CN110969694B - 无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法。本发明将传统三维重建技术中的基于体素的重建算法应用到骨骼系统成像中，并对此类算法中使用的传统投影方法进行优化加速，提出FDP方法来实现实时重建的效果。由于本发明提供的方法是基于体素的重建算法，因此可以进行大面积、大范围成像(覆盖一般成年人整个背部区域)。这些是与传统三维骨骼成像的堆叠式扫描重建方法最大的不同。最后，本发明提供的技术同样适用于一般非实时重建，用以加速整体重建过程。

Description

无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法

技术领域

本发明涉及一种三维实时骨骼成像方法，属于医学影像、超声骨骼成像技术领域。

背景技术

传统二维超声成像由于其灵活性、非侵入性、无辐射和成本低等特点，是现代医学影像中不可或缺的一项技术。但限于二维图像信息少，难以辨认等缺陷，三维超声成像正发展成为一种新的成像技术。

三维超声成像技术是在传统超声探头中嵌入一个传感器来追踪探头移动时的位置，之后结合探头的二维图像重建出被扫描区域的三维图像。目前在大范围的三维超声成像过程中，研究者常用手持探头的方式对感兴趣区域进行扫描。而传统的三维扫描方式，需要探头保持一定角度在扫描区域中平行移动，以获取一系列互相平行的图像进行重建。此外，受限于传统扫描重建计算的速度，通常是将扫描获取的图像和位置信息保存到本地再进行重建，但这样的方式丢失了超声成像实时性这个极大的优点。尤其是将传统三维超声成像技术应用到骨骼系统成像时，会面临扫描区域较大且不平坦、扫描范围因患者而变化、扫描方式姿态因实际应用不同、扫描速度不均匀等诸多问题，因此采用无约束的自由扫描方式才可以在最大程度上获取高质量的数据，以获得高质量的图像。

发明内容

本发明的目的是：通过对传统重建算法中的投影计算进行优化加速，提出快速点投影方法来实现实时重建的效果。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据获取

通过对人体背部脊柱的垂直扫描，获取一系列二维横截面超声数字图像和与各二维横截面超声数字图像相对应的位置信息；

步骤2、数据预处理

扫描完整个骨骼区域后，将获得所有的二维横截面超声数字图像和相应的位置信息保存到本地，将每帧二维横截面超声数字图像看作一个矩形，结合校准矩阵和坐标变换，计算出每一个矩形在世界坐标系中的位置，之后根据所有矩形信息重建出一个规则立方体；

步骤3、通过基于体素的反向映射算法进行数据重建，包括以下步骤：

步骤301、将获取的具有位置信息的二维横截面超声数字图像放入步骤2中建立的规则立方体，二维横截面超声数字图像为一个二维图像平面；

步骤302、遍历规则立方体中的所有体素点，向附近图像平面进行投影，投影距离由快速点投影FDP计算得到，具体包括以下步骤：

步骤3021、三维点到平面的投影距离被下式(1)计算：

式(1)中，

代表从点A到点B的向量，点A是平面外一点，点B是平面内任意一点，

是平面的法向量；

步骤3022、将规则立方体平面中的体素点和二维图像平面的像素点代入式 (1)，体素点到二维图像平面的垂直距离d由下式(2)计算：

式(2)中，V_i是规则立方体平面中的体素点，P是二维图像平面中的任意一点，

是二维图像平面的法向量；

步骤3023、将从体素点V₀到二维图像平面的距离记作d₀，V₀和P的坐标被记为(x₀,y₀,z₀)和(x_p,y_p,z_p)，则距离₀展开计算为式(3)：

式(3)中，

步骤3024、对式(3)进行推广，将在规则立方体平面中的任意体素点记作 V_i，体素点V_i到二维图像平面的距离记作d_i，体素点V_i在规则立方体空间中的坐标记为x_i,y_i,z_i，距离_i由式(4)计算：

步骤3025、联系步骤3023和步骤3024，令：

则距离_i被简化为：

d_i＝aΔx+bΔy+cΔz+d₀  (5)

设置规则立方体平面一体素点为初始点V₀，计算初始点V₀到某一二维图像平面距离d₀，规则立方体中其他体素点到同一二维图像平面距离_i由式(5)计算得出；

步骤303、获取投影距离之后，对投影距离进行排序，根据需求选取投影距离对应的二维图像平面，在这些二维图像平面对投影点进行插值，把获取的像素值赋给体素点；

步骤304、遍历所有的体素点，重复步骤302至步骤303的操作，得到最终的成像结果。

优选地，步骤1中，利用带位置传感器的探头对人体背部脊柱进行垂直扫描，在扫描过程中实时根据背部骨骼趋势调整探头扫描角度和横向移动探头位置来获取高质量的二维横截面超声数字图像。

优选地，步骤1中，所述位置信息包含探头的迪卡尔坐标、姿态角和校准矩阵。

本发明的另一个技术方案是提供了一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据获取

利用带位置传感器的探头对人体背部脊柱进行垂直扫描，获取一系列二维横截面超声数字图像和与各二维横截面超声数字图像相对应的位置信息；

步骤2、数据预处理

在开始扫描前，先利用探头的位置信息对扫描范围进行确定和校准，在显示器坐标系中计算一个比扫描区域大一些的规则立方体并获取校准矩阵，将获取到的每一帧二维横截面超声数字图像对应的位置信息与变换矩阵相乘，之后送入步骤3进行重建；

步骤3、通过基于体素的正向映射的重建算法进行数据重建，包括以下步骤：

步骤301、遍历一帧二维横截面超声数字图像的所有像素点，并向附近规则立方体平面进行投影，投影距离由快速点投影FDP计算得到，包括以下步骤：

(1)移植FDP方法到基于体素的正向映射算法，可得下式：

d_i＝aΔx+bΔy+cΔz+d₀  (6)

式(6)中，a＝Ix/W,a＝Iy/H,Ix是该图像平面x方向的方向向量，Iy是y方向的方向向量，W和H分别是该图像的宽和高；

由于图像平面中所有像素点都位于同一平面，因此Δz≡0，故最终公式被简化为：

d_i＝aΔx+bΔy+d₀  (7)

(2)选取该图像平面中一像素点P₀＝(x₀,y₀,z₀)，计算其到附近立方体平面的投影距离d₀；

(3)其他像素点P_i＝(x_i,y_i,z_i)到同一立方体平面的投影距离d_i由式(7) 计算，其中，

步骤302、得到投影距离后，按不同需求找出需要计算的立方体平面，然后在这些平面中找到与像素点对应的体素点，将像素点的值赋给相应的体素点；

步骤303、对实时获取的每一帧二维横截面超声数字图像进行步骤2及步骤 3的处理，并将结果实时展示在显示器；

步骤304、扫描完成后，重建也即完成。

优选地，步骤1中，在扫描过程中实时根据背部骨骼趋势调整探头扫描角度和横向移动探头位置来获取高质量的二维横截面超声数字图像。

优选地，步骤1中，所述位置信息包含探头的迪卡尔坐标、姿态角和校准矩阵。

本发明提出一种应用无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像技术。该技术将传统三维重建技术中的基于体素的重建算法应用到骨骼系统成像中，并对此类算法中使用的传统投影方法(CPM，Conventional Projection Method)进行优化加速，提出FDP(FastDot-Projecion，快速点投影)方法来实现实时重建的效果。并且由于探头运动时的卡迪尔坐标和姿态角都被记录用以重建，使得使用者在扫描感兴趣骨骼区域时，可根据扫描面的平坦度来实时连续调整探头相对骨骼平面的角度、扫描平移的速度，以达到更加贴合骨骼轮廓的效果。由于该方法是基于体素的重建算法，因此可以进行大面积、大范围成像(覆盖一般成年人整个背部区域)。这些是与传统三维骨骼成像的堆叠式扫描重建方法(要求扫描时探头在成像区域近似平行移动获取一系列二维图像，再堆叠成三维图像，未完全使用位置信息)最大的不同。最后，本发明提供的技术同样适用于一般非实时重建，用以加速整体重建过程。

附图说明

图1为本发明的重建流程的流程图；

图2为基于体素的重建算法的示意图。

图3为基于体素的正向映射算法的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供了一种应用无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，包括以下步骤：

步骤一：数据获取

研究者手持带有位置传感器的探头对人体背部脊柱进行垂直扫描，获取一系列二维横截面超声数字图像和相应的位置信息。在扫描过程中，由于脊柱区域是不平坦的，因此可以实时根据背部骨骼趋势调整探头扫描角度和横向移动探头位置来获取高质量的二维横截面超声数字图像。

获取的二维横截面超声数字图像由640*480个像素组成，为8位，256级灰度图。每一帧二维横截面超声数字图像对应的位置信息包含探头的迪卡尔坐标、姿态角和校准矩阵。

步骤二：数据预处理

数据预处理分为两种方法，第一种方法是使用传统的方法：扫描完整个骨骼区域后将二维横截面超声数字图像及对应的位置信息保存到本地进行预处理，第二种方法是本发明提出的实时获取数据并处理。

方法一：

对保存的二维横截面超声数字图像进行预处理。然后，将每帧二维横截面超声数字图像看作一个矩形，结合校准矩阵和坐标变换，可以计算出每一个矩形在世界坐标系中的位置，之后根据所有矩形信息重建出一个的规则立方体。

方法二：

在开始扫描前，先利用探头的位置信息对扫描范围进行确定和校准，在显示器坐标系中计算一个比扫描区域大一些的规则立方体并获取校准矩阵，将获取到的每一帧二维横截面超声数字图像对应的位置信息与变换矩阵相乘，之后送入步骤三重建。

步骤三：数据重建

数据重建分为两种方法：第一种方法是基于体素的反向映射算法，这种方式需要使用数据预处理中的方法一。第二种方法是将本发明提出的快速点投影方法应用到基于体素的正向映射的重建算法中进行实时重建并显示，该方式需要使用数据预处理中的方法二。

方法一、基于体素的反向映射

将获取的具有位置信息的二维横截面超声数字图像做为二维图像平面放入步骤二方法一建立的规则立方体中，应用基于体素的重建算法来计算立方体中每一个体素的值。

1.遍历所有体素点，向附近二维图像平面进行投影。

2.投影距离由快速点投影方法FDP计算得到：

(1)三维点到面的投影距离被下式(1)计算：

式(1)中，

代表从点A到点B的向量，点A是平面外一点，点B是平面内任意一点，

是平面的法向量。

(2)将规则立方体平面中的体素点和二维图像平面的像素点代入式(1)，体素点到二维图像平面的垂直距离由下式(2)计算：

式(2)中，V_i是规则立方体平面中的体素点，P是二维图像平面中的任意一点，

是二维图像平面的法向量。

(3)将从体素点V₀到图像平面的距离记作d₀，V₀和P的坐标被记为(x₀,y₀,z₀) 和(x_p,y_p,z_p)，所以距离₀展开计算为式(3)：

式(3)中，

(4)对步骤(3)进行推广，将在规则立方体平面中的任意体素点记作V_i，该体素点V_i到图像平面的距离记作d_i。体素点V_i在规则立方体空间中的坐标记为 x_i,y_i,z_i。因此，距离_i由下式(4)计算：

(5)联系步骤(3)和步骤(4)，令：

则距离_i被简化为：

_i＝aΔx+bΔy+cΔz+d₀  (5)

设置规则立方体平面一体素点为初始点V₀，计算初始点V₀到某一二维图像平面距离d₀，规则立方体中其他体素点到同一二维图像平面距离_i由式(5)计算得出。

3.获取投影距离之后，对其进行排序，根据需求选取投影距离对应的二维图像平面，在这些二维图像平面对投影点进行插值，把获取的像素值赋给体素点。

4.遍历所有的体素点，重复上述操作，即可得到最终的成像结果。

方法二、基于体素的正向映射

1、遍历一帧二维横截面超声数字图像的所有像素点，并向附近规则立方体平面进行投影，投影距离由快速点投影FDP计算得到，包括以下步骤：

(1)移植FDP方法到基于体素的正向映射算法，可得下式：

d_i＝aΔx+bΔy+cΔz+d₀  (6)

式(6)中，a＝Ix/W,a＝Iy/H,Ix是该图像平面x方向的方向向量，Iy是 y方向的方向向量，W和H分别是该图像的宽和高。

由于图像平面中所有像素点都位于同一平面，因此Δz≡0。故最终公式被简化为：

d_i＝aΔx+bΔy+d₀  (7)

(2)选取该图像平面中一像素点P₀＝(x₀,y₀,z₀)，计算其到附近立方体平面的投影距离d₀。

(3)其他像素点P_i＝(x_i,y_i,z_i)到同一立方体平面的投影距离d_i由式(7) 计算。其中，

2、得到投影距离后，按不同需求找出需要计算的立方体平面，然后在这些平面中找到与像素点对应的体素点，将像素点的值赋给相应的体素点；

3、对实时获取的每一帧二维横截面超声数字图像进行步骤2及步骤3的处理，并将结果实时展示在显示器；

4、扫描完成后，重建也即完成。

Claims (6)

1.一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据获取

通过对人体背部脊柱的垂直扫描，获取一系列二维横截面超声数字图像和与各二维横截面超声数字图像相对应的位置信息；

步骤2、数据预处理

扫描完整个骨骼区域后，将获得所有的二维横截面超声数字图像和相应的位置信息保存到本地，将每帧二维横截面超声数字图像看作一个矩形，结合校准矩阵和坐标变换，计算出每一个矩形在世界坐标系中的位置，之后根据所有矩形信息重建出一个规则立方体；

步骤3、通过基于体素的反向映射算法进行数据重建，包括以下步骤：

步骤301、将获取的具有位置信息的二维横截面超声数字图像放入步骤2中建立的规则立方体，二维横截面超声数字图像为一个二维图像平面；

步骤302、遍历规则立方体中的所有体素点，向附近图像平面进行投影，投影距离由快速点投影FDP计算得到，具体包括以下步骤：

步骤3021、三维点到平面的投影距离被下式(1)计算：

式(1)中，

代表从点A到点B的向量，点A是平面外一点，点B是平面内任意一点，

是平面的法向量；

步骤3022、将规则立方体平面中的体素点和二维图像平面的像素点代入式(1)，体素点到二维图像平面的垂直距离d由下式(2)计算：

式(2)中，V_i是规则立方体平面中的体素点，P是二维图像平面中的任意一点，

是二维图像平面的法向量；

步骤3023、将从体素点V₀到二维图像平面的距离记作d₀，V₀和P的坐标被记为(x₀,y₀,z₀)和(x_p,y_p,z_p)，则距离d₀展开计算为式(3)：

式(3)中，

步骤3024、对式(3)进行推广，将在规则立方体平面中的任意体素点记作V_i，体素点V_i到二维图像平面的距离记作d_i，体素点V_i在规则立方体空间中的坐标记为x_i,y_i,z_i，距离_i由式(4)计算：

步骤3025、联系步骤3023和步骤3024，令：

则距离_i被简化为：

d_i＝aΔx+bΔy+cΔz+d₀  (5)

设置规则立方体平面一体素点为初始点V₀，计算初始点V₀到某一二维图像平面距离d₀，规则立方体中其他体素点到同一二维图像平面距离d_i由式(5)计算得出；

步骤303、获取投影距离之后，对投影距离进行排序，根据需求选取投影距离对应的二维图像平面，在这些二维图像平面对投影点进行插值，把获取的像素值赋给体素点；

步骤304、遍历所有的体素点，重复步骤302至步骤303的操作，得到最终的成像结果。

2.如权利要求1所述的一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，步骤1中，利用带位置传感器的探头对人体背部脊柱进行垂直扫描，在扫描过程中实时根据背部骨骼趋势调整探头扫描角度和横向移动探头位置来获取高质量的二维横截面超声数字图像。

3.如权利要求2所述的一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，步骤1中，所述位置信息包含探头的迪卡尔坐标、姿态角和校准矩阵。

4.一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据获取

利用带位置传感器的探头对人体背部脊柱进行垂直扫描，获取一系列二维横截面超声数字图像和与各二维横截面超声数字图像相对应的位置信息；

步骤2、数据预处理

在开始扫描前，先利用探头的位置信息对扫描范围进行确定和校准，在显示器坐标系中计算一个比扫描区域大一些的规则立方体并获取校准矩阵，将获取到的每一帧二维横截面超声数字图像对应的位置信息与变换矩阵相乘，之后送入步骤3进行重建；

步骤3、通过基于体素的正向映射的重建算法进行数据重建，包括以下步骤：

步骤301、遍历一帧二维横截面超声数字图像的所有像素点，并向附近规则立方体平面进行投影，投影距离由快速点投影FDP计算得到，包括以下步骤：

(1)移植FDP方法到基于体素的正向映射算法，可得下式：

d_i＝aΔx+bΔy+cΔz+d₀    (6)

式(6)中，a＝Ix/W,a＝Iy/H,Ix是该图像平面x方向的方向向量，Iy是y方向的方向向量，W和H分别是该图像的宽和高；

由于图像平面中所有像素点都位于同一平面，因此Δz≡0，故最终公式被简化为：

d_i＝aΔx+bΔy+d₀    (7)

(2)选取该图像平面中一像素点p₀＝(x₀,y₀,z₀)，计算其到附近立方体平面的投影距离d₀；

(3)其他像素点P_i＝(x_i,y_i,z_i)到同一立方体平面的投影距离d_i由式(7)计算，其中，

步骤302、得到投影距离后，按不同需求找出需要计算的立方体平面，然后在这些平面找到与像素点对应的体素点，将像素点的值赋给相应的体素点；

步骤303、对实时获取的每一帧二维横截面超声数字图像进行步骤2及步骤3的处理，并将结果实时展示在显示器；

步骤304、扫描完成后，重建也即完成。

5.如权利要求4所述的一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，步骤1中，在扫描过程中实时根据背部骨骼趋势调整探头扫描角度和横向移动探头位置来获取高质量的二维横截面超声数字图像。

6.如权利要求5所述的一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，步骤1中，所述位置信息包含探头的迪卡尔坐标、姿态角和校准矩阵。

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