CN107510466B - 一种三维成像方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种对象导向的三维成像方法和系统，包括：在被扫描物体上确定要进行三维扫描的包含扫描对象的部位；根据所确定被扫描物体部位,取得与扫描对象对应的已有的初始三维结构；对包含扫描对象的部位进行扫描，形成一系列具有空间位置和角度信息的二维图像；根据图像中有关扫描对象或扫描对象局部的图像信息，将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整；直到遍历整个扫描对象的初始三维结构，根据所获得的图像进行相应的调整并在在显示器中显示。本发明仅需成像对象的一些初步三维信息，即可利用二维成像不断地扫描对象所在的位置，并通过调整对象的原始形状从而获取对象的具体的大小、位置及细节，并形成对象整体三维图像。

Description

一种三维成像方法和系统
技术领域
本发明涉及生物对象的三维成像技术，具体涉及一种对象导向的三维成像方法和系统。
背景技术
生物对象的三维成像在医学得到广泛应用，包括CT、核磁共振成像等。最近用超声波成像来实现三维成像也得到越来越多应用。比如，胎儿和心脏的三维成像已经进入实用。而使用超声波进行骨骼结构的成像也在不断发展中。相比心脏和胎儿，人的骨骼表面会强烈反射超声波，从而对骨表面以下的结构很难成像，而胎儿的骨头没有钙化，所以超声可以穿透。因此，对具有骨骼结构的对象进行超声、光层析成像、光声成像及其他类似方法成像，都面临这一问题。比如，在扫描人体脊柱骨时，从背上进行三维超声扫描，只能得到有关棘突骨和横突骨表面的图像而不能得到整个脊柱骨，因其椎体在另一边，从而使三维成像的效果受到很大的限制。另一方面，我们知道每一节脊柱的大概形状。而且其他方式如CT、核磁共振成像也有可以获得脊柱的基本三维结构。
发明内容
本发明针对现有技术存在的超声三维成像存在的问题，提出一种生物对象的三维成像，可以一方面利用可以获得生物对象的基本三维结构，另一方面利用诸如超声技术对生物对象进行二维扫描成像，从而提出一种生物对象的三维成像方法和系统，可降低成像所需的扫描操作，减少生物体使用有辐射的成像方法从而减低对生物体的损伤。
按照本发明一个方面的一种三维成像方法，包括以下步骤:
S1)在被扫描物体上确定要进行三维扫描的包含扫描对象的部位；
S2)根据所确定被扫描物体部位取得已有的扫描对象的初始三维结构；
S3)对包含扫描对象的部位进行扫描，形成一系列具有空间位置和角度信息的二维图像；
S4)根据图像中有关扫描对象或扫描对象局部的图像信息，将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整；
S5)重复步骤S3)和S4)直到整个扫描对象的初始三维结构，根据所获得的图像进行了相应的调整；
S6)在显示器中显示调整过的扫描图像的最终三维结构图。
在按照本发明上述三维成像方法中，还包括在二维扫描成像过程中不断显示扫描对象的初始三维结构以及调整过的三维结构的步骤。
在按照本发明上述三维成像方法中，所述扫描对象的初始三维结构是指人体的某一部位的已知的代表性的三维解剖结构。
在按照本发明上述三维成像方法中，所述扫描对象的初始三维结构是指人体不同年龄和性别相对应的代表性的三维解剖结构。
在按照本发明上述三维成像方法中，所述扫描对象的初始三维结构是被扫描对象通过其他途径获得的，所述其他途径包括，对人体扫描对象预先进行CT或核磁共振扫描得到。
在按照本发明上述三维成像方法中，所述将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整，包括空间位置、角度、尺寸大小、相对比例。
在按照本发明上述三维成像方法，所述将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整，是可变形或不可变形的调整。
在按照本发明上述三维成像方法中，所述步骤S4)中所述的用于控制调整的图像信息包括扫描对象或其局部的有特征的点、线、面、体，或其组合。
在按照本发明上述三维成像方法中，所述步骤S6)中所述的扫描对象的最终三维结构图中还包括用作所述调整用的特征的标示。
按照本发明另一方面的一种三维成像系统，包括
用于在确定的部位上获取扫描对象二维图像的成像装置；
用于获取成像装置的每一张二维图像空间位置和角度的空间定位装置；
用于提供有关扫描对象的初始三维结构的数据库；
用于提取二维图像中或由二维图像形成的三维图像中的特征信息的特征提取单元；
用于利用所述特征信息调整扫描对象的初始三维结构的调整单元；
用于显示二维图像及扫描对象的三维结构的显示装置。
实施本发明提供的对象导向的三维成像方法和系统，可以利用已知的有关扫描对象的大概三维结构以及二维图像的调整来辅助三维成像。本发明的方法也可以应用在其他类似的成像方法中，例如，光层析成像，光声成像，太赫兹成像等。由于本发明的三维成像采用对象导向，仅仅有成像对象的一些初步的信息，比如对象是人体的某根骨头，所以有其大概的原始形状但不知其具体的大小、位置及细节，利用本发明方法，就可以利用二维成像不断地扫描对象所在的位置，并通过调整对象的原始形状从而获取对象的具体的大小、位置及细节，并形成对象整体三维图像。在扫描过程中，操作者可以通过显示器不断看到扫描的进展情况，包括已经被扫描的部位及未被扫描的部位及图像的质量，从而可以得到有用的反馈信息来指导进一步的扫描。
附图说明
图1是本发明三维成像方法第一实施例的流程示意图；
图2是说明在本发明方法实施例中扫描对象与扫描范围关系的示意图；
图3是说明在本发明方法实施例中，在扫描对象位置上放置扫描对象的三维结构图；
图4是在本实施例中三维结构图截面图(a)以及在同一位置通过二维超声方法获得的图像(b)；
图5是说明在本发明方法实施例中扫描对象上的点的示意图；
图6是说明在本发明方法实施例中扫描对象上的线的示意图；
图7是说明在本发明方法实施例中扫描对象上的面的示意图；
图8是说明在本发明方法实施例中扫描对象上的体的示意图；
图9是说明在本发明三维成像系统一个实施例的示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明方法和系统的特点进行进一步说明，其中，实施例仅仅是示意性而非限定性的。
实施例1
在本发明方法第一实施例中，如图1，实施本发明提供的对象导向的三维成像方法包括需要如下步骤：
步骤101)在被扫描物体上确定要进行三维扫描的包含扫描对象的部位；
在实施具体病患特定扫描对象三维成像时，可以先根据估计的扫描对象位置201，设置一个扫描范围202，如图2，201是估计的扫描对象位置，202是设定的扫描范围，203是包括扫描对象的一个区域；换言之，对需要三维成像的对象，可以先根据经验估计需要进行扫描的位置201，为此可以在人体或其他生物体上，设置一个扫描范围202，可以覆盖所估计扫描对象的位置201，而区域203是包括扫面对象的一个区域，如图2所示；
步骤102)根据所确定被扫描物体部位，从数据库中取得已有的扫描对象的初始三维结构；
在步骤101设置的扫描范围基础上，从预先保存有扫描对象的三维结构的数据库中提取三维结构作为扫描对象的初始三维结构300，如图3所示，其中，在设定的扫描范围202内，放上扫描对象的初始三维结构图300。其中，与三维结构图300对应的扫描对象的初始三维结构可以预先获取并保存在数据库中的人体的某一部位的已知的代表性的三维解剖结构，也可以是预先获取并保存在数据库中的人体不同年龄和性别相对应的代表性的三维解剖结构，还可以是预先通过其他途径获得的并保存在数据库中的三维解剖结构。其他途径包括，对人体扫描对象预先进行CT扫描或核磁共振扫描。其中，不同来源的三维结构应该是具有符合统一标准的数据结构。
图4(a)所示为在本实施例中，从数据库中读取到的初始有关扫描对象的三维结构图的一个示意性截面图401；
步骤103)通过超声成像技术，对包含扫描对象的部位进行扫描，形成一系列具有不同空间位置和/或角度信息的二维图像；
由于二维成像可以从各个角度在设定扫描范围内进行，从而可以得到有关扫描对象最多的特征信息，因为有些特征信息从一个方向成像可能不是很清楚，但从另一个方向成像看可能很明显。步骤103就是通过设定不同方向和位置获得尽可能多的信息的二维成像。
图4(b)是在图4(a)同一位置上用二维超声成像获取的该位置的示意性图像402，由于高频超声波不能穿透骨头，所以骨头的下部分结构没有图像；比较两图，可根据两者相应位置所得的曲线的比例，就可以对扫描对象的结构进行全局或局部的调整。
步骤104)根据图像中有关扫描对象或扫描对象局部的图像信息，将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整；其中，用于控制调整的图像信息包括扫描对象或其局部的有特征的点、线、面、体，或其组合；
如图5所示的扫描对象上的点，可以是扫描对象上的一些特征点，比如人体骨头在图像上形成的特征点，图5示出了脊柱骨(扫描对象)的棘突顶点50，作为脊柱骨的特征点；
如图6所示的扫描对象上的线，可以是扫描对象上的一些特征线，例如人体骨头在图像上形成的直线60，如图6所示，特征线可以是直线或曲线；
如图7所示的扫描对象上的面，可以是扫描对象上的一些特征面70，特征面可以是平面或曲面，图7中示出的特征面70是曲面特征面；
如图8所示的扫描对象上的体，可以具有一些局部的特征体80；
在获得有关扫描对象的特征点、线、面、体基础上，可以对扫描对象进行全局或局部的平移、旋转、缩放及其各种组合的调整，例如，同时进行平移和缩放；
步骤105)重复步骤103)和104)直到整个扫描对象的初始三维结构根据所获得的图像进行了相应的调整，此处对图像的调整，可以在所有的图像采集完之后一次性脱线进行并完成，减少扫描过程对扫描对象时间占用；
步骤106)在显示器中显示调整过的扫描图像的最终三维结构图，所述的扫描对象的最终三维结构图中还包括用作所述调整用的特征的标示。
第二实施例
步骤201)根据扫描对象确定被扫描物的扫描部位；
步骤202)从数据库获取扫描对象的初始三维结构；
步骤203)在显示器上显示初始三维结构以及用于调整的结构信息，包括特征点、线、面、体；
步骤204)通过位移改变扫描探头的空间位置或(和)旋转改变扫描探头的角度信息，对确定的扫描部位进行扫描，获取扫描对象多个具有不同空间位置和角度信息的二维图像，扫描成像获得的二维图像显示在显示器上；
步骤205)根据图像中有关扫描对象或扫描对象局部的图像信息，对初始三维结构进行调整，所述的调整包括空间位置、角度、尺寸大小、相对比例中的一种或几种；
步骤206)如果步骤204)获取的多个二维图像已经涵盖扫描对象的初始三维结构并已对对象的三维结构进行了相应的调整，否则重复执行步骤204和步骤206；
步骤207)在显示器中显示调整过的扫描图像的最终三维结构图；
其中步骤205‐207)对图像的调整可以在所有的图像采集完之后一次性脱线进行，这样可以减少扫描时间。
在另一个实施例中，对应于上述第二实施例不同的是，步骤205中的调整是可变形的调整，即扫描对象从初始三维结果开始，各个部位都能根据图像扫描中获得的信息进行单独调整，从而使得调整后的扫描对象的各个部位不是简单按比例缩放。可变形的缩放对脊柱骨畸变的情况特别有用。
在另一个实施例中，对应于上述第二实施例不同的是，在步骤205调整三维结构后，可以增加一个步骤，即每次对调整过的扫描对象的三维结构在显示器中显示。操作者可以不断看到扫描的进展情况，包括已经被扫描的部位及未被扫描的部位，及图像的质量，从而可以得到有用的反馈信息来指导进一步的扫描。
在另一个实施例中，对应于上述第二实施例不同的是，在步骤S6)中所述的扫描对象的最终三维结构图中还包括用作所述调整用的特征的标示，以方便调整操作。
在图9示出的本发明一种三维成像系统实施例中，包括以下组成部分：1)用于在确定的部位上获取扫描对象二维图像的成像装置91，在本实施例中，这个成像装置可以是超声扫描成像装置；2)用于获取成像装置每一张二维图像空间位置和角度的空间定位装置92；在成像装置对确定部位进行连续多次的扫描成像时，空间定位装置92会记录下扫描成像形成的对应二维图像，以便作为调整初始三维结构的依据；3)用于提供有关扫描对象的初始三维结构数据库93，此处，各种扫描对象的初始三维结构数据库是预先保存在数据库中的；4)用于提取二维图像中或由二维图像形成的三维图像中的特征信息的特征提取单元94，此处的特征信息可以是点、线、面或体；5)用于利用特征信息调整扫描对象的初始三维结构的调整单元95，此处调整包括空间位置、角度、尺寸大小、相对比例中的一种或几种；6)用于显示二维图像及扫描对象的二维结构的显示装置96，在获得来自数据库的初始三维结构时显示三维结构图，在获得来自成像装置91的二维图像时显示二维图像，在调整单元95的调整后的三维结构时显示利用特征信息调整后的三维结构图。
本发明的对象导向的三维成像方法和系统，利用已有的初始三维结构和容易获得的具有不同空间位置和角度的二维图像，对初始三维结构进行调整从而得到扫描对象的三维成像。这种三维成像，实施过程对人体没有伤害，可以通过快捷完成二维图像的成像而将三维结构的调整在后台处理，减少了检测扫描的时间，且可以呈现较丰富的三维图像的细节。
以上仅仅是对本发明方法和系统进行的应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)在被扫描物体上确定要进行三维扫描的包含扫描对象的部位；
S2)根据所确定被扫描物体上所述部位,取得与扫描对象对应的已有的初始三维结构；
S3)对包含扫描对象的所述部位进行扫描，形成一系列具有空间位置和角度信息的二维切面图像；
S4)根据所述二维切面图像中有关扫描对象或扫描对象局部的图像信息，将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整；所述步骤S4)中所述的用于控制调整的图像信息包括扫描对象或其局部的有特征的点、线、面、体，或其组合；
S5)重复步骤S3)和S4)直到遍历整个扫描对象的初始三维结构，根据所获得的图像进行相应的调整；
S6)在显示器中显示调整过的扫描图像的最终三维结构图；所述步骤S6)中所述的扫描图像 的最终三维结构图中还包括用作所述调整用的特征的标示。
2.根据权利要求1所述三维成像方法，其特征在于，还包括在二维扫描成像过程中不断显示扫描对象的初始三维结构以及调整过的三维结构的步骤。
3.根据权利要求1所述三维成像方法，其特征在于，所述扫描对象的初始三维结构是指人体的某一部位的已知的代表性的三维解剖结构，所述代表性的三维解剖结构预先保存在数据库中。
4.根据权利要求1所述三维成像方法，其特征在于，所述扫描对象的初始三维结构是指人体不同年龄和性别相对应的代表性的三维解剖结构，不同年龄和性别的代表性的三维解剖结构预先保存在数据库中。
5.根据权利要求1所述三维成像方法，其特征在于，所述扫描对象的初始三维结构是被扫描对象通过其他途径获得的，所述其他途径包括，对人体扫描对象预先进行CT或核磁共振扫描得到并保存在数据库中。
6.根据权利要求1所述三维成像方法，其特征在于，所述将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整，包括空间位置、角度、尺寸大小、相对比例。
7.根据权利要求1所述三维成像方法，其特征在于，所述将扫描对象或其局部的初始三维结构进行调整，是可变形或不可变形的调整。
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