CN103007440B - 一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，用于磁共振引导的超声治疗系统中超声探头三维坐标的定位，所述的三维坐标定位方法包括以下步骤：1)采用磁共振成像获取超声探头上定位标记物的图像，并记录该图像的图像信息；2)根据图像信息计算定位标记物上的定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值；3)根据定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值和其在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值计算MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵；4)根据转换关系矩阵和磁共振成像获取的超声探头图像对超声探头进行三维坐标定位。与现有技术相比，本发明具有可实现治疗过程精确定位、保证治疗安全性和可靠性等优点。

Description

一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其是涉及一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法。

背景技术

治疗超声是利用超声波的穿透性将具有一定能量的超声波传输至人体组织，在超声的机械效应、热效应以及空化效应等多种物理效应作用下，进行肿瘤治疗、溶栓、微泡载药、血脑屏障打开等多种非侵入式治疗，众多医生和科技工作者认为治疗超声技术的广泛推广和应用，将会大力推进无创治疗技术的进展，是人类探究无创治疗技术过程中的重要里程碑。但是单一的治疗超声技术由于存在无法进行精确定位、无法精确监控治疗靶区温度、无法进行实时的疗效评估等难题，使该项技术的发展一度遇到了很大的瓶颈难题。

随着磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)技术的迅猛发展，将磁共振技术与治疗超声技术紧密融合，突破了上述一些制约传统治疗超声技术发展的瓶颈，使治疗超声技术在近十年又得到了长足的发展。MRI和治疗超声技术的融合，MRI至少在以下三个方面有重大优势：1、MRI能够精确的定位治疗目标区域，为超声治疗提供实时精确的引导；2、MRI利用特定的对温度敏感的序列，能够准确的测量治疗目标区域的温度，可以实时的监控治疗目标区域的治疗情况，从而实现在超声治疗过程中实时准确的反馈控制热量的加载，既可治疗目标组织，又可以不过度治疗目标组织周围的正常组织，实现真正意义上的适形治疗，保证治疗的安全性和有效性；3、MRI术后疗效评估也更准确。因此MRI和治疗超声技术融合的治疗方案在临床上有重大的应用前景。

在磁共振引导的超声治疗系统中，超声探头，尤其是相控型的超声探头，是否准确对准了治疗目标区域，其定位精度，将直接影响治疗的安全性和有效性。因此，需要研发一种能够对超声探头进行精确定位的方法，以提高超声治疗的有效性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实现治疗过程精确定位、保证治疗安全性和可靠性的基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，用于磁共振引导的超声治疗系统中超声探头三维坐标的定位，进行超声治疗时，超声探头浸没在去气水中，所述的超声探头的边沿分布有多个定位标记物，且每个定位标记物上设有两个定位标记点，所述的三维坐标定位方法包括以下步骤：

1)采用磁共振成像获取超声探头上定位标记物的图像，并记录该图像的图像信息；

2)根据图像信息计算定位标记物上的定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值；

3)根据定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值和其在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值计算MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵；

4)根据转换关系矩阵和磁共振成像获取的超声探头图像对超声探头进行三维坐标定位。

所述的定位标记物为分布在超声探头边沿的定位槽或设于超声探头边沿且垂直于超声探头表面的定位圆柱体。

所述的定位标记物设有至少6个。

所述的定位标记点为定位槽或定位圆柱体两端面的圆心点。

所述的图像信息包括图像空间位置信息、图像方向信息和图像象素空间信息，其中，图像空间位置信息指图像第一个象素中心的三维坐标值，图像方向信息包括图像第一行和第一列的方向余弦，图像象素空间信息包括行象素空间和列象素空间，指图像中行列方向上相邻象素中心点间的距离。

所述的步骤2)中计算定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值的公式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{mx}\\ \mathrm{my}\\ \mathrm{mz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Xx\Δi}& \mathrm{Yx\Δj}& \mathrm{Sx}\\ \mathrm{Xy\Δi}& \mathrm{Yy\Δj}& \mathrm{Sy}\\ \mathrm{Xz\Δi}& \mathrm{Yz\Δj}& \mathrm{Sz}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ 1\end{array}\right]$

其中，(mx，my，mz)表示图像上象素点(i，j)在MRI坐标系中的三维坐标值，i表示图像上象素点的列索引值，第1列索引值为0，j表示图像上象素的行索引值，第1行索引值为0，(Sx，Sy，Sz)表示图像空间位置信息，(Xx，Xy，Xz)表示图像方向信息中的第一行方向余弦，(Yx，Yy，Yz)表示图像方向信息中的第一列方向余弦，Δi表示列象素空间，Δj表示行象素空间。

所述的MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵T的计算方法为：

31)选取不在一个平面上的4个定位标记点，并以其余定位标记点为参考点，4个定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值分别为(mx1，my1，mz1)、(mx2，my2，mz2)、(mx3，my3，mz3)和(mx4，my4，mz4)，这4个定位标记点在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值为(hx1，hy1，hz1)、(hx2，hy2，hz2)、(hx3，hy3，hz3)和(hx4，hy4，hz4)，则

$T={\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{mx}1& \mathrm{my}1& \mathrm{mz}1& 1\\ \mathrm{mx}2& \mathrm{my}2& \mathrm{mz}2& 1\\ \mathrm{mx}3& \mathrm{my}3& \mathrm{mz}3& 1\\ \mathrm{mx}4& \mathrm{my}4& \mathrm{mz}4& 1\end{array}\right)}^{-1}*\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{hx}1& \mathrm{hy}1& \mathrm{hz}1& 1\\ \mathrm{hx}2& \mathrm{hy}2& \mathrm{hz}2& 1\\ \mathrm{hx}3& \mathrm{hy}3& \mathrm{hz}3& 1\\ \mathrm{hx}4& \mathrm{hy}4& \mathrm{hz}4& 1\end{array}\right);$

32)根据得到的T计算参考点在超声治疗系统坐标系中的三维坐标计算值，并将其与参考点在超声治疗系统坐标系中实际三维坐标值进行定位误差计算，并计算在X、Y、Z三个方向的定位误差均方根；

33)选取另一组不在一个平面上的4个定位标记点，重复步骤31)和步骤32)，直至遍历所有取法；

34)选取产生最大定位误差所对应的4个定位标记点并将其删除，从剩余定位标记点中选取定位误差均方根最小的一组，并将该组定位标记点计算得到的T作为MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明可实现治疗过程的精确定位，保证了治疗的安全性和可靠性；

2)本发明设置有多个定位标记点，通过多个定位标记点的冗余计算，减小取点误差和磁共振成像失真的影响，从而有效减小超声探头治疗过程的定位误差，提高定位精度。

附图说明

图1为本发明中超声探头上设置定位槽的结构示意图；

图2为本发明中超声探头上设置定位圆柱体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，用于磁共振引导的超声治疗系统中超声探头三维坐标的定位，进行超声治疗时，超声探头浸没在去气水中，超声探头的直径小于40cm，超声探头为分布了单阵元或多阵元超声换能器(压电陶瓷片)的平面或者球冠面(对于球冠面，本方法针对球冠上的圆形平面)。超声探头的边沿分布有多个定位标记物，且每个定位标记物上设有两个定位标记点。如图1-图2所示，定位标记物为分布在超声探头边沿的定位槽或设于超声探头边沿且垂直于超声探头表面的定位圆柱体，定位标记点为定位槽或定位圆柱体两端面的圆心点。

本实施例中，定位标记物设有6个。定位槽或者定位圆柱体高度为20mm，直径为2mm，其中一个定位标记物远离其余5个定位标记物，并将经由超声探头圆心O_h指向这个单独的定位槽或者定位圆柱体的方向定为X_h轴，对于由多阵元超声换能器组成的超声探头，其中某一阵元设为首阵元，此时X_h轴所指的方向也同时表示为经由超声探头圆心O_h指向首阵元的方向，将经由超声探头圆心O_h在超声探头表面垂直于X_h轴的方向定为Y_h轴，将经由超声探头圆心O_h垂直于超声探头表面的方向定为Z_h轴。将6个定位槽或定位圆柱体两端12个圆心作为定位标记点Di、Di′，(i＝1，2，…，6)，其中，定位标记点Di为第i个定位槽或定位圆柱中心轴与超声探头表面(X_hO_hY_h平面)的交点，定位标记点Di′为第i个定位槽或定位圆柱体中心轴上另一端的圆心点。O_h为超声治疗系统坐标系中的坐标原点，O_m为MRI坐标系中的坐标原点。

所述的三维坐标定位方法包括以下步骤：

1)采用磁共振成像获取超声探头上定位标记物的图像，并记录该图像的图像信息。图像信息包括图像空间位置信息、图像方向信息和图像象素空间信息，其中，图像空间位置信息指图像第一个象素中心的三维坐标值，图像方向信息包括图像第一行和第一列的方向余弦，图像象素空间信息包括行象素空间和列象素空间，指图像中行列方向上相邻象素中心点间的距离。

2)根据图像信息计算定位标记物上的定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值，公式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{mx}\\ \mathrm{my}\\ \mathrm{mz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Xx\Δi}& \mathrm{Yx\Δj}& \mathrm{Sx}\\ \mathrm{Xy\Δi}& \mathrm{Yy\Δj}& \mathrm{Sy}\\ \mathrm{Xz\Δi}& \mathrm{Yz\Δj}& \mathrm{Sz}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ 1\end{array}\right]$

其中，(mx，my，mz)表示图像上象素点(i，j)在MRI坐标系中的三维坐标值，i表示图像上象素点的列索引值，第1列索引值为0，j表示图像上象素的行索引值，第1行索引值为0，(Sx，Sy，Sz)表示图像空间位置信息，(Xx，Xy，Xz)表示图像方向信息中的第一行方向余弦，(Yx，Yy，Yz)表示图像方向信息中的第一列方向余弦，Δi表示列象素空间，Δj表示行象素空间。

3)根据定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值和其在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值计算MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵T，其计算方法为：

31)选取不在一个平面上的4个定位标记点，并以其余定位标记点为参考点，4个定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值分别为(mx1，my1，mz1)、(mx2，my2，mz2)、(mx3，my3，mz3)和(mx4，my4，mz4)，这4个定位标记点在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值为(hx1，hy1，hz1)、(hx2，hy2，hz2)、(hx3，hy3，hz3)和(hx4，hy4，hz4)，则

$T={\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{mx}1& \mathrm{my}1& \mathrm{mz}1& 1\\ \mathrm{mx}2& \mathrm{my}2& \mathrm{mz}2& 1\\ \mathrm{mx}3& \mathrm{my}3& \mathrm{mz}3& 1\\ \mathrm{mx}4& \mathrm{my}4& \mathrm{mz}4& 1\end{array}\right)}^{-1}*\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{hx}1& \mathrm{hy}1& \mathrm{hz}1& 1\\ \mathrm{hx}2& \mathrm{hy}2& \mathrm{hz}2& 1\\ \mathrm{hx}3& \mathrm{hy}3& \mathrm{hz}3& 1\\ \mathrm{hx}4& \mathrm{hy}4& \mathrm{hz}4& 1\end{array}\right);$

32)根据得到的T计算参考点在超声治疗系统坐标系中的三维坐标计算值，并将其与参考点在超声治疗系统坐标系中实际三维坐标值进行定位误差计算，并计算在X、Y、Z三个方向的定位误差均方根；

33)选取另一组不在一个平面上的4个定位标记点，重复步骤31)和步骤32)，直至遍历所有取法；

34)选取产生最大定位误差所对应的4个定位标记点并将其删除，从剩余定位标记点中选取定位误差均方根最小的一组，并将该组定位标记点计算得到的T作为MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵

4)根据转换关系矩阵和磁共振成像获取的超声探头图像对超声探头进行三维坐标定位。

从中任意选取不在一个平面上的4个定位标记点就可以决定一个平面坐标系，因此，决定平面坐标系的定位标记点具有冗余信息，利用多个定位标记点冗余信息相互计算，可以排除误差较大的标记点，减小取点误差和磁共振成像失真的影响，从而有效减小超声探头治疗过程的定位误差，提高定位精度。

本发明所述的治疗超声探头上分布单阵元或多阵元超声换能器(压电陶瓷片)，每个超声阵元为一个独立的压电陶瓷片。超声探头和超声换能器材料无磁性，对MRI成像不产生影响。

Claims (5)

1.一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，用于磁共振引导的超声治疗系统中超声探头三维坐标的定位，超声探头浸没在去气水中，其特征在于，所述的超声探头的边沿分布有多个定位标记物，且每个定位标记物上设有两个定位标记点，所述的三维坐标定位方法包括以下步骤：

1)采用磁共振成像获取超声探头上定位标记物的图像，并记录该图像的图像信息；

2)根据图像信息计算定位标记物上的定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值；

3)根据定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值和其在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值计算MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵；

4)根据转换关系矩阵和磁共振成像获取的超声探头图像对超声探头进行三维坐标定位；

所述的定位标记物设有至少6个；

所述的MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵T的计算方法为：

31)选取不在一个平面上的4个定位标记点，并以其余定位标记点为参考点，4个定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值分别为(mx1,my1,mz1)、(mx2,my2,mz2)、(mx3,my3,mz3)和(mx4,my4,mz4)，这4个定位标记点在超声治疗系统坐标系中的三维坐标值为(hx1,hy1,hz1)、(hx2,hy2,hz2)、(hx3,hy3,hz3)和(hx4,hy4,hz4)，则

$T={\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{mx}1& \mathrm{my}1& \mathrm{mz}1& 1\\ \mathrm{mx}2& \mathrm{my}2& \mathrm{mz}2& 1\\ \mathrm{mx}3& \mathrm{my}3& \mathrm{mz}3& 1\\ \mathrm{mx}4& \mathrm{my}4& \mathrm{ma}4& 1\end{array}\right)}^{-1}*\left(\begin{array}{cccc}\mathrm{hx}1& \mathrm{hy}1& \mathrm{hz}1& 1\\ \mathrm{hx}2& \mathrm{hy}2& \mathrm{hz}2& 1\\ \mathrm{hx}3& \mathrm{hy}3& \mathrm{hz}3& 1\\ \mathrm{hx}4& \mathrm{hy}4& \mathrm{hz}4& 1\end{array}\right);$

32)根据得到的T计算参考点在超声治疗系统坐标系中的三维坐标计算值，并将其与参考点在超声治疗系统坐标系中实际三维坐标值进行定位误差计算，并计算在X、Y、Z三个方向的定位误差均方根；

33)选取另一组不在一个平面上的4个定位标记点，重复步骤31)和步骤32)，直至遍历所有取法；

34)选取产生最大定位误差所对应的4个定位标记点并将其删除，从剩余定位标记点中选取定位误差均方根最小的一组，并将该组定位标记点计算得到的T作为MRI坐标系与超声治疗系统坐标系的转换关系矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，其特征在于，所述的定位标记物为分布在超声探头边沿的定位槽或设于超声探头边沿且垂直于超声探头表面的定位圆柱体。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，其特征在于，所述的定位标记点为定位槽或定位圆柱体两端面的圆心点。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，其特征在于，所述的图像信息包括图像空间位置信息、图像方向信息和图像象素空间信息，其中，图像空间位置信息指图像第一个象素中心的三维坐标值，图像方向信息包括图像第一行和第一列的方向余弦，图像象素空间信息包括行象素空间和列象素空间，指图像中行列方向上相邻象素中心点间的距离。

5.根据权利要求1所述的一种基于磁共振图像的超声探头三维坐标定位方法，其特征在于，所述的步骤2)中计算定位标记点在MRI坐标系中的三维坐标值的公式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{mx}\\ \mathrm{my}\\ \mathrm{mz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{Xx\Δi}& \mathrm{Yx\Δj}& \mathrm{Sx}\\ \mathrm{Xy\Δi}& \mathrm{Yy\Δj}& \mathrm{Sy}\\ \mathrm{Xz\Δi}& \mathrm{Yz\Δj}& \mathrm{Sz}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}i\\ j\\ 1\end{array}\right]$

其中，(mx,my,mz)表示图像上象素点(i,j)在MRI坐标系中的三维坐标值，i表示图像上象素点的列索引值，第1列索引值为0，j表示图像上象素的行索引值，第1行索引值为0，(Sx,Sy,Sz)表示图像空间位置信息，(Xx,Xy,Xz)表示图像方向信息中的第一行方向余弦，(Yx,Yy,Yz)表示图像方向信息中的第一列方向余弦，△i表示列象素空间，△j表示行象素空间。