CN110689792A - 一种超声检查虚拟诊断培训系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超声检查虚拟诊断培训系统及方法，包括：三维图像采集装置，用于采集不同孕期超声体模的三维影像数据；超声数字化模型生成装置，与三维图像采集装置连接，依据三维影像数据构建不同孕期超声体模的胎儿超声数字化模型；存储装置，与三维图像采集装置和超声数字化模型生成装置连接；超声探头定位装置；显示装置，与存储装置和超声探头定位装置连接，依据超声探头所在位置和朝向实时显示超声图像，构建了完整的超声体模的扫描、数据采集、建模和培训系统，采集数据全面完整，构建模型简单快捷，为产前诊断提供了依据，方便学员和医生的在产前诊断方面的学习和借鉴。

Description

一种超声检查虚拟诊断培训系统及方法

技术领域

本发明涉及超声模拟系统领域，尤其涉及一种超声检查虚拟诊断培训系统及方法。

背景技术

超声作为胎儿畸形筛查和诊断的首选方法，其准确性主要依赖于超声医师自身的诊断能力，但是目前我国基层医院能够从事胎儿产前超声检查和诊断的人员严重不足，而且由于缺乏系统性、规范化培训，基层超声工作者在该方面的专业知识和操作技能整体水平较低，造成大量严重先天畸形未能在产前做出诊断，给家庭和社会造成了极大的影响和负担，也给超声工作者带来了很高的职业风险和压力。

目前国内虽有数家高水平的胎儿产前超声检查培训机构，但其数量较少，培养出的合格学员数量有限。另外由于胎儿先天畸形的系统筛查难度较大，对超声扫查手法要求很高，有时因为胎儿体位原因，正常的检查耗时就比较长，而且长时间的超声辐照也有可能对胎儿造成潜在危害，所以不允许受训学员对孕妇进行长时间的扫查手法训练，但是目前缺乏能够达到胎儿产前超声检查规范化培训要求的教学辅助设备和模拟培训系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种超声检查虚拟诊断培训系统及方法，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种超声检查虚拟诊断培训系统，包括：

三维图像采集装置，用于采集不同孕期超声体模的三维影像数据；

超声数字化模型生成装置，与所述三维图像采集装置连接，依据所述三维影像数据构建不同孕期超声体模的胎儿超声数字化模型；

存储装置，与所述三维图像采集装置和所述超声数字化模型生成装置连接；

定位装置，用于对超声探头在所述超声体模的位置进行定位，产生所述超声探头所在位置和朝向；

显示装置，与所述存储装置和所述定位装置连接，依据所述超声探头所在位置和朝向实时显示超声图像。

进一步地，所述三维图像采集装置包括超声影像采集装置，核磁共振成像装置和电子计算机断层扫描装置。

进一步地，所述超声体模采用数字化的人体模型制成。

进一步地，所述三维图像采集装置包括一三维扫描装置，所述三维扫描装置包括自动扫描架，所述自动扫描架包括倒置的U型升降架，所述U型升降架的底端两脚连接竖直升降装置，所述U型升降架的顶部安装一水平轨和位于所述水平轨一端的伸缩装置，所述水平轨内设一滑块，所述滑块与所述伸缩装置的输出端连接，所述滑块底端固定连接有两弧形轨，两所述弧形轨内均设一电动小车，所述电动小车底端安装一用于夹持扫描探头的扫描夹具。

进一步地，所述电动小车通过蓄电池供电，两所述弧形轨呈“八”字形，所述弧形轨底部安装有若干距离检测装置。

另外，依据上述的超声检查虚拟诊断培训系统，本发明还提供了一种超声检查虚拟诊断培训方法，包括如下步骤：

S100：采集不同孕期超声体模的三维影像数据；或采集不同孕期超声体膜的核磁共振成像图像和电子计算机断层扫描图像转换为超声图像数据；

S200：依据所述三维影像数据或所述超声图像数据构建三维超声数字化模型；

S300：依据所述三维超声数字化模型构建虚拟检查系统；

S400：制作产前虚拟超声诊断培训系统。

进一步地，所述数据的采集包括如下步骤：

S101、通过所述三维图像采集装置对所述超声体模进行自动扫查以获取所述超声体模的切片数据；

S102、依据若干所述切片数据的二维空间关系位置生成所述三维影像数据。

进一步地，所述三维超声数字化模型的构建包括如下步骤：

S201、将所述超声体模的CT数据和MR全容积图像数据转换为超声图像数据；

S202、采用数据融合技术和数据配准技术对所述超声图像数据进行处理；

S203、依据处理后的数据构建三维超声数字化模型。

进一步地，所述虚拟检查系统的构建步骤如下：

S301、根据数据的空间扫描范围和分辨率生成虚拟数字体模，在所述虚拟数字体模上确认一原始定位点；

S302、通过所述定位装置对所述虚拟数字体模和超声探头进行定位，在所述原始定位点和所述超声探头上安装传感器；

S303、利用计算机获取所有的所述传感器在所述定位装置空间坐标中的空间位置和方向，获取定位参数；

S304、依据所有所述定位参数获取虚拟二维超声图像。

有益效果：设计超声检查虚拟诊断培训系统，通过扫描超声体模、采集数据、构建数字化模型和创建培训课程等一系列流程，使系统具有了模拟胎儿检测和诊断以及学习的功能，为胎儿的产前诊断提供模板，构建虚拟检查系统，为临床产检做出了示例和典范，建立起不同孕周正常和患有各类先天畸形胎儿的全容积三维超声虚拟数据库，为产前诊断提供了准确、高效的依据，制作胎儿体模产前超声培训系统，方便后续学员和医生的在产前诊断方面的学习和借鉴。

附图说明

图1为本发明的超声检查虚拟诊断培训系统的结构组成框图；

图2为本发明的三维扫描装置结构示意图；

图3为本发明的弧形轨侧面结构示意图；

图4为本发明的超声检查虚拟诊断培训方法的流程图；

图5为本发明的二维数据和三维数据示意图。

图中：1-自动扫描架；2-U型升降架；3-竖直升降装置；4-水平轨；5-伸缩装置；6-滑块；7-弧形轨；8-电动小车；9-扫描夹具；10-扫描探头；11-距离检测装置；12-三维图像采集装置；13-超声探头；14-超声数字化生成装置；15-显示装置；16-存储装置；17-定位装置；18-数据处理装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种超声检查虚拟诊断培训系统，包括：

三维图像采集装置12，用于采集不同孕期超声体模的三维影像数据；

超声数字化模型生成装置14，与三维图像采集装置12连接，依据三维影像数据构建不同孕期超声体模的胎儿超声数字化模型；

存储装置16，与三维图像采集装置12和超声数字化模型生成装置连接；

超声探头定位装置17，用于对超声探头13在超声体模的位置进行定位，产生超声探头13所在位置和朝向；

显示装置15，与存储装置16和定位装置17连接，依据超声探头13所在位置和朝向实时显示超声图像。

本发明的超声检查虚拟诊断培训系统的优点在于：

通过扫描超声体模、采集数据、构建数字化模型和创建培训课程等一系列流程，使系统具有了模拟胎儿检测和诊断以及学习的功能，为胎儿的产前诊断提供模板，构建虚拟检查系统，为临床产检做出了示例和典范，建立起不同孕周正常和患有各类先天畸形胎儿的全容积三维超声虚拟数据库，为产前诊断提供了准确、高效的依据，制作胎儿体模产前超声培训系统，方便后续学员和医生的在产前诊断方面的学习和借鉴。

超声检查虚拟诊断培训系统的工作原理和过程如下：

三维图像采集装置12通过各种扫描或成像装置采集不同孕期超声体模的三维影像数据(不同孕期的超声体模包括不同孕期的孕妇体模及对应孕期的胎儿体模)；三维影像数据进入存储装置16内暂时保存等待处理；显示装置18根据超声探头的位置和朝向显示实时体模超声图像；需补充的是，三维图像采集装置12和显示装置15均连接一数据处理装置18，用于处理三维影像数据和超声图像数据，数据处理装置12的输出端与超声数字化模型生成装置14连接，便于胎儿超声数字化模型的建立。超声数字化模型生成装置14根据三维影像数据和体模超声图像构建胎儿超声数字化模型。根据胎儿超声数字化模型又可以逐渐延伸出胎儿的虚拟检查和诊断系统、胎儿检测和畸形判断的培训系统，为现代化胎儿虚拟检测提供方向。

作为本发明一种优选的实施方式，三维图像采集装置包括超声影像采集装置，用于采集超声图像数据；核磁共振成像装置和电子计算机断层扫描装置用于，采集不同孕期超声体膜的核磁共振成像图像和电子计算机断层扫描图像，然后转化为超声图像数据。三个三维图像采集装置可对分别针对不同孕期的超声体模进行扫描，以保证扫描图像的完整性。

作为本发明一种优选的实施方式，超声体模采用数字化的人体模型制成。超声体模包括孕妇体模和不同孕期的胎儿体模。

如图2和图3所示，作为本发明一种优选的实施方式，三维图像采集装置12包括一三维扫描装置，三维扫描装置包括自动扫描架1，自动扫描架1包括倒置的U型升降架2，U型升降架2的底端两脚连接竖直升降装置3，竖直升降装置3可采用油缸驱动。U型升降架2的顶部安装一水平轨4和位于水平轨4一端的伸缩装置5，伸缩装置5可为油缸或电动伸缩杆，可驱动滑块6水平轨4上滑动。水平轨4内设一滑块6，滑块6与伸缩装置5的输出端连接，滑块6底端固定连接有两弧形轨7，两个弧形轨7内均设一电动小车8，电动小车8底端安装一用于夹持扫描探头10的扫描夹具9。扫描探头10即扫描装置的扫描终端。

电动小车8通过蓄电池供电，使电动小车8在弧形轨7内的行走更加顺畅。两弧形轨7呈“八”字形，两个弧形轨7底面弧度与孕妇体模的腹部顶面的弧度一致，保证小车可带动扫描探头10从各个角度扫描胎儿体模。

弧形轨7底部安装有若干距离检测装置11。距离检测装置11可采用激光测距仪，测量弧形轨7与孕妇体模之间的距离，避免扫描探头10距离体模过近或过远，保证扫描画面清晰性。

自动扫描架1的工作过程如下：

调节竖直升降装置3使扫描探头10调整到合适高度，然后使U型升降架2固定。然后滑块6从孕妇体模(胎儿体模)上方一端开始滑动一段距离，每滑动一段距离暂停一段时间，此时为扫描时间。扫描时间内，两个弧形轨7内的两个电动小车8带动两个扫描探头10不停地沿着孕妇体模的腹部弧线运动。扫描完一个剖面后，滑块6再次滑动一个距离，扫描探头10再次做弧线扫描运动，继续扫描下一个剖面。待滑块6从孕妇体模的腹部凸起的一端扫描到另一端(或胎儿体模从头扫描到脚)后，停止扫描，收集扫描数据。

优选的是，设计了三维自动扫描装置，节省了人工扫描的时间和劳动力，扫描更加全面，扫描效率高，结构简单成本低，占用空间小，移动方便。

如图4所示，依据上述的超声检查虚拟诊断培训系统，本发明还提供了一种超声检查虚拟诊断培训方法，包括如下步骤：

S100：采集不同孕期超声体模的三维影像数据；或采集不同孕期超声体膜的核磁共振成像图像和电子计算机断层扫描图像转换为超声图像数据；

S200：依据三维影像数据或超声图像数据构建三维超声数字化模型；

S300：依据三维超声数字化模型构建虚拟检查系统；

S400：制作产前虚拟超声诊断培训系统。

本发明的超声检查虚拟诊断培训方法的优点在于：

应用多模态影像学获得不同孕期胎儿体模的全容积超声三维数据，并依据超声数据构建三维超声数字化模型，为胎儿的产前诊断提供模板，构建虚拟检查系统，为临床产检做出了示例和典范，建立起不同孕周正常和患有各类先天畸形胎儿的全容积三维超声虚拟数据库，为产前诊断提供了准确、高效的依据，制作胎儿体模产前超声培训系统，方便后续学员和医生的在产前诊断方面的学习和借鉴。

作为本发明一种优选的实施方式，数据的采集包括如下步骤：

S101、通过三维图像采集装置对超声体模进行自动扫查以获取超声体模的切片数据；

S102、依据若干切片数据的二维空间关系位置生成超声三维影像数据。

在不同孕期内的数据采集步骤为：

(1)早孕期：通过容积探头和机械装置使二维超声探头在体模的下腹部匀速平移，获取早孕期体模的超声全容积图像数据；

(2)中孕期：通过螺旋CT薄层扫描技术对体模的结构、声学特性的人体实体模型进行扫描获取正常胎儿体模的超声全容积图像数据；对中孕期因为严重畸形需要引产的胎儿体模也是在引产后对胎儿体模进行CT扫描和数据采集，以纳入畸形胎儿病例数据库。

(3)中晚孕期：采集中孕期及晚孕期内发生颅脑、脊柱部位异常的胎儿体模的病变周围结构的MR图像和全容积超声图像。

作为本发明一种优选的实施方式，三维超声数字化模型的构建步骤如下：

S201、将超声体模的CT数据和MR全容积图像数据转换为超声图像数据；

S202、采用数据融合技术和数据配准技术对超声图像数据进行处理；

S203、依据处理后的数据构建三维超声数字化模型。

如图5所示，三维数据表示为由一系列相同尺寸二维图片叠加起来的三维数据场，其中每层二维图片表示被扫描患者身体的一个片层的影像。如图5所示的二维图像数据中(左边为二维数据，右边为三维数据)，每个片层由一系列的像素(pixel)构成，这些像素以二维网格的形式排列，而在每个方向上的像素间隔(spacing)往往也是不变的。图像的横轴(x定位装置轴)和纵轴(y定位装置轴)的像素间隔是一致的。在这类影像中，一致的像素间隔使得像素物理位置和像素下标值定位装置i定位装置之间的转换更加容易，如果够获得像素定位装置P(i,j)的横轴下标为定位装置i，纵轴下标为定位装置j，那么它的物理坐标则很容易通过下标与像素间隔的乘法获得。这样就可以根据扫描的数据或图像精准定位到胎儿体模或孕妇体模的身体位置，从而更好诊断胎儿体模的畸形位置。图5中Image Cell表示像元，Voxel表示体素，Volume element表示体元。

在获取了超声三维数据以后，为了实现虚拟检查，需要能根据探头的方位获取到实时的超声二维虚拟切片数据并显示出来。因此，获取探头相对于三维数据的空间方位就成了获取二维虚拟数据的关键。虚拟检查系统的构建步骤为：

作为本发明一种优选的实施方式，虚拟检查系统的构建步骤为：

步骤301、获取三维数据后，根据三维数据的空间扫描范围和分辨率生成虚拟数字体模，在虚拟数字体模上确认一原始定位点；

步骤302、使用定位装置对虚拟数字体模和超声探头进行定位，在原始定位点和超声探头上安装传感器，定位装置可采用电磁定位仪。

步骤303、利用计算机获取所有的传感器在定位装置空间坐标中的空间位置和方向，获取定位参数；

步骤303、依据所有的定位参数可获取探头在虚拟数字体模空间坐标系中的相对坐标和方向，根据模型的三维空间坐标和方向获取二维超声图像和二维虚拟数据，为虚拟检查系统和诊断系统提供数据和图像支持。

产前超声培训课程的制作步骤包括：

将超声数字化模型植入孕妇体模体内，通过超声探头从不同方向扫描孕妇体模表面，显示相应超声图像，建立虚拟胎儿超声诊断人机交互系统。产前超声培训课程的内容可包括标准化切面扫查和测量、三维超声等多模态超声成像、系列病例模拟诊断、阶段测验、结业考试和系统自动评分。

胎儿产前超声培训课程可规范化胎儿超声检查与系统性畸形筛查，在制作培训课程时，可请胎儿医学专家指点和讨论，以不断完善培训课程。在课程制作完成后，可请胎儿医学专家讲授，并以多媒体课件录制后固化到培训系统内。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超声检查虚拟诊断培训系统，其特征在于，包括

三维图像采集装置，用于采集不同孕期超声体模的三维影像数据；

超声数字化模型生成装置，与所述三维图像采集装置连接，依据所述三维影像数据构建不同孕期超声体模的胎儿超声数字化模型；

存储装置，与所述三维图像采集装置和所述超声数字化模型生成装置连接；

定位装置，用于对超声探头在所述超声体模的位置进行定位，产生所述超声探头所在位置和朝向；

显示装置，与所述存储装置和所述定位装置连接，依据所述超声探头所在位置和朝向实时显示超声图像。

2.根据权利要求1所述的一种超声检查虚拟诊断培训系统，其特征在于，所述三维图像采集装置包括超声影像采集装置，核磁共振成像装置和电子计算机断层扫描装置。

3.根据权利要求1所述的一种超声检查虚拟诊断培训系统，其特征在于，所述超声体模采用数字化的人体模型制成。

4.根据权利要求1所述的一种超声检查虚拟诊断培训系统，其特征在于，所述三维图像采集装置包括一三维扫描装置，所述三维扫描装置包括自动扫描架，所述自动扫描架包括倒置的U型升降架，所述U型升降架的底端两脚连接竖直升降装置，所述U型升降架的顶部安装一水平轨和位于所述水平轨一端的伸缩装置，所述水平轨内设一滑块，所述滑块与所述伸缩装置的输出端连接，所述滑块底端固定连接有两弧形轨，两所述弧形轨内均设一电动小车，所述电动小车底端安装一用于夹持扫描探头的扫描夹具。

5.根据权利要求4所述的一种超声检查虚拟诊断培训系统，其特征在于，所述电动小车通过蓄电池供电，两所述弧形轨呈“八”字形，所述弧形轨底部安装有若干距离检测装置。

6.一种超声检查虚拟诊断培训方法，其特征在于，用于权利要求1至5任意一项所述的超声检查虚拟诊断培训系统，包括如下步骤：

S100：采集不同孕期超声体模的三维影像数据；或采集不同孕期超声体膜的核磁共振成像图像和电子计算机断层扫描图像转换为超声图像数据；

S200：依据所述三维影像数据或所述超声图像数据构建三维超声数字化模型；

S300：依据所述三维超声数字化模型构建虚拟检查系统；

S400：制作产前虚拟超声诊断培训系统。

7.根据权利要求6所述的一种超声检查虚拟诊断培训方法，其特征在于，所述数据的采集包括如下步骤：

S101、通过所述三维图像采集装置对所述超声体模进行自动扫查以获取所述超声体模的切片数据；

S102、依据若干所述切片数据的二维空间关系位置生成所述三维影像数据。

8.根据权利要求6所述的一种超声检查虚拟诊断培训方法，其特征在于，所述三维超声数字化模型的构建包括如下步骤：

S201、将所述超声体模的CT数据和MR全容积图像数据转换为超声图像数据；

S202、采用数据融合技术和数据配准技术对所述超声图像数据进行处理；

S203、依据处理后的数据构建三维超声数字化模型。

9.根据权利要求6所述的一种超声检查虚拟诊断培训方法，其特征在于，所述虚拟检查系统的构建步骤如下：

S301、根据数据的空间扫描范围和分辨率生成虚拟数字体模，在所述虚拟数字体模上确认一原始定位点；

S302、通过所述定位装置对所述虚拟数字体模和超声探头进行定位，在所述原始定位点和所述超声探头上安装传感器；

S303、利用计算机获取所有的所述传感器在所述定位装置空间坐标中的空间位置和方向，获取定位参数；

S304、依据所有所述定位参数获取虚拟二维超声图像。

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