CN111134843A - 一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法及装置。所述方法包括:S100获取虚拟坐标系统中虚拟超声切面F1上三个不共线取样点坐标P1、P2、P3,和虚拟超声探头中轴面F2上三个不共线取样点坐标Q1、Q2、Q3;S200获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1;S300获得平面F2”与平面F2'之间的变换矩阵T2;S400获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3;S500获得平面F2””与所述平面F2”'之间的变换矩阵T4。通过本发明的方法转换获得经胸穿刺的规划路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种穿刺路径规划技术领域,特别是涉及一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法及装置。
背景技术
经胸壁穿刺心内介入治疗是一种新兴的介入技术,具有介入路径短而直、距离心内病灶近、易于精准操控介入器械等优势,适用于多种结构性心脏病,尤其是外科手术后并发症的治疗。此项技术关键之处在于选择精准的穿刺位点和路径,确保一次性成功。若反复多次穿刺心脏,会导致因穿刺点出血而产生的心包填塞等严重并发症。为此,术前需要采用经胸超声规划穿刺路径,确定穿刺位点和穿刺针的空间位姿。一般来说,超声扫查确定病灶后,以扇形切面的中轴线穿过病灶为最佳穿刺路径。但在临床实际操作过程中,术者只能凭借个人经验在脑海里重构穿刺针的空间位置,在穿刺点及穿刺针的位姿上,存在很大的错选率,经常会偏离最佳穿刺路径线,容易导致严重并发症发生。为了提高穿刺成功率,需要将术前穿刺路径规划线描记下来并可视化,以供术中参照。因此,一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法及装置成为了迫切的需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明要解决的技术问题在于提供一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法及装置。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明一方面提供一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法,包括:
S200获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1,其中平面F2'为平移所述虚拟超声探头中轴面F2直至所述虚拟超声探头中轴面F2上任一取样点与坐标系原点重合获得;
S400获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3,其中平面F2”'为平移所述平面F2”直至步骤S200中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得;
S500获得平面F2””与所述平面F2”'之间的变换矩阵T4,其中平面F2””为获取所述平面F2”'与所述虚拟超声切面F1之间的距离,将所述平面F2”'沿其单位法向量平移向量至平面F2”'与虚拟超声切面F1重合获得,利用坐标转换公式及虚拟超声探头中轴面F2中对应超声探头中轴线的坐标获取超声切面上超声探头中轴线的坐标。
本发明另一方面提供一种在超声切面上获得超声探头中轴线的装置,包括:
第一平移模块:用于获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1,其中平面F2'为平移所述虚拟超声探头中轴面F2直至所述虚拟超声探头中轴面F2上任一取样点与坐标系原点重合获得;
第二平移模块:用于获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3,其中平面F2”'为平移所述平面F2”直至步骤S200中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得;
第三平移模块:用于获得平面F2””与所述平面F2”'之间的变换矩阵T4,其中平面F2””为获取所述平面F2”'与所述虚拟超声切面F1之间的距离,将所述平面F2”'沿其单位法向量平移向量至平面F2”'与虚拟超声切面F1重合获得,利用坐标转换公式及虚拟超声探头中轴面F2中对应超声探头中轴线的坐标获取超声切面上超声探头中轴线的坐标。
本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述程序被处理器执行时实现本发明所述的方法。
本发明另一方面提供一种设备,所述设备包括:存储器、处理器;所述存储器,其上存储有计算机程序;所述处理器,用于执行所述存储器存储的计算机程序,该程序被执行时实现本发明所述的方法。
本发明达到了以下有益效果:
本发明提供的在超声切面上获得超声探头中轴线的方法,可以将病灶处的超声切面与超声探头设有的定位装置所在的平面在同一虚拟的坐标系统中显示并通过本发明的方法转换获得规划路径。本发明为经胸穿刺心内介入治疗提供了一种标准化的技术方案。通过本发明方案的实施,可以将术前穿刺路径规划线精准描记下来并可视化,为术者操作提供了可靠的导航保障,有效地降低了术者人为的穿刺位姿错选率。本发明不仅可以提高穿刺成功率,而且有效防治并发症发生,提高了手术安全性。
附图说明
图1为在超声切面上获得超声探头中轴线的方法的流程示意图。
图2为超声探头的结构示意图。
图中元件标号
1 超声探头
2 定位装置
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示,本发明实施例提供一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法,包括如下步骤:
S200获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1,具体地,平面F2'为平移所述虚拟超声探头中轴面F2直至所述虚拟超声探头中轴面F2上任一取样点与坐标系原点重合获得;
S400获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3,具体地,平面F2”'为平移所述平面F2”直至步骤S200中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得;
S500获得平面F2””与所述平面F2”'之间的变换矩阵T4,具体地,平面F2””为获取所述平面F2”'与所述虚拟超声切面F1之间的距离,将所述平面F2”'沿其单位法向量平移向量至平面F2”'与虚拟超声切面F1重合获得,利用坐标转换公式及虚拟超声探头中轴面F2中对应超声探头中轴线的坐标获取超声切面上超声探头中轴线的坐标。
具体地,步骤S100中,虚拟超声切面F1是通过超声探头1扫查病灶处获得的病灶处超声切面在虚拟的坐标系统中显示的虚拟切面。虚拟超声探头中轴面F2是超声探头1扫查病灶获得病灶处超声切面时,在虚拟坐标系统中显示的虚拟超声探头中轴面。虚拟超声探头中轴面可依据超声探头1上的传感器获得。
在一优选的实施方式中,虚拟坐标系统还显示病灶处超声切面的扇形切面顶点,以便于辅助确定穿刺点。具体地,虚拟超声切面F1为扇形切面,此时真实情况下的超声探头1顶点与胸壁接触的位置在虚拟坐标系统中显示即为病灶处超声切面的扇形切面顶点。
在一种实施方式中,可根据定位装置2在超声探头1上所设的位置,确定超声探头1的中轴面及中轴线L。在一较佳实施方式中,为了便于确定超声探头1的中轴线L,定位装置2均位于超声探头1的中轴面上。
更具体地,定位装置2可以是传感器,在超声探头1的中轴面上设有如图2所示的三个不共线的传感器Q1、Q2和Q3,用于确定超声探头1的中轴面及中轴线L。
更具体的,为了便于获得中轴线的坐标位置,Q1Q2Q3呈直角三角形,且超声探头的中轴线L为线段Q1Q2的中垂线。
在一优选的实施例中,虚拟三维坐标系OXYZ中,以虚拟超声切面F1的扇形切面顶点作为坐标系的原点。
在另一优选的实施例中,步骤S200中,将虚拟超声探头中轴面F2平移至点Q1与坐标系原点重合。
在一具体的实施方式中,在虚拟三维坐标系OXYZ中以虚拟超声切面F1的扇形切面顶点作为坐标系的原点,步骤S200中,将虚拟超声探头中轴面F2平移至点Q1与坐标系原点重合。此时,所述步骤S500中,所述坐标转换公式为:
(x′,y′,z′,1)=T(x,y,z,1)T
其中,(x′,y′,z′)T转换后的坐标信息,(x,y,z)T为转换前的坐标信息;
T=T4T3T2T1,T为虚拟超声探头中轴面到其在虚拟超声切面的投影平面的变换矩阵。
具体的:
步骤S200中,平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1为:
步骤S300中,平面F2”与平面F2'之间的变换矩阵T2为:
步骤S400中,平面F2”'与平面F2”之间的变换矩阵T3为:
步骤S500中,平面F2””与平面F2”'之间的变换矩阵T4为:
其中,
Q′ 1=T3T2T1Q1。
以上公式的解释如下:
步骤S200中,平移虚拟超声探头中轴面F2直至虚拟超声探头中轴面F2任一取样点与坐标系原点重合获得平面F2'。在一具体实施例中,将虚拟超声探头中轴面F2平移至点Q1与坐标系原点重合,对应变换矩阵T1为:
平面F2'变换后的坐标如下:
上述公式解释为:
通过上述步骤可将平面F2'旋转变换后得到平面F2”。
步骤S400中,平移平面F2”直至步骤S200中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得平面F2”'。以取样点为Q1为例,对应变换矩阵T3为:
其中变换矩阵T3为:
综上,得到总变换矩阵为:T=T4T3T2T1,得到如下结论:对于虚拟超声探头中轴面F2上任一点(x,y,z)T其对应齐次坐标满足:
(x′,y′,z′,1)=T(x,y,z,1)T,其中(x′,y′,z′)T虚拟超声探头中轴面F2转换后的坐标信息,(x,y,z)T为虚拟超声探头中轴面F2转换前的坐标信息。因此可以知道虚拟超声探头中轴面F2与平面F1变换重合后的对应点。
根据上述公式,可知虚拟超声探头中轴面F2上Q1、Q2、Q3与虚拟超声切面F1变换重合后的对应点,进一步可将虚拟超声探头中轴面F2中Q1和Q2的底边中垂线,虚拟超声探头中轴面F2上与Q1和Q2的底边中垂线重合的路径即为虚拟超声切面F1中的规划路径。
因此,可根据虚拟的坐标系统中,超声探头1的空间坐标信息,经本发明的方法,得出超声探头1中轴线在病灶处的超声切面上的位置。作为采用本发明的方法获得的中轴线的进一步的应用,可依据此作为经胸壁穿刺的规划路径。
关于采用本发明的方法获得的中轴线可以确定规划路径的进一步说明如下:
病灶处超声切面为扇形切面。一般情况下,可将过病灶处超声切面扇形切面顶点及一病灶穿刺取样点的直线作为实际规划路径。当预进行穿刺取样的病灶点置于病灶处超声切面的中轴线上时,病灶处超声切面的中轴线即可作为实际规划路径。在真实情况下,超声探头1的中轴线L应位于病灶处的超声切面上,超声探头的顶点与病灶处的超声切面顶点重合,超声探头1中轴线L与病灶处超声切面的中轴线重合。因此,确定了超声探头中轴线的位置即可确定规划路径。但在虚拟坐标系统中,病灶处的超声切面与超声探头1中轴线L的相对位置与两者的实际相对位置并不匹配,因此采用本发明的方法中的坐标转换公式进行转换,可将超声探头1的中轴线L投影至病灶处的超声切面上。
本发明实施例还提供一种在超声切面上获得超声探头中轴线的装置包括:
第一平移模块,用于获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1,其中平面F2'为平移所述虚拟超声探头中轴面F2直至所述虚拟超声探头中轴面F2上任一取样点与坐标系原点重合获得;
第二平移模块,用于获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3,其中平面F2”'为平移所述平面F2”直至第一平移模块中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得。
第三平移模块,用于获得平面F2””与所述平面F2”'之间的变换矩阵T4,其中平面F2””为获取所述平面F2”'与所述虚拟超声切面F1之间的距离,将所述平面F2”'沿其单位法向量平移向量至平面F2”'与虚拟超声切面F1重合获得,利用坐标转换公式及虚拟超声探头中轴面F2中对应超声探头中轴线的坐标获取超声切面上超声探头中轴线的坐标。
具体地,取样模块中,虚拟超声切面F1是通过超声探头1扫查病灶处获得的病灶处超声切面在虚拟的坐标系统中显示的虚拟切面。虚拟超声探头中轴面F2是超声探头1扫查病灶获得病灶处超声切面时,在虚拟坐标系统中显示的虚拟超声探头中轴面。虚拟超声探头中轴面可依据超声探头1上的传感器获得。
在一优选的实施方式中,虚拟坐标系统还显示病灶处超声切面的扇形切面顶点,以便于辅助确定穿刺点。具体地,虚拟超声切面F1为扇形切面,此时真实情况下的超声探头1顶点与胸壁接触的位置在虚拟坐标系统中显示即为病灶处超声切面的扇形切面顶点。
在一种实施方式中,可根据定位装置2在超声探头1上所设的位置,确定超声探头1的中轴面及中轴线L。在一较佳实施方式中,为了便于确定超声探头1的中轴线L,定位装置2均位于超声探头1的中轴面上。
更具体地,定位装置2可以是传感器,在超声探头1的中轴面上设有如图2所示的三个不共线的传感器Q1、Q2和Q3,用于确定超声探头1的中轴面及中轴线L。
更具体的,为了便于获得中轴线的坐标位置,Q1Q2Q3呈直角三角形,且超声探头的中轴线为线段Q1Q2的中垂线。
在一优选的实施例中,虚拟三维坐标系OXYZ以虚拟超声切面F1的扇形切面顶点作为坐标系的原点。
在另一优选的实施例中,第一平移模块中,将虚拟超声探头中轴面F2平移至点Q1与坐标系原点重合。
以虚拟三维坐标系OXYZ以虚拟超声切面F1的扇形切面顶点作为坐标系的原点,第一平移模块中,将虚拟超声探头中轴面F2平移至点Q1与坐标系原点重合,此时,第三平移模块中,所述坐标转换公式为:
(x′,y′,z′,1)=T(x,y,z,1)T
其中,(x′,y′,z′)T转换后的坐标信息,(x,y,z)T为转换前的坐标信息;
T=T4T3T2T1,T为虚拟超声探头中轴面到其在虚拟超声切面的投影平面的变换矩阵。
第一平移模块中,所述平面F2'与所述虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1为:
旋转模块中,所述平面F2”与所述平面F2'之间的变换矩阵T2为:
第二平移模块中,所述平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3为:
第三平移模块中,所述平面F2””与所述平面F2”'之间的变换矩阵T4为:
其中,
Q′1=T3T2T1Q1。
以上公式的解释如下:
第一平移模块中,平移虚拟超声探头中轴面F2直至虚拟超声探头中轴面F2任一取样点与坐标系原点重合获得平面F2'。在一具体实施例中,将虚拟超声探头中轴面F2平移至点Q1与坐标系原点重合,对应变换矩阵T1为:
平面F2'变换后的坐标如下:
上述公式解释为:
通过上述步骤可将平面F2'旋转变换后得到平面F2”。
第二平移模块中,平移平面F2”直至第一平移模块中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得平面F2”'。以取样点为Q1为例,对应变换矩阵T3为:
其中变换矩阵T3为:
综上,得到总变换矩阵为:T=T4T3T2T1,得到如下结论:对于虚拟超声探头中轴面F2上任一点(x,y,z)T其对应齐次坐标满足:
(x′,y′,z′,1)=T(x,y,z,1)T,其中(x',y',z')T虚拟超声探头中轴面F2转换后的坐标信息,(x,y,z)T为虚拟超声探头中轴面F2转换前的坐标信息。因此可以知道虚拟超声探头中轴面F2与平面F1变换重合后的对应点。
根据上述公式,可知虚拟超声探头中轴面F2上Q1、Q2、Q3与虚拟超声切面F1变换重合后的对应点,进一步可将虚拟超声探头中轴面F2中Q1和Q2的底边中垂线,虚拟超声探头中轴面F2上与Q1和Q2的底边中垂线重合的路径即为虚拟超声切面F1中的规划路径。
因此,可根据虚拟的坐标系统中,超声探头1的空间坐标信息,经本发明的装置,获取超声探头1中轴线在病灶处的超声切面上的位置。作为采用本发明的装置获得的中轴线的进一步的应用,可依据此作为经胸壁穿刺的规划路径。
关于采用本发明的装置获得的中轴线可以确定规划路径的进一步说明如下:
病灶处超声切面为扇形切面。一般情况下,可将过病灶处超声切面扇形切面顶点及一病灶穿刺取样点的直线作为实际规划路径。当预进行穿刺取样的病灶点置于病灶处超声切面的中轴线上时,病灶处超声切面的中轴线即可作为实际规划路径。在真实情况下,超声探头1的中轴线L应位于病灶处的超声切面上,超声探头的顶点与病灶处的超声切面顶点重合,超声探头1中轴线L与病灶处超声切面的中轴线重合。因此,确定了超声探头中轴线的位置即可确定规划路径。但在虚拟坐标系统中,病灶处的超声切面与超声探头1中轴线L的相对位置与两者的实际相对位置并不匹配,因此采用本发明的装置中的坐标转换公式进行转换,可将超声探头1的中轴线L投影至病灶处的超声切面上。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述程序被处理器执行时实现本发明所述的在超声切面上获得超声探头中轴线的方法。
所述计算机可读存储介质,本领域普通技术人员可以理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时,执行包括上述各方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供一种设备,所述设备包括:存储器、处理器;所述存储器,其上存储有计算机程序;所述处理器,用于执行所述存储器存储的计算机程序,该程序被执行时实现本发明所述的在超声切面上获得超声探头中轴线的方法。
所述存储器可能包含随机存取存储器(Random Access Memory,简称RAM),也可能还包括非易失性存储器(non-voatie memory),例如至少一个磁盘存储器。
所述处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(Centra Processing Unit,简称CPU)、网络处理器(Network Processor,简称NP)等;还可以是数字信号处理器(DigitaSigna Processing,简称DSP)、专用集成电路(Appication Specific IntegratedCircuit,简称ASIC)、现场可编程门阵列(Fied-Programmabe Gate Array,简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
综上所述,本发明提供的方法,可以将病灶处的超声切面与超声探头设有的定位装置所在的平面在同一虚拟的坐标系统中显示并通过本发明的方法转换获得规划路径。本发明为经胸穿刺心内介入治疗提供了一种标准化的技术方案。通过本发明方案的实施,可以将术前穿刺路径规划线精准描记下来并可视化,为术者操作提供了可靠的导航保障,有效地降低了术者人为的穿刺位姿错选率。本发明不仅可以提高穿刺成功率,而且有效防治并发症发生,提高了手术安全性。
综上所述,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种在超声切面上获得超声探头中轴线的方法,包括:
S200获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1,其中平面F2'为平移所述虚拟超声探头中轴面F2直至所述虚拟超声探头中轴面F2上任一取样点与坐标系原点重合获得;
S400获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3,其中平面F2”'为平移所述平面F2”直至步骤S200中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得;
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S500中,所述坐标转换公式为:
(x′,y′,z′,1)=T(x,y,z,1)T
其中,(x′,y′,z′)T转换后的坐标信息,(x,y,z)T为转换前的坐标信息;
T=T4T3T2T1。
7.一种在超声切面上获得超声探头中轴线的装置,其特征在于,包括:
第一平移模块:用于获得平面F2'与虚拟超声探头中轴面F2之间的变换矩阵T1,其中平面F2'为平移所述虚拟超声探头中轴面F2直至所述虚拟超声探头中轴面F2上任一取样点与坐标系原点重合获得;
旋转模块:用于获得平面F2”与平面F2'之间的变换矩阵T2,其中平面F2”为将所述平面F2'绕坐标系原点旋转至其单位法向量与所述虚拟超声切面F1的单位法向量重合获得;
第二平移模块:用于获得平面F2”'与所述平面F2”之间的变换矩阵T3,其中平面F2”'为平移所述平面F2”直至第一平移模块中与坐标系原点重合的取样点回到其初始位置获得;
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第三平移模块中,所述坐标转换公式为:
(x′,y′,z′,1)=T(x,y,z,1)T
其中,(x′,y′,z′)T转换后的坐标信息,(x,y,z)T为转换前的坐标信息;
T=T4T3T2T1。
13.一种设备,其特征在于,所述设备包括:存储器、处理器;所述存储器,其上存储有计算机程序;所述处理器,用于执行所述存储器存储的计算机程序,所述程序被执行时实现如权利要求1~6中任一项所述的方法。
14.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述程序被处理器执行时实现如权利要求1~6中任一项所述的方法。
Priority Applications (4)
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