CN111544037B - 一种基于双目视觉的超声定位方法及系统 - Google Patents

一种基于双目视觉的超声定位方法及系统 Download PDF

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CN111544037B CN202010398438.5A CN202010398438A CN111544037B CN 111544037 B CN111544037 B CN 111544037B CN 202010398438 A CN202010398438 A CN 202010398438A CN 111544037 B CN111544037 B CN 111544037B
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Abstract

本发明提供一种基于双目视觉的超声定位方法及系统,涉及计算机视觉技术领域,包括:采用双目视觉设备拍摄患者图像,并根据患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,超声探头由初始切片位置开始对待扫查区域进行超声扫查;在超声扫查过程中,跟踪拍摄第一图像和第二图像,并处理得到各第一定位件和各第二定位件的空间坐标;根据空间坐标处理得到关联于待扫查区域的第一平面以及关联于超声探头的扫描面的第二平面之间的相对位置偏差值;相对位置偏差值小于预设偏差阈值时获取当前切片位置的超声图像并保存,以供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。能够精准找到脏器位置和探头姿势,准确得到感兴趣区域超声图片。

Description

一种基于双目视觉的超声定位方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机视觉技术领域,尤其涉及一种基于双目视觉的超声定位方法及系统。
背景技术
超声检查是一种基于超声波(超声)的医学影像学诊断技术,使肌肉和内脏器官,包括其大小、结构和病理学病灶可视化。现在超声检查在医学中广泛应用,它可能起诊断作用,也可能在治疗过程中起引导作用(例如活检或积液引流)通常使用探头放置于患者身上并移动扫查。
现有技术中,在进行人体器官超声检查的操作过程中,能够准确定位到人体器官及感兴趣区域主要依赖于超声医生的经验和手法,且对检查的效果起到关键性作用。在基层医疗系统中,超声医生人员不足,经验欠缺等因素导致对疾病的检查无法达到预期效果。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种基于双目视觉的超声定位方法,于超声检查区域的上方预先放置一双目视觉设备,并在患者的躯干上的预设关联区域设置若干第一定位件,以及在超声探头上设置若干第二定位件;
所述超声定位方法具体包括以下步骤:
步骤S1,采用所述双目视觉设备拍摄得到包含各所述第一定位件的患者图像,并根据所述患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,所述超声探头由所述初始切片位置开始对所述待扫查区域进行超声扫查;
步骤S2,在所述超声探头的超声扫查过程中,采用所述双目视觉设备的每个摄像头分别跟踪拍摄得到包含各所述第一定位件和各所述第二定位件的第一图像和第二图像,并根据所述第一图像、所述第二图像以及所述双目视觉设备的相机参数处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的空间坐标;
步骤S3,根据所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的第一平面以及关联于所述超声探头的扫描面的第二平面,并进而处理得到所述第一平面和所述第二平面之间的相对位置偏差值;
步骤S4,将所述相对位置偏差值与对应的预设偏差阈值进行比较:
若所述相对位置偏差值小于所述预设偏差阈值,则转向步骤S5;
若所述相对位置偏差值不小于所述预设偏差阈值,则输出所述相对位置偏差值及所述超声探头的当前空间姿态,随后返回所述步骤S2;
步骤S5,获取所述当前切片位置的超声图像并保存,以供后续分析使用,随后返回所述步骤S2,直至完成超声扫描过程。
优选的,执行所述步骤S1之前,还包括预先生成所述相机参数的过程,具体包括:
分别对所述双目视觉设备中的每个摄像头进行矫正,随后对所述双目视觉设备进行双目校准,校准后得到所述双目视觉设备的所述相机参数。
优选的,所述步骤S2具体包括:
步骤S21,在所述超声探头的超声扫查过程中,采用所述双目视觉设备中的每个摄像头分别跟踪拍摄得到所述第一图像和所述第二图像;
步骤S22,分别计算所述第一图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第一像素坐标,以及所述第二图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第二像素坐标;
步骤S23,根据所述第一像素坐标、所述第二像素坐标和所述相机参数计算得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的世界坐标;
步骤S24,对所述世界坐标进行处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的所述空间坐标。
优选的,所述相对位置偏差值包括空间偏移值和角度偏移值;
则所述步骤S3具体包括:
步骤S31,根据各所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的当前切片位置的各所述第一定位件所在的第一平面的第一空间坐标组合以及关联于所述超声探头的当前空间位置的各所述第二定位件所在的第二平面的第二空间坐标组合;
步骤S32,处理得到所述第一空间坐标组合和所述第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并根据所述中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标处理得到所述空间偏移值;以及
分别处理得到所述第一平面对应的第一平面法向量和所述第二平面对应的第二平面法向量,随后处理得到所述第一平面法向量和所述第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的所述角度偏移值。
优选的,所述步骤S31具体包括:
步骤S311,将各所述空间坐标对应的各所述第一定位件和各所述第二定位件两两进行连接得到包含若干连接线的空间图像;
步骤S312,对所述空间图像进行图像识别得到最接近所述第一图形的第一空间坐标组合以及最接近所述第二图形的第二空间坐标组合。
优选的,所述步骤S32中,所述空间偏移值的计算公式如下:
Figure BDA0002488533580000041
其中,
Figure BDA0002488533580000042
E1用于表示所述空间偏移值;
(Cx,Cy,Cz)用于表示所述标准中心点空间坐标;
Cd用于表示所述中心点空间坐标;
M用于表示所述第一空间坐标组合和第二空间坐标组合包含的空间点总数;
xi,yi,zi分别用于表示所述第一空间坐标组合和第二空间坐标组合中各空间点的空间坐标值。
优选的,所述步骤S33中,所述角度偏移值的计算公式如下:
Figure BDA0002488533580000051
其中,
E2用于表示所述角度偏移值;
θ用于表示所述标准法向量角度;
v1用于表示所述第一平面法向量;
v2用于表示所述第二平面法向量。
优选的,所述预设偏差阈值包括空间偏移阈值以及角度偏移阈值;
则所述步骤S4具体包括:
步骤S41,将所述空间偏移值与所述空间偏移阈值进行比较:
若所述空间偏移值小于所述空间偏移阈值,则转向步骤S42;
若所述空间偏移值不小于所述空间偏移阈值,则输出所述空间偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态,随后返回所述步骤S2;
步骤S42,将所述角度偏移值与所述角度偏移阈值进行比较:
若所述角度偏移值小于所述角度偏移阈值,则转向步骤S5;
若所述角度偏移值不小于所述角度偏移阈值,则输出所述角度偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态,随后返回所述步骤S2。
一种基于双目视觉的超声定位系统,应用以上任意一项所述的基于双目视觉的超声定位方法,所述超声定位系统具体包括:
双目视觉设备,用于在超声扫查之前拍摄得到包含各所述第一定位件的患者图像并输出,以及在所述超声探头的移动扫查过程中,每个所述摄像头分别跟踪拍摄得到包含各所述第一定位件和各所述第二定位件的第一图像和第二图像并输出;
数据处理平台,连接所述双目视觉设备,所述数据处理平台具体包括:
数据接收模块,用于分别接收所述患者图像、所述第一图像和所述第二图像;
第一处理模块,连接所述数据接收模块,用于根据所述患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,所述超声探头由所述初始切片位置开始对所述待扫查区域进行超声扫查;
第二处理模块,连接所述数据接收模块,用于根据所述第一图像、所述第二图像以及所述双目视觉设备的相机参数处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的空间坐标;
第三处理模块,连接所述第二处理模块,用于根据所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的第一平面以及关联于所述超声探头的扫描面的第二平面,并进而处理得到所述第一平面和所述第二平面之间的相对位置偏差值;
数据比较模块,连接所述第三处理模块,用于将所述相对位置偏差值与对应的预设偏差阈值进行比较,并在所述相对位置偏差值不小于所述预设偏差阈值时输出所述相对位置偏差值及所述超声探头的当前空间姿态,以及
在所述相对位置偏差值小于所述预设偏差阈值时获取所述当前切片位置的超声图像并保存,供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。
优选的,所述第二处理模块具体包括:
像素坐标计算单元,用于分别计算所述第一图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第一像素坐标,以及所述第二图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第二像素坐标;
世界坐标计算单元,连接所述像素坐标计算单元,用于根据所述第一像素坐标、所述第二像素坐标和所述相机参数计算得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的世界坐标;
空间坐标计算单元,连接所述世界坐标计算单元,用于对所述世界坐标进行处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的所述空间坐标。
优选的,所述相对位置偏差值包括空间偏移值和角度偏移值;
则所述第三处理模块具体包括:
第一处理单元,用于根据各所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的当前切片位置的各所述第一定位件所在的第一平面的第一空间坐标组合以及关联于所述超声探头的当前空间位置的各所述第二定位件所在的第二平面的第二空间坐标组合;
第二处理单元,连接所述第一处理单元,用于处理得到所述第一空间坐标组合和所述第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并根据所述中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标处理得到所述空间偏移值;以及
分别处理得到所述第一平面对应的第一平面法向量和所述第二平面对应的第二平面法向量,随后处理得到所述第一平面法向量和所述第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的所述角度偏移值。
优选的,所述第一处理单元具体包括:
第一处理子单元,用于将各所述空间坐标对应的各所述第一定位件和各所述第二定位件两两进行连接得到包含若干连接线的空间图像;
第二处理子单元,连接所述第一处理子单元,用于对所述空间图像进行图像识别得到最接近所述第一图形的第一空间坐标组合以及最接近所述第二图形的第二空间坐标组合。
优选的,所述预设偏差阈值包括空间偏移阈值以及角度偏移阈值;
则所述数据比较模块具体包括:
第一比较单元,用于将所述空间偏移值与所述空间偏移阈值进行比较,并在所述空间偏移值小于所述空间偏移阈值时输出第一比较结果,以及在所述空间偏移值不小于所述空间偏移阈值时输出所述空间偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态;
第二比较单元,连接所述第一比较单元,用于根据所述第一比较结果将所述角度偏移值与所述角度偏移阈值进行比较,并在所述角度偏移值不小于所述角度偏移阈值时输出所述角度偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态,以及
在所述角度偏移值小于所述角度偏移阈值时获取所述当前切片位置的超声图像并保存,供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。
优选的,还包括一超声诊断仪,分别连接所述数据处理平台和所述超声探头,所述超声诊断仪具有一可视化界面,用于实时接收并显示所述相对位置偏移值及所述当前空间姿态。
上述技术方案具有如下优点或有益效果:能够精准的找到脏器位置,精准规定探头姿势,准确得到所感兴趣区域超声图片,提供有效的可视化方法指导超声扫查。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中,一种基于双目视觉的超声定位方法的流程示意图;
图2为本发明的较佳的实施例中,空间坐标的计算方法的流程示意图;
图3为本发明的较佳的实施例中,相对位置偏差值的计算方法的流程示意图;
图4为本发明的较佳的实施例中,第一空间坐标组合和第二空间坐标组合的计算方法的流程示意图;
图5为本发明的较佳的实施例中,根据相对位置偏差值定位超声探头的方法流程示意图;
图6为本发明的较佳的实施例中,一种基于双目视觉的超声定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式,只要符合本发明的主旨,则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中,基于现有技术中存在的上述问题,现提供一种基于双目视觉的超声定位方法,于超声检查区域的上方预先放置一双目视觉设备,并在患者的躯干上的预设关联区域设置若干第一定位件,以及在超声探头上设置若干第二定位件;
如图1所示,超声定位方法具体包括以下步骤:
步骤S1,采用双目视觉设备拍摄得到包含各第一定位件的患者图像,并根据患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,超声探头由初始切片位置开始对待扫查区域进行超声扫查;
步骤S2,在超声探头的超声扫查过程中,采用双目视觉设备的每个摄像头分别跟踪拍摄得到包含各第一定位件和各第二定位件的第一图像和第二图像,并根据第一图像、第二图像以及双目视觉设备的相机参数处理得到各第一定位件和各第二定位件对应的空间坐标;
步骤S3,根据空间坐标处理得到关联于待扫查区域的第一平面以及关联于超声探头的扫描面的第二平面,并进而处理得到第一平面和第二平面之间的相对位置偏差值;
步骤S4,将相对位置偏差值与对应的预设偏差阈值进行比较:
若相对位置偏差值小于预设偏差阈值,则转向步骤S5;
若相对位置偏差值不小于预设偏差阈值,则输出相对位置偏差值及超声探头的当前空间姿态,随后返回步骤S2;
步骤S5,获取当前切片位置的超声图像并保存,以供后续分析使用,随后返回步骤S2,直至完成超声扫描过程。
具体地,本实施例中,在进行本发明的基于双目视觉的超声定位方法之前,优选预先将检查部位划分为若干预设切片区域,医生可以根据需求选择需要扫查的多个预设切片区域作为待扫查区域进行扫查,各预设切片区域可以为连续的切片区域,也可以是医生感兴趣的多个间隔切片区域。
作为本发明的一个优选的实施例,上述检查部位为甲状腺,甲状腺在人体颈部,围绕状,呈蝴蝶形。在对甲状腺进行整体扫查时,超声探头扫查过程优选从甲状腺的一侧开始,至另一侧结束,扫查过程需覆盖甲状腺的整个位置状态。优选预先将甲状腺分为m片,在超声扫查之前,优选需要首先定位待检查区域及其初始切片位置,便于超声探头从初始切片位置开始进行扫描。具体地,采用双目视觉设备拍摄包含各第一定位件的患者图像,并根据该患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置。
超声探头从甲状腺的初始切片位置开始扫查,在扫查过程中实时采用双目视觉设备进行超声定位,在m片均扫查完成后表示扫查结束,得到m片对应的超声图像。
进一步地,还包括预先在患者躯干上的预设关联区域设置若干第一定位件,以及在超声探头上设置若干第二定位件。检查部位为甲状腺时,上述预设关联区域优选为患者脸部,即优选在患者脸部的四个区域分别粘贴红外反光片作为第一定位件,上述四个区域优选为患者的两眉中、鼻尖以及下巴尖,上述四个红外反光片优选形成Y型作为第一图形;优选在超声探头的声头两侧以及尾部两侧分别粘贴红外反光片作为第二定位件,上述四个红外反光片优选形成四边形作为第二图形。
进一步地,本发明的双目视觉设备可以使用现有的双目系统,也可以根据当前结构要求定制一套双目视觉硬件系统,上述双目视觉设备放置在空间开阔的地方,优选根据当前双目系统的FOV(可视角)和depth(深度)敏感性进行放置,更为优选的,双目视觉设备的放置位置保证FOV小于120度且depth小于2米。且在进行超声定位之前,优选对双目视觉设备进行标定以获取其相机参数,优选采用opencv所提供方法cvCalibrateCamera2对每个摄像头先矫正,再使用cvStereoCalibrate进行双目校准,得到的相机参数包括内参矩阵Kl、Kr和外参矩阵Rl、Tl、Rr、Tr。其中,
Figure BDA0002488533580000121
其中,fl、fr分别为双目视觉设备的左摄像头和右摄像头的焦距,(xl,yl)、(xr,yr)分别为左摄像头和右摄像头的主点坐标,sl、sr分别为左摄像头和右摄像头的坐标轴倾斜参数;
Rl和Rr分别为左摄像头和右摄像头的旋转矩阵:
Figure BDA0002488533580000131
Tl和Tr分别为左摄像头和右摄像头的平移矩阵:
Tl=[TL11 TL12 TL13],Tr=[TR11 TR12 TR13]。
进一步具体地,超声探头在对每个预设切片区域进行扫查的过程中,双目视觉设备进行拍摄得到两幅红外滤波灰度图像,即第一图像Ml和第二图像Mr,双目视觉设备优选将上述第一图像Ml和第二图像Mr发送至与双目视觉设备连接的一数据处理平台进行数据处理。
数据处理平台首先对第一图像Ml和第二图像Mr进行二值化处理,即先对第一图像Ml和第二图像Mr进行直方图统计,得到相应的灰度值,在第一图像Ml和第二图像Mr中,优选将灰度值不小于最大灰度值的预设百分比的图像像素值设置为255,其余设置为0,即
M[p<0.9*max(Ml)]=0,M[p≥0.9*max(Ml)]=255
上述预设百分比优选为90%,可以根据不同的双目视觉设备进行人工调整。
数据处理平台随后对二值化后的第一图像Ml和第二图像Mr进行图像识别,即在第一图像Ml和第二图像Mr中识别出Y型的第一图形和四边形的第二图形,并计算得到组成上述第一图形的四个第一定位件及组成第二图形的四个第二定位件的像素坐标Pi
Pi=(P(i)x,P(i)y),i=1…8;
随后根据上述标定得到的相机参数以及像素坐标Pi,并根据每个定位件在第一图像Ml和第二图像Mr中的视差,由像素坐标Pi计算世界坐标,并采用opencv最小二乘法solve方法计算出,每个定位件在空间中的空间坐标Pj
Pj=(P(j)x,P(j)y,P(j)z),j=1…8;
随后对于上述8个空间坐标Pj对应的空间点进行图形组合,优选将8个空间点任意两点之间相互组合,共有
Figure BDA0002488533580000141
种组合方式,对于每个组合方式对应的两个空间点进行线段连接得到相应的空间图像。再使用opencv KNN算法对空间图像进行图像识别,即在空间图像识别出最接近Y型的第一图形的第一空间坐标组合,即:
Y1=(Y1x,Y1y,Y1z),Y2=(Y2x,Y2y,Y2z)
Y3=(Y3x,Y3y,Y3z),Y4=(Y4x,Y4y,Y4z)
换言之,上述第一空间坐标组合中的四个空间坐标Y1、Y2、Y3、Y4连线形成的空间图像最接近具有Y型的第一图形;
同时在空间图像识别出最接近四边形的第二图形的第二空间坐标组合,即:
D1=(D1x,D1y,D1z),D2=(D2x,D2y,D2z)
D3=(D3x,D3y,D3z),D4=(D4x,D4y,D4z)
换言之,上述第二空间坐标组合中的四个空间坐标D1、D2、D3、D4连线形成的空间图像最接近具有四边形的第二图形。
随后计算第一空间坐标组合和第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并计算中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标之间的空间偏移值;同时分别计算第一空间坐标组合所在的第一平面对应的第一平面法向量,以及第二空间坐标组合所在的第二平面对应的第二平面法向量,并计算第一平面法向量和第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的角度偏移值。
本实施例中,通过设定一空间偏移阈值和一角度偏移阈值来判断超声探头当前的位置是否在预设的区域范围内,优选在空间偏移值小于空间偏移误差阈值,且角度偏移值小于角度偏移阈值时,表示超声探头当前的位置在预设的区域范围内,此时扫描得到的超声图片最能表征当前的预设切片区域的器官特征。同时,在空间偏移值不小于空间偏移误差阈值时,说明超声探头出现了空间位置偏移,此时优选将空间偏移值及超声探头的当前空间姿态输出至数据处理平台连接的一超声诊断仪的可视化界面进行显示,供医生进行查看,医生根据该空间偏移值及超声探头的当前空间姿态对超声探头进行位置调整,直至空间偏移值小于空间偏移误差阈值;同理,在角度偏移值不小于角度偏移阈值时,说明超声探头出现了角度偏移,此时优选将角度偏移值及超声探头的当前空间姿态输出至超声诊断仪的可视化界面进行显示,供医生进行查看,医生根据角度偏移值及超声探头的当前空间姿态对超声探头进行位置调整,直至角度偏移值小于角度偏移阈值,保证了超声探头始终处于预设的区域范围。
进一步优选的,各第二定位件对应的空间坐标能够表征超声探头的当前空间姿态,上述当前空间姿态包括超声探头的当前侧视空间姿态和当前俯视空间姿态。通过上述当前侧视空间姿态能够查看超声探头在XOY平面的角度偏移情况,上述当前俯视空间姿态能够查看超声探头在XOZ平面的角度偏移情况以及空间偏移情况。
本实施例中,上述空间偏移阈值优选为2厘米,上述角度偏移阈值优选为2度。更为优选的,在当前侧视空间姿态和上述当前俯视空间姿态下,超声探头2的角度偏移值小于2度时,超声诊断仪的可视化界面显示绿色,超声探头2的角度偏移值在2度和5度之间时超声诊断仪的可视化界面显示橙色,超声探头2的角度偏移值大于5度时超声诊断仪的可视化界面显示红色,以进行角度偏移告警。同时,上述当前俯视空间姿态下能够同时给出上述空间偏移情况,方便医生进行超声探头2的位置调整。
最后,数据处理平台判断甲状腺的m片预设切片区域是否全部扫查完成,并在未扫查完成时,继续下一个预设切片区域的扫查,并在扫查过程中重复执行上述过程,实现超声定位,直至全部扫查完成,将对应的m张超声图片进行存储,以供医生后续诊断使用。
本发明的较佳的实施例中,执行步骤S1之前,还包括预先生成相机参数的过程,具体包括:
分别对双目视觉设备中的每个摄像头进行矫正,随后对双目视觉设备进行双目校准,校准后得到双目视觉设备的相机参数。
本发明的较佳的实施例中,如图2所示,步骤S2具体包括:
步骤S21,在超声探头的超声扫查过程中,采用双目视觉设备中的每个摄像头分别跟踪拍摄得到第一图像和第二图像;
步骤S22,分别计算第一图像中的各第一定位件和各第二定位件对应的第一像素坐标,以及第二图像中的各第一定位件和各第二定位件对应的第二像素坐标;
步骤S23,根据第一像素坐标、第二像素坐标和相机参数计算得到各第一定位件和各第二定位件对应的世界坐标;
步骤S24,对世界坐标进行处理得到各第一定位件和各第二定位件对应的空间坐标。
本发明的较佳的实施例中,相对位置偏差值包括空间偏移值和角度偏移值;
如图3所示,则步骤S3具体包括:
步骤S31,根据各空间坐标处理得到关联于待扫查区域的当前切片位置的各第一定位件所在的第一平面的第一空间坐标组合以及关联于超声探头的当前空间位置的各第二定位件所在的第二平面的第二空间坐标组合;
步骤S32,处理得到第一空间坐标组合和第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并根据中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标处理得到空间偏移值;以及
分别处理得到第一平面对应的第一平面法向量和第二平面对应的第二平面法向量,随后处理得到第一平面法向量和第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的角度偏移值。
本发明的较佳的实施例中,如图4所示,步骤S31具体包括:
步骤S311,将各空间坐标对应的各第一定位件和各第二定位件两两进行连接得到包含若干连接线的空间图像;
步骤S312,对空间图像进行图像识别得到最接近第一图形的第一空间坐标组合以及最接近第二图形的第二空间坐标组合。
本发明的较佳的实施例中,步骤S32中,空间偏移值的计算公式如下:
Figure BDA0002488533580000181
其中,
Figure BDA0002488533580000182
E1用于表示空间偏移值;
(Cx,Cy,Cz)用于表示标准中心点空间坐标;
Cd用于表示中心点空间坐标;
M用于表示第一空间坐标组合和第二空间坐标组合包含的空间点总数;
xi,yi,zi分别用于表示第一空间坐标组合和第二空间坐标组合中各空间点的空间坐标值。
本发明的较佳的实施例中,步骤S32中,角度偏移值的计算公式如下:
Figure BDA0002488533580000183
其中,
E2用于表示角度偏移值;
θ用于表示标准法向量角度;
v1用于表示第一平面法向量;
v2用于表示第二平面法向量。
本发明的较佳的实施例中,预设偏差阈值包括空间偏移阈值以及角度偏移阈值;
如图5所示,则步骤S4具体包括:
步骤S41,将空间偏移值与空间偏移阈值进行比较:
若空间偏移值小于空间偏移阈值,则转向步骤S42;
若空间偏移值不小于空间偏移阈值,则输出空间偏移值及超声探头的当前空间姿态,随后返回步骤S2;
步骤S42,将角度偏移值与角度偏移阈值进行比较:
若角度偏移值小于角度偏移阈值,则转向步骤S5;
若角度偏移值不小于角度偏移阈值,则输出角度偏移值及超声探头的当前空间姿态,随后返回步骤S2。
一种基于双目视觉的超声定位系统,应用以上任意一项的基于双目视觉的超声定位方法,如图6所示,超声定位系统具体包括:
双目视觉设备1,用于在超声扫查之前拍摄得到包含各第一定位件的患者图像并输出,以及在超声探头2的移动扫查过程中,每个摄像头分别跟踪拍摄得到包含各第一定位件和各第二定位件的第一图像和第二图像并输出;
数据处理平台3,连接双目视觉设备1,数据处理平台3具体包括:
数据接收模块31,用于分别接收患者图像、第一图像和第二图像;
第一处理模块32,连接数据接收模块31,用于根据患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,超声探头2由初始切片位置开始对待扫查区域进行超声扫查;
第二处理模块33,连接数据接收模块31,用于根据第一图像、第二图像以及双目视觉设备1的相机参数处理得到各第一定位件和各第二定位件对应的空间坐标;
第三处理模块34,连接第二处理模块33,用于根据空间坐标处理得到关联于待扫查区域的第一平面以及关联于超声探头2的扫描面的第二平面,并进而处理得到第一平面和第二平面之间的相对位置偏差值;
数据比较模块35,连接第三处理模块34,用于将相对位置偏差值与对应的预设偏差阈值进行比较,并在相对位置偏差值不小于预设偏差阈值时输出相对位置偏差值及超声探头2的当前空间姿态,以及
在相对位置偏差值小于预设偏差阈值时获取当前切片位置的超声图像并保存,供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。
本发明的较佳的实施例中,第二处理模块33具体包括:
像素坐标计算单元331,用于分别计算第一图像中的各第一定位件和各第二定位件对应的第一像素坐标,以及第二图像中的各第一定位件和各第二定位件对应的第二像素坐标;
世界坐标计算单元332,连接像素坐标计算单元331,用于根据第一像素坐标、第二像素坐标和相机参数计算得到各第一定位件和各第二定位件对应的世界坐标;
空间坐标计算单元333,连接世界坐标计算单元332,用于对世界坐标进行处理得到各第一定位件和各第二定位件对应的空间坐标。
本发明的较佳的实施例中,相对位置偏差值包括空间偏移值和角度偏移值;
则第三处理模块34具体包括:
第一处理单元341,用于根据各空间坐标处理得到关联于待扫查区域的当前切片位置的各第一定位件所在的第一平面的第一空间坐标组合以及关联于超声探头2的当前空间位置的各第二定位件所在的第二平面的第二空间坐标组合;
第二处理单元342,连接第一处理单元341,用于处理得到第一空间坐标组合和第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并根据中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标处理得到空间偏移值;以及
分别处理得到第一平面对应的第一平面法向量和第二平面对应的第二平面法向量,随后处理得到第一平面法向量和第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的角度偏移值。
本发明的较佳的实施例中,第一处理单元341具体包括:
第一处理子单元3411,用于将各空间坐标对应的各第一定位件和各第二定位件两两进行连接得到包含若干连接线的空间图像;
第二处理子单元3412,连接第一处理子单元3411,用于对空间图像进行图像识别得到最接近第一图形的第一空间坐标组合以及最接近第二图形的第二空间坐标组合。
本发明的较佳的实施例中,预设偏差阈值包括空间偏移阈值以及角度偏移阈值;
则数据比较模块35具体包括:
第一比较单元351,用于将空间偏移值与空间偏移阈值进行比较,并在空间偏移值小于空间偏移阈值时输出第一比较结果,以及在空间偏移值不小于空间偏移阈值时输出空间偏移值及超声探头2的当前空间姿态;
第二比较单元352,连接第一比较单元351,用于根据第一比较结果将角度偏移值与角度偏移阈值进行比较,并在角度偏移值不小于角度偏移阈值时输出角度偏移值及超声探头2的当前空间姿态,以及
在角度偏移值小于角度偏移阈值时获取当前切片位置的超声图像并保存,供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。
本发明的较佳的实施例中,还包括一超声诊断仪4,分别连接数据处理平台3和超声探头2,超声诊断仪4具有一可视化界面,用于实时接收并显示相对位置偏移值及当前空间姿态。
具体地,本实施例中,通过超声诊断仪4的可视化界面的显示,医生可以直观地看到哪些预设切片区域已经扫查完成,哪些预设切片区域尚未扫查,优选将已经扫查完成和未扫查完成的预设切片区域采用不用颜色显示,以进行区分。同时,医生可以直观地看到,当前扫查过程中,超声探头2位置是否在预设的区域范围以及相应的空间偏移值和角度偏移值,方便对超声探头2的位置进行实时调整。
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 (13)

1.一种基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,于超声检查区域的上方预先放置一双目视觉设备,并在患者的躯干上的预设关联区域设置若干第一定位件,以及在超声探头上设置若干第二定位件;
所述超声定位方法具体包括以下步骤:
步骤S1,采用所述双目视觉设备拍摄得到包含各所述第一定位件的患者图像,并根据所述患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,所述超声探头由所述初始切片位置开始对所述待扫查区域进行超声扫查;
步骤S2,在所述超声探头的超声扫查过程中,采用所述双目视觉设备的每个摄像头分别跟踪拍摄得到包含各所述第一定位件和各所述第二定位件的第一图像和第二图像,并根据所述第一图像、所述第二图像以及所述双目视觉设备的相机参数处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的空间坐标;
步骤S3,根据所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的第一平面以及关联于所述超声探头的扫描面的第二平面,并进而处理得到所述第一平面和所述第二平面之间的相对位置偏差值;
步骤S4,将所述相对位置偏差值与对应的预设偏差阈值进行比较:
若所述相对位置偏差值小于所述预设偏差阈值,则转向步骤S5;
若所述相对位置偏差值不小于所述预设偏差阈值,则输出所述相对位置偏差值及所述超声探头的当前空间姿态,随后返回所述步骤S2;
步骤S5,获取关联于所述待扫查区域的当前切片位置的超声图像并保存,以供后续分析使用,随后返回所述步骤S2,直至完成超声扫描过程;
所述相对位置偏差值包括空间偏移值和角度偏移值;
则所述步骤S3具体包括:
步骤S31,根据各所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的当前切片位置的各所述第一定位件所在的第一平面的第一空间坐标组合以及关联于所述超声探头的当前空间位置的各所述第二定位件所在的第二平面的第二空间坐标组合;
步骤S32,处理得到所述第一空间坐标组合和所述第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并根据所述中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标处理得到所述空间偏移值;以及
分别处理得到所述第一平面对应的第一平面法向量和所述第二平面对应的第二平面法向量,随后处理得到所述第一平面法向量和所述第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的所述角度偏移值。
2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,执行所述步骤S1之前,还包括预先生成所述相机参数的过程,具体包括:
分别对所述双目视觉设备中的每个摄像头进行矫正,随后对所述双目视觉设备进行双目校准,校准后得到所述双目视觉设备的所述相机参数。
3.根据权利要求1所述的基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
步骤S21,在所述超声探头的超声扫查过程中,采用所述双目视觉设备中的每个摄像头分别跟踪拍摄得到所述第一图像和所述第二图像;
步骤S22,分别计算所述第一图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第一像素坐标,以及所述第二图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第二像素坐标;
步骤S23,根据所述第一像素坐标、所述第二像素坐标和所述相机参数计算得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的世界坐标;
步骤S24,对所述世界坐标进行处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的所述空间坐标。
4.根据权利要求1所述的基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,所述步骤S31具体包括:
步骤S311,将各所述空间坐标对应的各所述第一定位件和各所述第二定位件两两进行连接得到包含若干连接线的空间图像;
步骤S312,对所述空间图像进行图像识别得到最接近由各所述第一定位件构成的第一图形的第一空间坐标组合以及最接近由各所述第二定位件构成的第二图形的第二空间坐标组合。
5.根据权利要求1所述的基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,所述步骤S32中,所述空间偏移值的计算公式如下:
其中,
E1用于表示所述空间偏移值;
(Cx,Cy,Cz)用于表示所述标准中心点空间坐标;
Cd用于表示所述中心点空间坐标;
M用于表示所述第一空间坐标组合和第二空间坐标组合包含的空间点总数;
xi,yi,zi分别用于表示所述第一空间坐标组合和第二空间坐标组合中各空间点的空间坐标值。
6.根据权利要求1所述的基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,所述步骤S32中,所述角度偏移值的计算公式如下:
其中,
E2用于表示所述角度偏移值;
θ用于表示所述标准法向量角度;
v1用于表示所述第一平面法向量;
v2用于表示所述第二平面法向量。
7.根据权利要求1所述的基于双目视觉的超声定位方法,其特征在于,所述预设偏差阈值包括空间偏移阈值以及角度偏移阈值;
则所述步骤S4具体包括:
步骤S41,将所述空间偏移值与所述空间偏移阈值进行比较:
若所述空间偏移值小于所述空间偏移阈值,则转向步骤S42;
若所述空间偏移值不小于所述空间偏移阈值,则输出所述空间偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态,随后返回所述步骤S2;
步骤S42,将所述角度偏移值与所述角度偏移阈值进行比较:
若所述角度偏移值小于所述角度偏移阈值,则转向步骤S5;
若所述角度偏移值不小于所述角度偏移阈值,则输出所述角度偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态,随后返回所述步骤S2。
8.一种基于双目视觉的超声定位系统,其特征在于,应用如权利要求1-7中任意一项所述的基于双目视觉的超声定位方法,所述超声定位系统具体包括:
双目视觉设备,用于在超声扫查之前拍摄得到包含各所述第一定位件的患者图像并输出,以及在所述超声探头的移动扫查过程中,每个所述摄像头分别跟踪拍摄得到包含各所述第一定位件和各所述第二定位件的第一图像和第二图像并输出;
数据处理平台,连接所述双目视觉设备,所述数据处理平台具体包括:
数据接收模块,用于分别接收所述患者图像、所述第一图像和所述第二图像;
第一处理模块,连接所述数据接收模块,用于根据所述患者图像处理得到本次超声扫查的检查部位的待扫查区域以及初始切片位置,所述超声探头由所述初始切片位置开始对所述待扫查区域进行超声扫查;
第二处理模块,连接所述数据接收模块,用于根据所述第一图像、所述第二图像以及所述双目视觉设备的相机参数处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的空间坐标;
第三处理模块,连接所述第二处理模块,用于根据所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的第一平面以及关联于所述超声探头的扫描面的第二平面,并进而处理得到所述第一平面和所述第二平面之间的相对位置偏差值;
数据比较模块,连接所述第三处理模块,用于将所述相对位置偏差值与对应的预设偏差阈值进行比较,并在所述相对位置偏差值不小于所述预设偏差阈值时输出所述相对位置偏差值及所述超声探头的所述当前空间姿态,以及
在所述相对位置偏差值小于所述预设偏差阈值时获取关联于所述待扫查区域的当前切片位置的超声图像并保存,供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。
9.根据权利要求8所述的基于双目视觉的超声定位系统,其特征在于,所述第二处理模块具体包括:
像素坐标计算单元,用于分别计算所述第一图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第一像素坐标,以及所述第二图像中的各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的第二像素坐标;
世界坐标计算单元,连接所述像素坐标计算单元,用于根据所述第一像素坐标、所述第二像素坐标和所述相机参数计算得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的世界坐标;
空间坐标计算单元,连接所述世界坐标计算单元,用于对所述世界坐标进行处理得到各所述第一定位件和各所述第二定位件对应的所述空间坐标。
10.根据权利要求8所述的基于双目视觉的超声定位系统,其特征在于,所述相对位置偏差值包括空间偏移值和角度偏移值;
则所述第三处理模块具体包括:
第一处理单元,用于根据各所述空间坐标处理得到关联于所述待扫查区域的当前切片位置的各所述第一定位件所在的第一平面的第一空间坐标组合以及关联于所述超声探头的当前空间位置的各所述第二定位件所在的第二平面的第二空间坐标组合;
第二处理单元,连接所述第一处理单元,用于处理得到所述第一空间坐标组合和所述第二空间坐标组合的中心点空间坐标,并根据所述中心点空间坐标与预设的标准中心点空间坐标处理得到所述空间偏移值;以及
分别处理得到所述第一平面对应的第一平面法向量和所述第二平面对应的第二平面法向量,随后处理得到所述第一平面法向量和所述第二平面法向量之间的夹角与预设的标准法向量角度之间的所述角度偏移值。
11.根据权利要求10所述的基于双目视觉的超声定位系统,其特征在于,所述第一处理单元具体包括:
第一处理子单元,用于将各所述空间坐标对应的各所述第一定位件和各所述第二定位件两两进行连接得到包含若干连接线的空间图像;
第二处理子单元,连接所述第一处理子单元,用于对所述空间图像进行图像识别得到最接近由各所述第一定位件构成的第一图形的第一空间坐标组合以及最接近由各所述第二定位件构成的第二图形的第二空间坐标组合。
12.根据权利要求10所述的基于双目视觉的超声定位系统,其特征在于,所述预设偏差阈值包括空间偏移阈值以及角度偏移阈值;
则所述数据比较模块具体包括:
第一比较单元,用于将所述空间偏移值与所述空间偏移阈值进行比较,并在所述空间偏移值小于所述空间偏移阈值时输出第一比较结果,以及在所述空间偏移值不小于所述空间偏移阈值时输出所述空间偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态;
第二比较单元,连接所述第一比较单元,用于根据所述第一比较结果将所述角度偏移值与所述角度偏移阈值进行比较,并在所述角度偏移值不小于所述角度偏移阈值时输出所述角度偏移值及所述超声探头的所述当前空间姿态,以及
在所述角度偏移值小于所述角度偏移阈值时获取关联于所述待扫查区域的当前切片位置的超声图像并保存,供后续分析使用,直至完成超声扫描过程。
13.根据权利要求8所述的基于双目视觉的超声定位系统,其特征在于,还包括一超声诊断仪,分别连接所述数据处理平台和所述超声探头,所述超声诊断仪具有一可视化界面,用于实时接收并显示所述相对位置偏差值及所述超声探头的所述当前空间姿态。
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