曲振动模态超声电机；

所述驱动电机的响应时间小于1ms。

根据本发明的又一个具体实施方式，所述超声换能器采用锆钛酸铅和高分子压电复合材料制备而成。

根据本发明的另一个方面，提供一种多模态超声微探头关节镜成像系统，所述成像系统包括：多模态超声微探头关节镜成像装置、数据接收装置、数据处理装置和数据输出装置；

所述多模态超声微探头关节镜成像装置为权利要求1～5任意所述的多模态超声微探头关键镜成像装置。

根据本发明的一个具体实施方式，所述成像系统还包括：显示装置。

本发明提供的多模态超声探头关节镜成像装置创造性地将多模态的超声微探头与关节镜进行了有机结合。采用本发明提供的多模态超声探头关节镜成像装置可以实现带来以下有益技术效果：①在术中不仅能观察患者组织结构的表面，还可以实时、简便、清楚的探测组织内部结构和解剖深方组织结构的情况；②与关节镜配合使用的微超声探头直径小，可以灵活转动，能够在关节镜直视下将微超声探头进入深方组织探查，扩大观察面；③具有高速信息传输系统，能够实现快速、便捷的图像信息传输，顺应了互联网远程医疗的发展潮流；④超声彩色多普勒可以检查病变处的血流情况，且采用超声新技术可以检测病变处微血流情况；⑤三维超声技术可以重构组织结构的三维立体结构图，提供更加直观的组织结构三维立体空间声像图；⑥可以通过超声弹性成像技术检测关节内撕裂肌腱和肌肉的僵硬度，有助于进一步评估其延展性，为后续操作提供可行性建议；⑦使用二维高频超声可以观察病变处的脂肪浸润情况，帮助临床评估患者术前、术后肌腱和肌肉的脂肪浸润程度，从而提供影像学的定性诊断信息；⑧使用超声可以准确测量肌腱撕裂厚回缩距离，患侧肌肉萎缩后的具体肌肉厚度数值，提供肌纹理参数，为临床提供参数定量数据，以便对患者术后康复的选择方式进行科学有效的早期指导。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1所示为根据本发明提供的一种多模态超声微探头关节镜成像装置的一个具体实施方式的结构示意图；

图2所示为根据本发明提供的一种多模态超声微探头关节镜成像装置中关节镜套筒的正视图；

图3所示为根据本发明提供的一种多模态超声微探头关节镜成像系统的一个具体实施方式的结构示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

参见图1，本发明提供了一种多模态超声微探头关节镜成像装置，所述成像装置10包括：装置本体和置于装置本体前端的关节镜套筒15。为了实现对不同组织的探查，所述关节镜套筒15相对于所述装置本体角度可调。

在所述装置本体上，设置有开关11和探头切换按钮13。所述开关11用于控制该成像装置10的整体启闭。探头切换按钮13用于切换关节镜套筒15内的多个超声微探头，在实际操作过程中，可根据需要选择合适的超声微探头。

为了便于握持，优选的，所述成像装置10还包括手柄14。更为优选的，所述手柄14还设置有卡扣，用于提高所述成像装置10的握持稳定性。此外，该成像装置10还包括USB接口12，该USB接口12可根据需要用于充电和/或数据的传输。

如图2所示，优选的，所述超声微探头包括多个直径为4mm的多模态超声微探头。多个多模态超声微探头平行设置于关节镜套筒15内部，与关节镜21平行设置。

进一步地，所述关节镜套筒15优选采用尺寸为15cm×10mm的套管。其内安装4根尺寸约为13×4mm的超声探头(备有64个传感器与11兆赫频率的远端超声探测器)。在本发明中，每根超声探头直径设计为4mm，有利于其在组织内部流畅、迅速的切换。每根探头具有不同形状，例如：三角形超声微探头31、正椭圆形超声微探头32和方形超声微探头33。除此之外，所述超声微探头还可以为圆形或其他所需形状。选择不同形状的超声微探头可以对不同位置、形态的组织类型进行成像。

可以看出，本发明中选用的关节镜的直径略粗于传统关节镜，其不但不影响关节镜顺利进入关节内部并到达目标组织区域，还能够得到更为清晰的图像信息。

其中，所述超声微探头的成像模式包括但不限于：高频二维超声、超声多普勒、三维超声和超声弹性成像。采用该成像装置可以通过多种模式的超声技术在肩关节镜术中更加实时、清晰的显示损伤部位的血流，肌纹理，肩袖撕裂的部位、范围、形态(包括三维立体空间形态)，以及术后即刻检测肌腱僵硬度。

进一步的，所述超声微探头由前至后依次包括：探头、超声换能器、驱动电机、传像光纤以及探头固定装置。

所述探头包括：低频探头(凸阵探头)和/或高频探头(线阵探头)。

低频探头通常为凸阵探头，其探头表面积较大，频率低。频率一般在3.5MHz-6.0MHz之间，远场分辨率好。低频探头通常用于腹腔脏器的检查，其与关节镜结合，可用于评估损伤部位相应功能的深方肌肉整体情况。

高频探头通常为线阵探头，其探头表面积可大可小，频率高。频率一般在2.5MHz-12.0MHz之间，近场分辨率好。高频探头主要用于肌骨、血管和浅表器官(如甲状腺、乳腺和淋巴结等)的扫查，其与关节镜结合，可用于评估关节周围的结构组织、肌腱、供应损伤部位相应功能肌肉的血管和神经情况。

所述驱动电机的定子与所述探头的外壳固定连接。所述驱动电机的转子与所述超声换能器相连接。优选的，所述超声换能器与驱动电机的转子通过粘合方式固定在一起。更为优选的，所述驱动电机的转子与超声换能器(或声反射镜)通过一根轴进行连接。该超声换能器的电力线与信号线通过一个旋转连接机构从超声换能器连接到所述探头后端的固定引线上。

所述驱动电机为弯曲振动模态超声电机，通过振子的弯曲振动所产生的摩擦力来传递能量。优选的，所述驱动电机的响应时间小于1ms。更为优选的，所述驱动电机的体积为0.5mm，力矩为0.8N·cm。该驱动电机具有体积小、力矩密度大、响应时间快、噪音和能耗低等优点。

所述超声换能器采用锆钛酸铅和高分子压电复合材料制备而成。该超声换能器具有以下特点：①机电耦合系数较高，能在不同的能量形式之间进行高效转换；②柔顺性较好，可制作为各种形状；③声阻抗较小，易与水、人体组织等介质匹配；④具有较宽的脉冲回波信号带宽，能制成宽带换能器。超声换能器制作为球面聚焦的结构形式，相较于平面的活塞式形式，其声辐射面积相对增大，声场密度变大，景深变长；相较于聚焦的声透镜形式，其声能的损耗较少。

所述传像光纤用于传输图像、数字信号。

微探头固定装置，用于固定所述超声微探头。超声微探头固定于所述关节镜套筒内部。优选的，该微探头固定装置可以通过控制装置进行控制，通过控制装置解锁/关闭微探头固定装置，可以实现对超声微探头的角度、距离、工作方式等的控制。

所述关节镜由前至后依次包括：物镜和图像传感器、控制电路和传像光纤。在工作过程中，通过物镜和图像传感器获取图像信息，并通过传像光纤将该图像信息传递至后方的处理机构。关节镜的工作通过控制电路进行控制。

参见图3，进一步的，本发明还提供了一种多模态超声微探头关节镜成像系统。所述成像系统包括：多模态超声微探头关节镜成像装置、数据接收装置、数据处理装置和数据输出装置。其中，所述多模态超声微探头关节镜成像装置采用本发明提供的多模态超声微探头关键镜成像装置。

所述成像系统可以与其他具有显示功能的设备进行配合使用，但是为了使用更加便捷简单，优选的，所述成像系统还包括：显示装置。显示装置，用于对上述成像装置所获取的图像进行显示。

本发明将多模态的超声微探头固定于关节镜顶部前端，制作成一个多模态超声关节镜成像装置，多模态超声微探头可以在关节镜直视下灵活转动，进一步探查结构内部病灶和解剖结构遮挡处或深方的病变。将关节镜和超声微探头有机结合为多模态超声微探头关节镜可以有效弥补常规超声检查和关节镜的不足。

与常规超声检查相比，多模态超声微探头关节镜成像系统显著拉近了超声探头与损伤部位的距离，避免了体外超声的很多干扰，有效避免了常规体外超声因解剖骨性结构遮挡、观察损伤部位深和患者体位不配合等因素造成的检查不明确。

与常规关节镜相比，多模态超声微探头关节镜成像系统可以在所视损伤部位表面的基础上进一步发挥超声检查的作用，术中可以应用微超声高频探头扫查深方组织结构和肌腱体部损伤情况，在高频超声灰阶成像模式下可全面评估损伤大小、范围，测量损伤部位相应功能肌肉、神经萎缩情况和评估脂肪浸润等；不仅可以做出精确诊断，还有效避免了关节镜术中镜头不断发生转变以及使用探针盲目探查或因损伤部位较深需要分离、切除浅侧部位组织而导致的损伤；缩短了手术操作时间，也降低了患者麻醉时间，可进一步减轻手术创伤，有效降低患者术后不良反应及并发症。关节镜术后还可以即刻应用超声检查的剪切波弹性成像、纹理分析技术等进行评估，其中弹性值量化反应了关节肌腱、肌肉损伤后和手术修复组织的僵硬度，可有效反应其张力大小；纹理分析可以量化测量肌肉脂肪浸润程度，这为患者术后疼痛和关节功能恢复起到预测指导的作用。

本发明提供的多模态超声微探头关节镜成像装置及系统使用灵活便捷、所获取的图像信息详细准确。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (7)

1.一种多模态超声微探头关节镜成像装置，其特征在于，所述成像装置包括：关节镜和与所述关节镜相匹配的超声微探头；

所述超声微探头由前至后依次包括：探头、超声换能器、驱动电机、传像光纤以及探头固定装置；

所述驱动电机的定子与所述探头的外壳固定连接；

所述驱动电机的转子与所述超声换能器相连接；

所述传像光纤用于传输图像、数字信号；

微探头固定装置，用于固定所述超声微探头，所述超声微探头与所述关节镜平行设置；

所述关节镜由前至后依次包括：物镜和图像传感器、控制电路和传像光纤。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述超声微探头包括多个直径为4mm的多模态超声微探头。

3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述超声微探头的成像模式包括：高频二维超声、超声多普勒、三维超声和超声弹性成像。

4.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述驱动电机为弯曲振动模态超声电机；

所述驱动电机的响应时间小于1ms。

5.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述超声换能器采用锆钛酸铅和高分子压电复合材料制备而成。

6.一种多模态超声微探头关节镜成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：多模态超声微探头关节镜成像装置、数据接收装置、数据处理装置和数据输出装置；

所述多模态超声微探头关节镜成像装置为权利要求1～5任意所述的多模态超声微探头关键镜成像装置。

7.根据权利要求6所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括：显示装置。

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