CN111184535B - 手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统，其特征在于，包括数据获取单元；数据预处理单元；数据重建单元，将FDP算法应用到基于体素的三维正向映射重建算法中进行加速并利用获得的转换后的位置信息实时重建。与现有系统相比，本发明提供的系统不仅能完成三维超声成像，并且具有成像快、兼容性好、体积小，重量轻，便于携带运输等特点。

Description

手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统
技术领域
本发明涉及一种手持式无线三维超声实时成像系统，属于医学超声影像、三维超声成像、超声手术导航技术领域。
背景技术
三维超声成像技术由于其无辐射、成本低、操作灵活等特点，是现代医学影像中极具潜力的一项新兴技术。与传统二维超声成像相比，该技术可以提供被扫描区域内部的三维结构信息，提高医生对疾病诊断的准确性和快捷性。
无约束式扫描和基于体素的三维超声成像技术是将位置传感器嵌入传统超声探头中，通过追踪探头移动时的位置，再结合探头的二维图像信息，重建出被扫描区域内部的三维图像。目前在大范围的三维超声成像过程中，研究者常采用手持探头的方式对感兴趣区域进行扫描来获取更高质量的图像数据。而目前的三维超声成像设备的扫描方式，需要探头垂直于扫描区域进行移动，以获取一系列互相平行的图像进行重建，这样的扫描方式会丢失许多图像细节。此外，当前无约束式三维超声成像设备体积和重量都较大，不利于携带以及与其他设备的融合使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有三维超声成像系统体积大、难以便捷携带、无法灵活扫描。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，包括基于无线传输的二维超声扫描仪和无线定位模块，其中，研究者手持二维超声扫描仪对感兴趣区域进行扫描，扫描时，保持扫描范围在数据预处理单元预先确定的规则长方体内进行，通过扫描获得二维B-mode超声图像，无线定位模块以高于二维超声扫描仪帧率的速度进行位置信息的采集，每一帧二维B-mode超声图像对应的位置信息在图像获取时刻同步被无线定位模块获取，位置信息包括笛卡尔坐标和欧拉角；
数据预处理单元：在开始扫描前，数据预处理单元用于将位置信息划分为二维超声图像坐标系、无线定位模块的源坐标系以及观察者坐标系，随后利用二维超声扫描仪的位置信息在观察者坐标系中计算一个比实际扫描区域大一些的规则长方体；设置体素大小并获取三维坐标的变换矩阵，在扫描过程中，数据预处理单元用于将从数据获取单元获取到的每一帧二维B-mode超声图像对应的位置信息对应的位置信息用三维坐标的变换矩阵进行转换，将转换后的位置信息送入数据重建单元；
数据重建单元，将FDP算法应用到基于体素的三维正向映射重建算法中进行加速并利用获得的转换后的位置信息实时重建。
优选地，所述无线定位单元包括可以集成到所述二维扫描仪的位置传感器、用于追踪位置传感器的磁场源、与工作站相连的无线数据接收器、将位置传感器数据通过无线网络传输到数据接收器的数据仓；位置传感器被安装在所述二维扫描仪的适当位置，以避免磁场干扰，通过位置传感器追踪所述二维扫描仪相对于所述磁场源的位置；磁场源被放置在保证被扫描对象不超过量程范围的位置。
优选地，变换矩阵的获取包括以下步骤：
步骤101：记录在源坐标系下的校准点A、校准点B及校准点C的位置信息，其中，在获取校准点A时，所述二维超声扫描仪被标记面垂直于被扫描对象；
步骤102：根据校准点A、校准点B及校准点C的坐标(Px,Py,Pz)和欧拉角(A,E,R)，计算变换矩阵M1，变换矩阵M1将二维超声图像坐标系下每个点对应的二维图像平面变换到源坐标系下：
Figure BDA0002407446870000021
其中，R是一个根据欧拉角(A,E,R)计算的3×3旋转矩阵；
步骤103：将校准点A在源坐标系下对应的二维图像平面看作参考面，计算参考面与观察者坐标系水平面的几何关系来求取变换矩阵M2；
步骤104：最终变换由下式(1)给出：
Co＝M2*M1*Cf (1)
式(1)中，Cf是在二维图像坐标系下的4×1的笛卡尔坐标向量，Cf＝[xf yf zf 1]T；Co是在观察者坐标系下的4×1的笛卡尔坐标向量，Co＝[xo yo zo 1]T。
优选地，所述数据重建单元进行实时重建包括以下步骤：
步骤201：遍历一帧二维B-mode超声图像所有像素点，并向附近长方体平面按照最近欧氏距离规则进行映射，获取对应的体素点，映射时根据FDP算法加速映射过程；
步骤202：将像素点的值赋给映射后的体素点；
步骤203：对获取的每一帧二维B-mode超声图像进行上述处理，并实时显示当前重建结果，扫描完成，重建也即完成。
优选地，步骤201中，根据FDP算法加速映射过程包括以下步骤：
步骤2011：二维B-mode超声图像内像素点(x0，y0)的映射结果由下式(2)计算：
porg＝a*x0+b*y0+forg+vorg (2)
式(2)中，a＝dx/w，b＝dy/h，dx是二维B-mode超声图像平面x方向的方向向量，dy是二维B-mode超声图像平面y方向的方向向量，w和h分别是二维B-mode超声图像的宽和高；forg是二维B-mode超声图像平面的原点；vorg是预先确定的规则长方体的原点；
步骤2012：将当前二维B-mode超声图像内任意像素点记作(xi，yi)，令：
Figure BDA0002407446870000031
将式(2)与式(1)相结合，则映射结果由下式(4)计算：
p＝aΔx+bΔy+porg (4)
步骤2012：设置当前二维B-mode超声图像中一像素点为初始点p0，计算该初始点p0到规则长方体中体素的映射结果porg，其他像素点的映射结果由式(4)计算得出。
本发明提出一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统。该系统将手持式无线二维超声扫描仪和便携式无线定位系统集成在一起，应用传统的基于体素的正向和反向映射方法进行重建，并借鉴FDP(Fast Dot-Projecion，快速点投影)算法对重建过程进行加速。与现有系统相比，本发明提供的系统不仅能完成三维超声成像，并且具有成像快、兼容性好、体积小，重量轻，便于携带运输等特点。另外，由于探头运动时的笛卡尔坐标和欧拉角都被记录用以重建，使得研究人员在扫描感兴趣区域时，可根据扫描面的平坦度实时连续调整探头相对平面的角度、扫描平移的速度，以达到更加贴合平面的效果。最后，由于本发明提供的系统是基于体素的重建算法，因此可以进行大面积、大范围成像(例如可覆盖一般成年人的整个背部区域)。本发明提供的系统具有便携性和小型化的特点，为超声手术导航与其他医疗设备的技术融合提供了更加便利的条件。
附图说明
图1及图2为预先确定规则的长方体，其中，图1中，经过变换后，在观察者坐标系下的三个校准点；每个校准点对应的二维图像平面由四个顶点表示：图2中，长方体由这些顶点坐标的最大最小值计算得出。
图3及图4为体外脊柱仿体的重建和测量示意图。
图5为人体脊柱实时扫描并重建，从左至右分别展示开始扫描至时间为11s、27s、39s、60s时的重建冠状面图像。
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。
本发明提出的一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统包括以下部分：
数据获取单元
数据获取单元由一个基于无线传输的二维超声扫描仪和无线定位模块组成。其中，无线定位系统包括：用于追踪位置传感器的磁场源，可以集成到二维扫描仪的位置传感器(六个自由度)，与工作站相连的无线数据接收器，将位置传感器数据通过无线网络传输到数据接收器的数据仓。位置传感器被安装在二维扫描仪的适当位置，以避免磁场干扰，正确追踪二维扫描仪相对于磁场源的位置。磁场源放置的位置应保证被扫描对象不超过量程范围。二维扫描仪以24Hz以上帧率提供二维B-mode超声图像，包含笛卡尔坐标和欧拉角的位置信息则由无线定位模块以高于二维扫描仪帧率的速度进行采集。
研究者手持带有位置传感器的二维扫描仪对感兴趣区域进行扫描，一系列二维B-mode超声图像从二维扫描仪通过无线网络传输到工作站，每一帧二维扫描仪对应的位置信息在图像获取时刻同步从数据接收器中直接读取。所有数据被用来进行实时重建。
数据预处理单元
在开始扫描前，将位置信息划分为三个坐标系：二维超声图像坐标系、定位系统的源坐标系以及观察者坐标系。然后，利用二维扫描仪的位置信息对扫描范围进行确定：在观察者坐标系中计算一个比实际扫描区域大一些的规则长方体，设置体素大小并获取三维坐标的变换矩阵，将获取到的每一帧二维B-mode超声图像对应的位置信息用变换矩阵进行转换，之后送入数据重建单元进行图像重建。扫描时，应保持扫描范围在预先确定的规则长方体内进行。
变换矩阵的获取步骤具体如下：
步骤101：记录在源坐标系下的校准点A、校准点B及校准点C的位置信息，如图1及图2所示，其中，在获取校准点A时，所述二维超声扫描仪被标记面垂直于被扫描对象；
步骤102：根据校准点A、校准点B及校准点C的坐标(Px,Py,Pz)和欧拉角(A,E,R)，计算变换矩阵M1，变换矩阵M1将二维超声图像坐标系下每个点对应的二维图像平面变换到源坐标系下：
Figure BDA0002407446870000051
其中，R是一个根据欧拉角(A,E,R)计算的3×3旋转矩阵；
步骤103：将校准点A在源坐标系下对应的二维图像平面看作参考面，计算参考面与观察者坐标系水平面的几何关系来求取变换矩阵M2；
步骤104：最终变换由下式(1)给出：
Co＝M2*M1*Cf (1)
式(1)中，Cf是在二维图像坐标系下的4×1的笛卡尔坐标向量，Cf＝[xf yf zf 1]T；Co是在观察者坐标系下的4×1的笛卡尔坐标向量，Co＝[xo yo zo 1]T。
数据重建单元
将FDP算法应用到基于体素的三维正向映射重建算法中进行加速并实时重建，包括以下步骤：
步骤201：遍历一帧二维B-mode超声图像所有像素点，并向附近长方体平面按照最近欧氏距离规则进行映射，获取对应的体素点，映射时根据FDP算法加速映射过程，包括以下步骤：
步骤2011：二维B-mode超声图像内像素点(x0，y0)的映射结果由下式(2)计算：
porg＝a*x0+b*y0+forg+vorg (2)
式(2)中，a＝dx/w，b＝dy/h，dx是二维B-mode超声图像平面x方向的方向向量，dy是二维B-mode超声图像平面y方向的方向向量，w和h分别是二维B-mode超声图像的宽和高；forg是二维B-mode超声图像平面的原点；vorg是预先确定的规则长方体的原点；
步骤2012：将当前二维B-mode超声图像内任意像素点记作(xi，yi)，令：
Figure BDA0002407446870000061
将式(2)与式(3)相结合，则映射结果由下式(4)计算：
p＝aΔx+bΔy+porg (4)
步骤2012：设置当前二维B-mode超声图像中一像素点为初始点p0，计算该初始点p0到规则长方体中体素的映射结果porg，其他像素点的映射结果由式(4)计算得出。
步骤202：将像素点的值赋给映射后的体素点；
步骤203：对获取的每一帧二维B-mode超声图像进行上述处理，并实时显示当前重建结果，扫描完成，重建也即完成。
三维超声成像技术本身在临床中有着广泛的应用，比如心脏解剖结构立体成像、腹部脏器三维成像、骨骼结构成像等，而本系统的提出，使得该技术在完成成像功能外，大大降低了该类医疗设备的体积和重量，成本也随之减少，这对一些疾病的早期筛查和诊断提供了极大地便利。此外，鉴于该系统的便携性和小型化，利用其重建结果，可以在手术中对相关结构部位进行定位。当应用一个定位源，多个位置传感器时，可以为超声手术导航与其他医疗设备的技术融合提供更加便利的条件。
本实施例中使用本发明提供的系统针对人体骨骼系统进行具体实施。在数据采集时，可根据要扫描的部位和需求，选择采用卧式扫描或者立式扫描，来对脊柱、长骨、关节、椎间盘等骨骼部位实时快速获取三维重建图像，以达到对脊柱侧凸/前凸、椎间盘突出等骨骼病变进行辅助诊断和治疗的目的。
采用两种方式对该系统进行验证，一种是体外脊柱仿体重建测量(卧式扫描)。另一种是人体脊柱实时重建(立式扫描)。重建在工作站中进行，重建结果由显示器实时显示。另外，由于在该系统中所有的数据交换均基于无线局域网，因此可将该本发明的技术移植到移动端进行处理，同时在移动端实时观测重建结果。
一、仿体重建
步骤一：数据获取
五个胸椎椎骨模型(T5、T8、T9、T11、T12)被摆放在水槽中，然后由本发明提出的系统进行卧式扫描并实时重建。其中扫描仪提供的二维超声数字图像由640*480个像素组成，为8位、256级灰度图，采集数据的帧率大于24Hz。每一帧二维超声图像对应的位置信息在图像获取时刻同步从数据接收器中直接读取，包含迪卡尔坐标和欧拉角。
步骤二：数据预处理
利用扫描仪的位置信息对扫描范围进行确定：在观察者坐标系中计算一个比扫描区域大一些的规则长方体，设置体素大小为0.5mm宽(x方向)，0.5mm深(y方向)，1mm高(z方向)并获取变换矩阵，将获取到的每一帧图像对应的位置信息用变换矩阵进行转换，之后送入步骤三重建。接下来的扫描均在该预先确定的规则长方体内进行。
步骤三：数据重建。
将获取的具有位置信息的二维图像放入步骤二建立的规则长方体中，应用基于体素的正向映射重建算法来计算长方体中每一个体素的值。
1.遍历所有像素点，寻找其在规则长方体中的映射的体素点。
2.映射由FDP方法计算。
3.将像素点的值赋给映射后的体素点。
4.对实时获取的每一帧图像进行上述处理，并将结果实时展示在显示器。
5.扫描完成，重建也即完成。
步骤四：重建结果测量。
将重建结果投影到冠状面，获得二维冠状面图像。分别就每个椎骨以及椎骨的重建图像的三个水平距离和两个垂直距离进行手动测量，如图3、图4所示。
具体测量部位的水平距离被记为hdi，i∈[1，3]，分别是上关节突对、横突对、下关节突对之间的距离。垂直距离被记作vdi，i∈[1，3]，分别是上关节突和下关节突之间的距离。测量结果使用绝对误差和相对误差对进行分析：
E1＝|de-dr| (5)
Figure BDA0002407446870000081
式(5)及式(6)中，de是对仿体通过游标卡尺测得的距离，dr是对重建结果根据分辨率计算像素点数量测得的距离。
测量结果由下表给出。绝对误差的平均值和标准差分别是0.86mm和0.43mm，相对误差的平均值和标准差分别是2.16％和0.96％。
Figure BDA0002407446870000082
二、人体脊柱实时重建
步骤一：数据获取
使用本发明提出的系统对志愿者的背部进行立式扫描，并实时重建。
其中扫描仪提供的二维超声数字图像由640*480个像素组成，为8位，256级灰度图，采集数据的帧率大于24Hz。每一帧二维超声图像对应的位置信息在图像获取时刻同步从数据接收器中直接读取，包含迪卡尔坐标和欧拉角。
步骤二：数据预处理
利用扫描仪的位置信息对扫描范围进行确定：在观察者坐标系中计算一个比扫描区域大一些的规则长方体，设置体素大小为1mm宽(x方向)，1mm深(y方向)，,2mm高(z方向)并获取变换矩阵，将获取到的每一帧图像对应的位置信息用变换矩阵进行转换，之后送入步骤三重建。接下来的扫描均在该预先确定的规则长方体内进行。
步骤三：数据重建。
将获取的具有位置信息的二维图像放入步骤二中预先建立的规则长方体中，应用基于体素的正向映射重建算法来计算长方体中每一个体素的值。
1.遍历所有像素点，寻找其在规则长方体中的映射的体素点。
2.映射由快速点投影方法计算。
3.将像素点的值赋给映射后的体素点。
4.对实时获取的每一帧图像进行上述处理，并将结果实时展示在显示器。
5.扫描完成，重建也即完成。
步骤四：实时结果展示。
扫描的结果如图5所示。整个扫描时间大约1分钟，从左至右分别展示开始扫描至时间为11s、27s、39s、60s时的重建冠状面图像。

Claims (3)

1.一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统，其特征在于，包括：
数据获取单元，包括基于无线传输的二维超声扫描仪和无线定位模块，其中，研究者手持二维超声扫描仪对感兴趣区域进行扫描，扫描时，保持扫描范围在数据预处理单元预先确定的规则长方体内进行，通过扫描获得二维B-mode超声图像，无线定位模块以高于二维超声扫描仪帧率的速度进行位置信息的采集，每一帧二维B-mode超声图像对应的位置信息在图像获取时刻同步被无线定位模块获取，位置信息包括笛卡尔坐标和欧拉角；
数据预处理单元：在开始扫描前，数据预处理单元用于将位置信息划分为二维超声图像坐标系、无线定位模块的源坐标系以及观察者坐标系，随后利用二维超声扫描仪的位置信息在观察者坐标系中计算一个比实际扫描区域大一些的规则长方体；设置体素大小并获取三维坐标的变换矩阵，在扫描过程中，数据预处理单元用于将从数据获取单元获取到的每一帧二维B-mode超声图像对应的位置信息对应的位置信息用三维坐标的变换矩阵进行转换，将转换后的位置信息送入数据重建单元；
数据重建单元，将FDP算法应用到基于体素的三维正向映射重建算法中进行加速并利用获得的转换后的位置信息实时重建，包括以下步骤：
步骤201：遍历一帧二维B-mode超声图像所有像素点，并向附近长方体平面按照最近欧氏距离规则进行映射，获取对应的体素点，映射时根据FDP算法加速映射过程，包括以下步骤：
步骤2011：二维B-mode超声图像内像素点(x0，y0)的映射结果由下式(2)计算：
porg＝a*x0+b*y0+forg+vorg (2)
式(2)中，a＝dx/w，b＝dy/h，dx是二维B-mode超声图像平面x方向的方向向量，dy是二维B-mode超声图像平面y方向的方向向量，w和h分别是二维B-mode超声图像的宽和高；forg是二维B-mode超声图像平面的原点；vorg是预先确定的规则长方体的原点；
步骤2012：将当前二维B-mode超声图像内任意像素点记作(xi，yi)，令：
Figure FDA0004124584640000011
将式(2)与式(3)相结合，则映射结果由下式(4)计算：
p＝aΔx+bΔy+porg (4)
步骤2012：设置当前二维B-mode超声图像中一像素点为初始点p0，计算该初始点p0到规则长方体中体素的映射结果porg，其他像素点的映射结果由式(4)计算得出；
步骤202：将像素点的值赋给映射后的体素点；
步骤203：对获取的每一帧二维B-mode超声图像进行上述处理，并实时显示当前重建结果，扫描完成，重建也即完成。
2.如权利要求1所述的一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统，其特征在于，所述无线定位模块包括可以集成到所述二维超声扫描仪的位置传感器、用于追踪位置传感器的磁场源、与工作站相连的无线数据接收器、将位置传感器数据通过无线网络传输到数据接收器的数据仓；位置传感器被安装在所述二维超声扫描仪的适当位置，以避免磁场干扰，通过位置传感器追踪所述二维超声扫描仪相对于所述磁场源的位置；磁场源被放置在保证被扫描对象不超过量程范围的位置。
3.如权利要求1所述的一种手持式无约束扫描无线三维超声实时体素成像系统，其特征在于，变换矩阵的获取包括以下步骤：
步骤101：记录在源坐标系下的校准点A、校准点B及校准点C的位置信息，其中，在获取校准点A时，所述二维超声扫描仪被标记面垂直于被扫描对象；
步骤102：根据校准点A、校准点B及校准点C的坐标(Px,Py,Pz)和欧拉角(A,E,R)，计算变换矩阵M1，变换矩阵M1将二维超声图像坐标系下每个点对应的二维图像平面变换到源坐标系下：
Figure FDA0004124584640000021
其中，R是一个根据欧拉角(A,E,R)计算的3×3旋转矩阵；
步骤103：将校准点A在源坐标系下对应的二维图像平面看作参考面，计算参考面与观察者坐标系水平面的几何关系来求取变换矩阵M2；
步骤104：最终变换由下式(5)给出：
Co＝M2*M1*Cf (5)
式(5)中，Cf是在二维图像坐标系下的4×1的笛卡尔坐标向量，Cf＝[xf yf zf 1]T；Co是在观察者坐标系下的4×1的笛卡尔坐标向量，Co＝[xo yo zo 1]T。
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