CN109242947A - 三维超声图像显示方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维超声图像显示方法，包括以下步骤：S1：通过自动或手动的扫描方式获取一系列具有空间位置和角度信息的原始二维图像；S2：将所述原始二维图像进行图像重建，得到三维立体图像；S3：从所述三维立体图像中获取一张或多张相交于所述原始二维图像的一张或多张切面图像，并通过图像处理得到一张或多张重建二维图像；S4：将一张或多张所述原始二维图像及一张或多张所述切面图像在三维空间上一起显示；S5：在所述三维空间上，基于所述原始二维图像进行特征点、特征线以及特征面的选取和显示。本方法提供了一种有效率和高精度的三维图像显示方法，可以广泛应用到超声等三维成像方式中。

Description

三维超声图像显示方法
技术领域
本发明涉及超声成像领域，更具体地说，涉及一种三维超声图像显示方法。
背景技术
脊柱侧凸是患者脊柱从一侧向另一侧弯曲并且还可能旋转的医学状态。X射线评估通常用于确定脊柱侧凸。在治疗或监控周期内，必须获取脊柱侧凸患者的许多射线照片，这导致患者高剂量暴露于放射线中。因此，这种技术并不适合儿童和青少年。
近年来，三维超声成像技术在医学和研究中已经得到了广泛的应用。大部分的三维超声成像系统都是通过获取一系列有空间位置和角度信息的二维图像(即B超图)来实现，可以通过手动扫描或自动机械扫描。比如应用在胎儿观察的三维超声系统就是通过机械扫描实现，而脊柱三维超声成像系统则通常使用手动扫描。
所获取的一系列的有空间位置和角度信息的二维超声图像，目前有二种显示方式，第一种是直接在三维空间中显示对应的空间位置和角度上的二维超声图像，可以显示一张或多张图，但是这种方法不能提供其他切面像图像的信息；第二种是将所有图像，利用它们对应空间信息得到的二维图像重建，在重建过程中将一些没有被二维图像扫描到的部位进行弥补，从而得到比较完整的二维图像信息，但是同时图像也会得到一些平滑处理，从而造成所形成的图像质量没有原始的二维图像质量好，而且在进行图像处理后，一些原始的信息会丢失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在保持原始图像质量的同时，能够方便地进行三维图像展示和分析的三维超声图像显示方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种三维超声图像显示方法，包括以下步骤：
S1：通过自动或手动的扫描方式获取一系列具有空间位置和角度信息的原始二维图像；
S2：将所述原始二维图像进行图像重建，得到三维立体图像；
S3：从所述三维立体图像中获取一张或多张相交于所述原始二维图像的一张或多张切面图像，并通过图像处理得到一张或多张重建二维图像；
S4：将一张或多张所述原始二维图像及一张或多张所述切面图像在三维空间上一起显示；
S5：在所述三维空间上，基于所述原始二维图像进行特征点、特征线以及特征面的选取和显示。
进一步地，所述方法还包括：所述原始二维图像、所述切面图像和所述重建二维图像进行图像增强或伪彩色渲染，以增强所述原始二维图像和所述重建二维图像中显示的细节。
进一步地，所述步骤S5中在选取所述特征点、特征线以及特征面时，还进一步包括如下步骤：
S5-1：在所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像其中之一标记所述特征点、特征线或特征面的信息；
S5-2：在所述原始二维图像、切面图像及重建二维图像上自动显示在所述S5-1中确定的特征点、特征线或特征面的信息；
S5-3：判断在所述原始二维图像、切面图像、及重建二维图像中的标记所述特征点、特征线或特征面的信息是否准确；
S5-4：对所述S5-3中发现的不准确的标记作相应的调整；
S5-5：重复所述S5-2到S5-4的步骤直到在所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像中标记的所述特征点、特征线或特征面的信息得到确认为止。
进一步地，步骤S3中所述切面图像的获取是通过人工或自动选择并标注标记点形成的，在一组所述原始二维图像或重建二维图像上放一系列标记点，然后通过平滑曲线连接所述标记点，所述平滑曲线即表示原始二维图像或重建二维图像上，所述切面图像与所述原始二维图像或重建二维图像相交的位置。
进一步地，所述标记点单独调整位置时，平滑曲线会根据所述标记点的调整而自动进行调整，从而拟合所述标记点。
进一步地，该方法还包括在所述原始二维图像中标记所述切面图像或所述重建二维图像的相对位置。
进一步地，该方法还包括在所述切面图像或所述重建二维图像上标记所述原始二维图像的相对位置。
进一步地，所述步骤S5还包括，所述的特征点在一个所述切面图像上指示或者移动时，所述特征点也会在其他所述切面图像、原始二维图像或重建二维图像的相应位置实时地被指示或移动。
进一步地，所述特征点可以作为标记点而被标注在所述切面图像上。
进一步地，所述步骤S5还包括，在任何一张所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像上，当一个特定的所述特征点被选定，所有显示的所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像被重新选取并包括所述的特征点。
进一步地，所述切面图像是一个平面或三维曲面。
进一步地，所述步骤S3中所述的图像处理包括投影或平均算法。
进一步地，步骤S3中所述重建二维图像以每个像素的亮度代表超声回波信号的强度，而每个像素的亮度则代表超声回波发生在人体组织中的相对或绝对深度。
进一步地，所述切面图像或重建二维图像还进一步显示所述原始二维图像或所述特征线或特征面的旋转信息。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种超声三维图像显示方法，在三维图像显示的同时，一方面在三维空间中显示原始二维图像，另一方面则显示一张或多张切面图像。使用这一方式，既可以显示各个切面图像的图像，又可以在没有任何图像信息丢失的情况下显示原始二维图像及其空间位置和方向。在选取所述特征点、特征线以及特征面时，使用原始二维图像的信息，并借助于所述切面图像的信息，以得到更准确的判断。这一新的方法提供了一种更有效率和更高精度的三维图像显示方法，可以广泛应用到超声等三维成像方式中，包括任何需要先在一个面上得到图像和空间信息然后再得到三维成像的系统。因为不需要X射线，本发明使针对儿童的现场筛查和大规模筛查也成为可能，对脊柱的治疗提供了长期的监控途径。
附图说明
图1为本发明方法一个优选实施例的流程示意图；
图2为本发明方法一个优选实施例的原始二维图像中原始二维图像与切面图像相交位置示意图；
图3为本发明方法一个优选实施例的原始二维图像中原始二维图像与切面图像另一角度相交位置示意图；
图4为本发明方法一个优选实施例的原始二维图像中原始二维图像与切面图像另一角度相交位置示意图；
图5为本发明方法一个优选实施例的切面图像中原始二维图像与切面图像相交位置示意图；
图6为本发明方法一个优选实施例的切面图像是上下一致简单曲面的示意图；
图7为本发明方法一个优选实施例的切面图像是上下不一致的三维形状的示意图；
图8为本发明方法一个优选实施例的由所选的点所形成的切面图像的获取过程示意图；
图9为由图8中的所选的点所获取的切面图像示意图；
图10为本发明方法一个优选实施例的调整标记点前平滑曲线的位置；
图11为本发明方法一个优选实施例的调整标记点后平滑曲线的位置；
图12为本发明方法一个优选实施例的平滑曲线移动前的位置；
图13为本发明方法一个优选实施例的平滑曲线移动后的位置；
图14为本发明方法一个优选实施例的某一原始二维图像的示意图；
图15为本发明方法一个优选实施例的原始二维图像与第一切面图像和第二切面图像在三维空间上一起显示的示意图；
图16为本发明方法一个优选实施例的第一重建二维图像的示意图；
图17为本发明方法一个优选实施例的第二重建二维图像的示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明可对各种器官进行的超声扫描进行三维图像显示，在本实施例中以脊柱为例，详述本三维超声图像显示方法的具体步骤。如图1所示，是本发明的三维超声图像显示方法的流程图，该方法包括以下步骤：
S1：通过自动或手动的扫描方式获取一系列具有空间位置和角度信息的原始二维图像；
S2：将所述原始二维图像进行图像重建，得到三维立体图像；
S3：从所述三维立体图像中获取一张或多张相交于所述原始二维图像的一张或多张切面图像，并通过图像处理得到一张或多张重建二维图像；
S4：将一张或多张所述原始二维图像、一张或多张所述切面图像、及一张或多张所述重建二维图像在三维空间上一起显示；
S5：在所述三维空间上，基于所述原始二维图像进行特征点、特征线以及特征面的选取和显示。
步骤S1中的原始二维图像是指在利用脊柱三维超声成像系统对脊柱进行手动或机械扫描时，获取的一系列具有空间位置和角度信息的超声二维图像。原始二维图像没有经过平滑或其它处理，不会丢失任何图像信息。脊柱三维超声成像系统在其他专利中已经公开，在此不做赘述。
步骤S2中的三维立体图像是利用原始二维图像的空间位置和角度信息通过图像重建的方式得到的。在重建过程中将一些没有被原始二维图像记录到的部位通过插值算法进行弥补，从而得到完整的三维立体图像。
三维立体图像中包含了多张步骤S3中的切面图像，切面图像的图像质量没有原始二维图像的好，并且一些原始信息可能会丢失。
原始二维图像或切面图像可以通过边缘检测得到脊柱结构的边缘，从而得到脊柱的三维立体图像。
超声波对脊柱进行扫描后得到的在某一个面的投影图可以进行三维立体显示。因为投影图上每一个像素都是由在三维空间中的一个特定位置的体素(voxel，即在三维空间中的像素)投影得到，所以每一个像素在三维空间的位置是已知的。
步骤S3中的切面图像是指从三维立体图像中获取的相交于原始二维图像的图像。这一切面图像可是是平面、简单曲面(即此曲面可以在一个方向拉升而变成平面)、或三维曲面。
步骤S3中的重建二维图像是通过一定区域内的原始二维图像信息综合处理而成，即通过把切面图像在一个选定的面作投影得到重建二维图像。
步骤S3中所述重建二维图像以每个像素的亮度代表超声回波信号的强度，而每个像素的亮度则代表超声回波发生在人体组织中的相对或绝对深度。这里绝对的意思是指从体表开始，而相对是指以任何一个位置作参考位置，比如体内的骨头的位置，等等。
步骤S3中的图像处理包括最大光度投影法，即在一定区域内选取光度最大的像素；平均投影法，即将一定区域的所有像素平均；透明投影法，即根据像素的光度值来设定透明度。进行信息综合处理的上述一定区域，可以在不同的原始二维图像上被标记出来。如图2、图3和图4所示，在原始二维图像上，用一条实线标示某一重建二维图像与原始二维图像相交的位置，实线两侧的虚线则标记用于重建该重建二维图像所需要的信息的区域范围。
也可以在原始二维图像上标记切面图像或重建二维图像的相对位置。请继续参看图2、图3和图4，若图中方形表示原始二维图像，则图中实线标示的即是切面图像或重建二维图像与原始二维图像相交的位置。如图2或3所示，切面图像或重建二维图像与原始二维图像相交的位置与原始二维图像某两条相对的边平行。如图4所示，切面图像或重建二维图像与原始二维图像相交的位置也可以不与原始二维图像某两条相对边平行，而是倾斜一定角度，即切面图像或重建二维图像与原始二维图像相交的位置与原始二维图像的某两条相对边形成大于0°并且小于90°的角度。
同理，也可以在所述切面图像或重建二维图像上标记所述原始二维图像的相对位置。
由于检测波与检测的脊柱之间有倾斜角度，造成图2、图3和图4中的三条线分离；若检测波与检测的脊柱完全正交，则上述三条线会合并为一线。
也可以在切面图像上标记原始二维图像的相对位置。如图5所示，若图中方形表示切面图像，虚线标示的是切面图像与原始二维图像相交的位置，则图中两条实线标示的即是原始二维图像两条相对边的相对位置。
切面图像既可以与原始二维图像正交，切面图像也可以不与原始二维图像正交，即切面图像与原始二维图像形成大于0°并且小于90°的角度。
切面图像可以是平面，也可以是曲面。当切面图像是曲面时，这个曲面可以是上下一致的简单曲面，如图6所示；也可以是上下不一致的三维形状，如图7所示。图6和图7中两个菱形表示的是与原始二维图像平行的平面。
切面图像与原始二维图像或重建二维图像相交的位置与原始二维图像或重建二维图像的某两条相对边形成的角度，切面图像是否与原始二维图像或重建二维图像正交以及切面图像是平面或者曲面，均取决于切面图像的获取。
如图8和图9所示，步骤S3中所述切面图像的获取是通过人工或自动选择并标注标记点形成的。具体为，在一组原始二维图像或重建二维图像上放一系列标记点，然后通过一条平滑曲线连接上述标记点。平滑曲线即表示原始二维图像或重建二维图像上，切面图像与该原始二维图像或该重建二维图像相交的位置，并且所述切面图像所在的面与原始二维图像或重建二维图像所在的平面正交。对于所述原始二维图像或重建二维图像而言，在这个原始二维图像或重建二维图像的正交面得到了一个是曲面的切面图像，如图8和图9所示，图8中原始二维图像或重建二维图像所在的平面与图8所在的平面平行，切面图像所在的面与图8所在的平面正交。
这里自动的意思是指根据图像中的特征由软件自动选取一系列标记点，比如可以可以根据图像中人体的表面、骨头的走向、脊柱的形状、脊柱骨的特征点等来自动识别所需要的标记点。比如图14中的第一重建二维图像中，图中央的黑色部分从上到下可以自动检测到，另外第二重建二维图像中的位于图右边的体表信息可以用于自动检测。
以上所选的标记点可以单独调整位置，所述平滑曲线会根据标记点的调整而自动进行调整，从而拟合所述标记点。如图10和图11所示。整条平滑曲线也可以在滑鼠的控制下移动，如图12和图13所示。
在步骤S3中对原始二维图像、切面图像和重建二维图像进行图像增强或伪彩色渲染，以增强原始二维图像和重建二维图像中显示的细节。
在步骤S4中将一张或多张所述原始二维图像及一张或多张所述切面图像在三维空间上一起显示，如图15所示，将原始二维图像与两张切面图像在三维空间上一起显示。
步骤S5中在选取所述特征点、特征线以及特征面时，还进一步包括如下步骤：
S5-1：在原始二维图像、切面图像或重建二维图像其中之一标记特征点、特征线或特征面的信息；
S5-2：在原始二维图像、切面图像及所述重建二维图像上自动显示在S5-1中确定的所述特征点、特征线或特征面的信息；
S5-3：判断在所述原始二维图像、切面图像、及所述重建二维图像中的标记所述特征点、特征线或特征面的信息是否准确；
S5-4：对S5-3中发现的不准确的标记作相应的调整；
S5-5：重复S5-2到S5-4直到在所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像中标记的所述特征点、特征线或特征面的信息得到确认为止。
在三维图像学中，特征点是指在三维模型中，用来表征局部邻域关系及特性的，具有一定几何意义的关键三维坐标点，特征点矩阵可用来存储或者表示三维模型的几何轮廓、生理特征等属性信息。例如脊椎的特征包括边缘、棘突和横突的顶点。
特征点、特征线和特征面的提取，是在二维图像或三维立体图像当中，手工、半自动或自动标记出所需要的数据位置。
本实施例中，步骤S5还包括，所述的特征点在一个所述切面图像上指示或者移动时，所述特征点也会在其他所述切面图像、原始二维图像、或重建二维图像的相应位置实时地被指示或移动。
当上述特征点被标记，比如按一下滑鼠左键，此特征点就会成为标记点，此标记点就会被标注在这一图像上，这样滑鼠就可以移动到其他图像上去操作，标记点的位置可以通过按右键再次激活，从而在这个图上的特征点可以被再次移动。
步骤S5还包括，在任何一张所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像上，当一个特定的所述特征点被选定好，所有显示的所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像上将被重新选取并包括所述的特征点。特定的位置被选定后，已有的脊柱模型会根据特定的位置调整模型的形状，从而使模型与检测的脊柱相适应。
为了进一步对本方法进行说明，请参看图14-17，分别为某一原始二维图像的示意图、原始二维图像与第一切面图像和第二切面图像在三维空间上一起显示的示意图、第一重建二维图像的示意图和第二重建二维图像的示意图。其中，第一重建二维图像为第一切面图像在某一平面上的投影，第二重建二维图像为第二切面图像在另一平面上的投影。
图14为某一原始二维图像的示意图，在图14中K为第一切面图像与原始二维图像的交界线(在交界线的两边可以另外有两条线来标记第一重建二维图像作投影处理时的范围)。在图14中L为第二切面图像与原始二维图像的交界线(在其两边可以另外有两条线来标记第二重建二维图像作投影处理时的范围)。
图15为原始二维图像与第一切面图像、第二切面图像在三维空间上一起显示的示意图。图中H为第一切面图像，其中切面图像四周位于中间的一条线是指第一切面图像的位置，另外两条线是用来标记用以形成第一重建二维图像所作投影处理的范围。图中I为第二切面图像，其中切面图像四周位于中间的一条线是指第二切面图像的位置，另外两条线是用来标记用以形成第二重建二维图像所作投影处理的范围。图中J为图14中所示的原始二维图像。
图16为第一重建二维图像的示意图。第一重建二维图像具体为图15中，第一切面图像在xy平面的投影。图中E为在第一重建二维图像上的有关图14所示的原始二维图像的位置标记。中间一条线指原始二维图像与第一重建二维图像的交界线，旁边两条线是指原始二维图像的其中两条边在第一重建二维图像上的投影。图中F为在第一重建二维图像上的一系列标记点及其拟合的曲线，这条曲线决定了第二切面图像，进而决定了图17所示的第二重建二维图像。G在第一重建二维图像上的标记相对于在图14所示的原始二维图像中的拟合的曲线的一个区域，这一区域决定了在第二重建二维图像的最大像素值投影或像素平均值等投影处理的范围。图中切面图像或重建二维图像还进一步显示原始二维图像或所述特征线或特征面的旋转信息。具体地，P是在第一重建二维图像上的标记相对于F的一条曲线，这一曲线偏离F的位置表示了原始二维图像或者所获得的特征线、特征面在轴向的旋转量，而偏离F的一边或另一边则表示旋转的方向。同样的方法可以在图17中应用。
图17为第二重建二维图像的示意图。第二重建二维图像具体为图15中，第二切面图像在yz平面的投影。图中M为在第二重建二维图像上的有关原始二维图像的位置标记。中间一条线指原始二维图像与第二重建二维图像的交界线，旁边两条线是指原始二维图像的其中两条边在第二重建二维图像上的投影。N为在第二重建二维图像上的一系列标记点及其拟合的曲线，这条曲线决定了第一切面图像，进而决定了在第一重建二维图像。O为在第二重建二维图像上的标记相对于在图14所示的原始二维图像中的拟合的曲线的一个区域，这一区域决定了在第一重建二维图像的最大像素值投影或像素平均值等投影处理的范围。
在本申请中虽然以脊柱侧凸为例描述了本发明的方法，但是本发明并不局限于在脊柱侧凸检查方面的应用，还可以广泛应用到其它超声三维成像方式中，包括任何需要先在一个面上得到图像和空间信息然后再得到三维成像的系统。
由于不需要X射线，本发明使针对儿童的现场筛查和大规模筛查也成为可能，对脊柱侧凸治疗提供了长期的监控。由于本方法不需要有害辐射来操作，所以它可以用于任何患者而不需限制时间或频率，每月、每周或者每天评估脊柱侧凸将成为可能。在治疗脊柱侧凸的过程中，连续监控结果非常重要。相反，标准X射线评估将连续评估之间的时间限制到3至9个月，原因在于辐射危害。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种三维超声图像显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过自动或手动的扫描方式获取一系列具有空间位置和角度信息的原始二维图像；
S2：将所述原始二维图像进行图像重建，得到三维立体图像；
S3：从所述三维立体图像中获取一张或多张相交于所述原始二维图像的一张或多张切面图像，并通过图像处理得到一张或多张重建二维图像；
S4：将一张或多张所述原始二维图像及一张或多张所述切面图像在三维空间上一起显示；
S5：在所述三维空间上，基于所述原始二维图像进行特征点、特征线以及特征面的选取和显示。
2.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述方法还包括：所述原始二维图像、所述切面图像和所述重建二维图像进行图像增强或伪彩色渲染，以增强所述原始二维图像和所述重建二维图像中显示的细节。
3.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述步骤S5中在选取所述特征点、特征线以及特征面时，还进一步包括如下步骤：
S5-1：在所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像其中之一标记所述特征点、特征线或特征面的信息；
S5-2：在所述原始二维图像、切面图像及重建二维图像上自动显示在所述S5-1中确定的特征点、特征线或特征面的信息；
S5-3：判断在所述原始二维图像、切面图像、及重建二维图像中的标记所述特征点、特征线或特征面的信息是否准确；
S5-4：对所述S5-3中发现的不准确的标记作相应的调整；
S5-5：重复所述S5-2到S5-4的步骤直到在所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像中标记的所述特征点、特征线或特征面的信息得到确认为止。
4.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，步骤S3中所述切面图像的获取是通过人工或自动选择并标注标记点形成的，在一组所述原始二维图像或重建二维图像上放一系列标记点，然后通过平滑曲线连接所述标记点，所述平滑曲线即表示原始二维图像或重建二维图像上，所述切面图像与所述原始二维图像或重建二维图像相交的位置。
5.根据权利要求4所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述标记点单独调整位置时，平滑曲线会根据所述标记点的调整而自动进行调整，从而拟合所述标记点。
6.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，该方法还包括在所述原始二维图像中标记所述切面图像或所述重建二维图像的相对位置。
7.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，该方法还包括在所述切面图像或所述重建二维图像上标记所述原始二维图像的相对位置。
8.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述步骤S5还包括，所述的特征点在一个所述切面图像上指示或者移动时，所述特征点也会在其他所述切面图像、原始二维图像或重建二维图像的相应位置实时地被指示或移动。
9.根据权利要求8所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述特征点可以作为标记点而被标注在所述切面图像上。
10.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述步骤S5还包括，在任何一张所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像上，当一个特定的所述特征点被选定，所有显示的所述原始二维图像、切面图像或重建二维图像被重新选取并包括所述的特征点。
11.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述切面图像是一个平面或三维曲面。
12.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述步骤S3中所述的图像处理包括投影或平均算法。
13.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，步骤S3中所述重建二维图像以每个像素的亮度代表超声回波信号的强度，而每个像素的亮度则代表超声回波发生在人体组织中的相对或绝对深度。
14.根据权利要求1所述的一种三维超声图像显示方法，其特征在于，所述切面图像或重建二维图像还进一步显示所述原始二维图像或所述特征线或特征面的旋转信息。
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