CN112545549A - 超声波影像系统 - Google Patents

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CN112545549A CN201911201295.8A CN201911201295A CN112545549A CN 112545549 A CN112545549 A CN 112545549A CN 201911201295 A CN201911201295 A CN 201911201295A CN 112545549 A CN112545549 A CN 112545549A
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ultrasonic
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imaging system
characteristic pattern
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刘浩澧
崔博翔
李骐兆
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Chang Gung University CGU
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Abstract

本发明提供一种超声波影像系统，其包含超声波探头及处理单元。所述处理单元电连接所述超声波探头，当所述超声波探头在每一个不同的倾斜角时，所述处理单元控制所述超声波探头产生超声波发射信号，并接收对应的超声波反射信号，且据以产生二维超声波影像。所述处理单元再根据不同的所述倾斜角时所产生的所述二维超声波影像及对应的所述倾斜角，产生三维超声波影像。所述倾斜角位于摆动平面上。另一种超声波影像系统根据即时影像将待测物的三维影像与所述二维超声波影像或与所述三维超声波影像在空间上正确叠合并显示于显示单元。由此，能实现一种用于重建三维影像且设计简单又计算快速的超声波影像系统。

Description

超声波影像系统
技术领域
本发明涉及一种影像系统，特别涉及一种超声波影像系统。
背景技术
最早的医疗用途超声波是在超声波探头内仅具有一组发射晶体及接收器，以侦测反射波振幅而获得一个一维信号。之后，通过晶体的线性切割，组成一维阵列的排列，而能进行一个方向性的电子相位聚焦，进而构建出一个断面的二维影像，此即为目前普遍于临床上进行深部组织的诊断的超声波技术。
然而，由于目前的超声波影像普遍只能产生断面的二维影像。当要进行三维影像的重建时，现有的第一种技术是通过机械扫描带动超声波阵列式探头，以依序撷取不同位置的断面影像，再利用数值运算方法进行信息的三维重建。现有的第二种技术是通过一个二维切割的超声波阵列探头，依序激发不同排的超声波探头，以取得不同位置的断面影像。由于第一种技术在机械设计上的高度复杂性，导致探头的价格相当昂贵，而第二种技术的二维超声波阵列探头的价格相较于第一种更是更加地昂贵。因此，是否存有其他更具成本优势且设计更简单的超声波影像系统，以将二维的超声波影像重建为三维影像便成为一个待解决的问题。此外，如何将重建的超声波影像与其他更解析度结构性影像如MRI、CT等进行空间叠合显示，供临床医师做更佳的诊断，也必须在技术上能够克服。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于重建三维影像的超声波影像系统，以与其他多种影像在空间中精确叠合显示。
于是，根据本发明的一个观点，提供一种超声波影像系统，包含超声波探头及处理单元。
所述超声波探头受控制以在不同的多个倾斜角时产生多个对应的超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号，所述倾斜角位于摆动平面上。
所述处理单元电连接所述超声波探头。当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元控制所述超声波探头产生所述超声波发射信号中的一个超声波发射信号，并接收对应该一个超声波发射信号的所述超声波反射信号，以根据所述超声波反射信号产生对应的二维超声波影像。所述处理单元再根据所述二维超声波影像及对应的所述倾斜角，产生三维超声波影像。
在一些实施态样中，所述超声波影像系统还包含惯性感测器，所述惯性感测器设置于所述超声波探头上，并侦测三个轴向的加速度分量，且所述惯性感测器具有与所述超声波探头相同的所述倾斜角。所述处理单元电连接所述惯性感测器，当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元接收并储存所述三个轴向的所述加速度分量，并根据所述惯性感测器所产生的所述三个轴向的加速度分量，分别计算对应的所述倾斜角。
在一些实施态样中，所述超声波影像系统适用于待测表面，所述待测表面包含法向量。其中，所述三个轴向的加速度分量彼此两两互相垂直，且分别是AX轴加速度分量、AY轴加速度分量、及AZ轴加速度分量，每一个所述倾斜角
Figure BDA0002295941240000021
是重力加速度G相对于所述AZ轴加速度分量的方向的夹角。每一个所述倾斜角
Figure BDA0002295941240000022
所述AX轴加速度分量、所述AY轴加速度分量、及所述AZ轴加速度分量间的关系式如下：
Figure BDA0002295941240000023
Figure BDA0002295941240000024
Figure BDA0002295941240000025
其中，G是所述重力加速度，A1是所述AX轴加速度分量，A2是所述AY轴加速度分量，A3是所述AZ轴加速度分量。
在一些实施态样中，其中，分别对应所述二维超声波影像的多个实际物体平面分别与所述摆动平面呈垂直，每一个所述实际物体平面的延伸平面相交成直线。
在一些实施态样中，其中，所述倾斜角的其中最大者大于其中最小者，且其中最大者的绝对值与其中最小者的绝对值相等。
在一些实施态样中，其中，所述倾斜角的其中最大者等于90度，所述倾斜角的其中最小者等于-90度。
在另一些实施态样中，其中，每一个所述二维超声波影像包含最大宽度W及最大高度h，所述三维超声波影像包含最大长度L、所述最大宽度W、及最大高度H，所述最大高度H、所述最大长度L、及所述最大高度h间的关系式如下：
Figure BDA0002295941240000031
Figure BDA0002295941240000032
R是每一个所述实际物体平面的延伸平面所相交成的所述直线与每一个所述实际物体平面的距离，
Figure BDA0002295941240000033
是所述倾斜角的其中最大者的绝对值，R大于或等于0。
在一些实施态样中，其中，每一个所述二维超声波影像包含二维坐标系(x,y)，在所述二维坐标的x方向上的影像最大宽度等于所述最大宽度W，在所述二维坐标的y方向上的影像最大高度等于所述最大高度h，所述三维超声波影像包含三维坐标系(X,Y,Z)，所述三维坐标系(X,Y,Z)及所述二维坐标系(x,y)间的关系式如下，
X＝x，
Figure BDA0002295941240000034
Figure BDA0002295941240000035
在另一些实施态样中，其中，所述超声波影像系统还包含显示单元，所述显示单元电连接所述处理单元，以显示所述三维超声波影像。所述处理单元还能够根据所述三维超声波影像作任意方向的剖面，以产生断面影像，且再根据所述断面影像作影像处理，产生至少一个功能性影像，以通过所述显示单元同时显示所述断面影像、所述至少一个功能性影像、所述三维超声波影像、所述二维超声波影像的其中至少一者。
在另一些实施态样中，其中，每一个所述二维超声波影像是一种B型(BrightnessMode)影像。
于是，根据本发明的另一个观点，提供一种超声波影像系统，适用于待测物，并包含超声波探头、第一特征图案、第二特征图案、储存单元、影像撷取单元、显示单元、及处理单元。
所述超声波探头受控制以在不同的多个倾斜角时产生多个对应的超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号，所述倾斜角位于摆动平面上。所述第一特征图案设置于所述超声波探头上，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第一特征图案的第一空间方位。所述第二特征图案设置于所述待测物上，并与所述待测物间保持固定的相对位置，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第二特征图案的第二空间方位。
所述储存单元储存相关于所述待测物的三维影像、所述待测物与所述第二特征图案在空间上的第二相对位置关系、及通过所述超声波探头侦测所产生的二维超声波影像与所述第一特征图案在空间上的第一相对位置关系。所述影像撷取单元撷取包含所述待测物、所述第一特征图案、及所述第二特征图案的即时影像。
所述处理单元电连接所述储存单元、所述超声波探头、所述影像撷取单元、及所述显示单元。当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元控制所述超声波探头产生所述超声波发射信号中的一个超声波发射信号，并接收对应该一个超声波发射信号的所述超声波反射信号，以根据所述超声波反射信号产生对应的所述二维超声波影像，所述处理单元再根据所述二维超声波影像及对应的所述倾斜角，产生三维超声波影像。
所述处理单元根据所述即时影像的所述第一特征图案获得所述第一空间方位，再根据所述第一相对位置关系，获得所述三维超声波影像在空间中的超声波影像位置，并根据所述即时影像的所述第二特征图案获得所述第二空间方位，再根据所述第二相对位置关系，获得所述待测物在空间中的待测物位置，且根据所述超声波影像位置及所述待测物位置，将所述三维超声波影像及所述待测物的所述三维影像在空间上正确叠合并显示于所述显示单元。
在一些实施态样中，其中，所述超声波影像系统还包含惯性感测器，所述惯性感测器设置于所述超声波探头上，并侦测三个轴向的加速度分量，且所述惯性感测器具有与所述超声波探头相同的所述倾斜角，所述处理单元电连接所述惯性感测器，当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元接收并储存所述三个轴向的所述加速度分量，并根据所述惯性感测器所产生的所述三个轴向的加速度分量，分别计算对应的所述倾斜角。
在一些实施态样中，其中，所述待测物的所述三维影像是一种解剖式医学影像，并包含计算机断层扫描(Computerized tomography，CT)影像及磁振造影(Magneticresonanceiimaging，MRI)影像的其中一者。
在另一些实施态样中，其中，所述第一特征图案及所述第二特征图案的其中每一者包含多个一维条码、多个二维条码、或可供影像辨识分析以获得方位与角度的图案。
在另一些实施态样中，其中，所述影像撷取单元设置于所述超声波探头上。
于是，根据本发明的另一个观点，提供一种超声波影像系统，适用于待测物，并包含超声波探头、第一特征图案、第二特征图案、储存单元、影像撷取单元、显示单元、及处理单元。
所述超声波探头受控制以产生多个超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号。所述第一特征图案设置于所述超声波探头上，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第一特征图案的第一空间方位。所述第二特征图案设置于所述待测物上，并与所述待测物间保持固定的相对位置，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第二特征图案的第二空间方位。
所述储存单元储存相关于所述待测物的三维影像、所述待测物与所述第二特征图案在空间上的第二相对位置关系、及通过所述超声波探头侦测所产生的二维超声波影像与所述第一特征图案在空间上的第一相对位置关系。所述影像撷取单元撷取包含所述待测物、所述第一特征图案、及所述第二特征图案的即时影像。
所述处理单元电连接所述储存单元、所述超声波探头、所述影像撷取单元、及所述显示单元，并控制所述超声波探头产生所述超声波发射信号中的一个超声波发射信号，且接收对应该一个超声波发射信号的所述超声波反射信号，以根据所述超声波反射信号产生对应的所述二维超声波影像。
所述处理单元根据所述即时影像的所述第一特征图案获得所述第一空间方位，再根据所述第一相对位置关系，获得所述二维超声波影像在空间中的超声波影像位置，并根据所述即时影像的所述第二特征图案获得所述第二空间方位，再根据所述第二相对位置关系，获得所述待测物在空间中的待测物位置，且根据所述超声波影像位置及所述待测物位置，将所述二维超声波影像及所述待测物的所述三维影像在空间上正确叠合并显示于所述显示单元。
在一些实施态样中，其中，所述待测物的所述三维影像是一种解剖式医学影像，并包含计算机断层扫描(Computerized tomography，CT)影像及磁振造影(Magneticresonance imaging，MRI)影像的其中一者。
在另一些实施态样中，其中，所述第一特征图案及所述第二特征图案的其中每一者包含多个一维条码、多个二维条码、或可供影像辨识分析以获得方位与角度的图案。
在另一些实施态样中，其中，所述影像撷取单元设置于所述超声波探头上。
本发明的有益效果在于：通过所述超声波探头在不同的所述倾斜角时，使得所述处理单元获得对应的所述二维超声波影像，且所述不同的倾斜角都位于所述摆动平面上。所述处理单元再通过所述二维超声波影像及对应的所述倾斜角，产生所述三维超声波影像，而能实现一种用于重建三维影像且设计简单又计算快速的超声波影像系统。再者，通过所述影像撷取单元所撷取的所述即时影像，使得所述处理单元据以获得所述待测物的所述三维影像与所述三维超声波影像(或与所述二维超声波影像)在空间中的正确相对位置，而能够将其正确叠合以显示于所述显示单元，进而实现一种兼顾高解度(即所述三维影像)与即时性(即超声波影像)的叠合影像，以方便在临床上进行治疗程序的导引。
附图说明
图1是一个示意图，说明本发明超声波影像系统的一个第一实施例；
图2是一个立体图，说明该第一实施例的多个二维超声波影像所分别对应的多个实际物体平面；
图3是一个侧视图，辅助图2说明该多个实际物体平面间的关系；
图4是一个示意图，辅助图3说明其中一个二维超声波影像；
图5是一个示意图，说明本发明超声波影像系统的一个第二实施例；及
图6是一个示意图，说明该第二实施例的一个二维超声波影像及一个三维影像的叠合结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
参阅图1，本发明超声波影像系统100的一个第一实施例，适用于一个待测表面9，并包含一个超声波探头1、一个惯性感测器(Inertial measurement unit，IMU)2、一个处理单元3、及一个显示单元4。该待测表面9包含一个法向量91，且例如是人体或动物的皮肤表面，但不以此为限。
该惯性感测器2设置于该超声波探头1上，并侦测三个轴向的加速度分量，且该惯性感测器2具有与该超声波探头1相同的一个倾斜角。更详细地说，该三个轴向的加速度分量彼此两两互相垂直，且分别是一个AX轴加速度分量、一个AY轴加速度分量、及一个AZ轴加速度分量。该倾斜角是一个重力加速度G相对于该AZ轴加速度分量的方向的夹角。该倾斜角
Figure BDA0002295941240000081
该AX轴加速度分量、该AY轴加速度分量、及该AZ轴加速度分量间的关系式如下列公式(1)～(3)，也就是说，通过公式(1)与(2)，或公式(1)与(3)即能计算出该倾斜角。
Figure BDA0002295941240000082
Figure BDA0002295941240000083
Figure BDA0002295941240000084
其中，G是该重力加速度，A1是该AX轴加速度分量，A2是该AY轴加速度分量，A3是该AZ轴加速度分量。
该处理单元3例如是一个计算机主机的处理器、一个数字信号处理器(DSP)、或其他具备计算机运算能力的处理晶片等等，但都不以此为限。该处理单元3电连接该惯性感测器2及该超声波探头1。当该超声波探头1在每一个不同的该倾斜角时，该处理单元3接收并储存该三个轴向的加速度分量，且控制该超声波探头1产生一个超声波发射信号，并接收对应的一个超声波反射信号。该处理单元3再根据该超声波反射信号产生对应的一个二维超声波影像，该二维超声波影像即是现有的超声波探头1所产生的一种B型(BrightnessMode)影像。该处理单元3再根据所产生的该三个轴向的加速度分量，分别计算对应的该倾斜角，且根据该二维超声波影像及对应的该倾斜角，产生一个三维超声波影像。
参阅图1、图2、与图3，图2是一个立体图，图3是图2的一个侧视图，都是示例性地说明该超声波探头1在三个不同的该倾斜角时，即三个倾斜角分别等于
Figure BDA0002295941240000091
0、
Figure BDA0002295941240000092
时，该处理单元3所产生的该三个二维超声波影像分别对应的三个实际物体平面P1、P2、P3的位置关系。另外要特别强调的是：为方便说明起见，图2与图3仅绘出三个实际物体平面P1、P2、P3，实际上，该超声波探头1能够侦测其他数量的多个实际物体平面。另外，再参阅图4，图4示例性地说明该二维超声波影像B1在该实际物体平面P1的示意图，同样地，图4也能够说明其他的两个二维超声波影像分别在该实际物体平面P2、P3的示意图。
更详细地说，该多个倾斜角(即
Figure BDA0002295941240000093
0、
Figure BDA0002295941240000094
)位于同一个摆动平面上(如图3的图面的平面)，且当该倾斜角等于0度时，该惯性感测器2所侦测的该AZ轴加速度分量的方向与该法向量91平行。该多个倾斜角分别对应该多个二维超声波影像的该多个实际物体平面分别与该摆动平面垂直，且每一个该实际物体平面的延伸平面相交成一个直线L1。更精确地说，每一个该实际物体平面的延伸平面所相交成的该直线L1与每一个该实际物体平面的距离都是距离R。该直线L1位于空间中的实际位置，即是该超声波探头1在不同的该倾斜角作侦测时，该超声波探头1的晶体的所在位置，该晶体即是发射该等超声波发射信号的发射器。
该多个倾斜角的其中最大者大于其中最小者，且其中最大者的绝对值与其中最小者的绝对值相等。举例来说，在本实施例中，该多个倾斜角的其中最大者(即
Figure BDA0002295941240000095
)等于60度，该多个倾斜角的其中最小者(即
Figure BDA0002295941240000096
)等于-60度，但不以此范围为限。例如在其他实施例中，该多个倾斜角的其中最大者可以是90度，该多个倾斜角的其中最小者可以是-90度。
每一个该二维超声波影像包含一个最大宽度W及一个最大高度h。该三维超声波影像包含一个最大长度L、该最大宽度W、及一个最大高度H。该最大高度H、该最大长度L、及该最大高度h间的关系式如下列的公式(4)、(5)。
Figure BDA0002295941240000097
Figure BDA0002295941240000101
其中，
Figure BDA0002295941240000102
是该多个倾斜角的其中最大者的绝对值，在本实施例中为60度，R大于或等于0。举例来说，当该超声波探头1的该晶体与该待测表面9的距离等于零时，则R等于0。
每一个该二维超声波影像包含一个二维坐标系(x,y)，在该二维坐标的x方向上的影像最大宽度等于该最大宽度W，在该二维坐标的y方向上的影像最大高度等于该最大高度h。该三维超声波影像包含一个三维坐标系(X,Y,Z)，以图2的该实际物体平面P2为例，该二维坐标的x方向即为X2，该二维坐标的y方向即为Y2，该三维坐标系的三个方向分别为X1、Y1、Z1。该三维坐标系(X,Y,Z)及该二维坐标系(x,y)间的关系式如下列的公式(6)～(8)。
X＝x…(6)
Figure BDA0002295941240000103
Figure BDA0002295941240000104
另外要特别补充说明的是：在本实施例中，该超声波探头1是通过一个使用者手持操作而在该多个倾斜角的不同位置，而在其他的实施例中，该超声波探头1也可以是通过某些特定设计的制具或载具来更稳定地移动于该多个倾斜角的不同位置间。此外，在本实施例中，每一个该倾斜角是通过该处理单元3根据对应的该三个轴向的加速度分量作计算而获得，而在其他的实施例中，每一个该倾斜角也可以是通过该惯性感测器2根据对应的该三个轴向的加速度分量作计算而获得。
再者，在其他的实施例中，该超声波影像系统也可以省略该惯性感测器，而改用其他的方式侦测该超声波探头的该倾斜角。举例来说，该超声波系统还可以包含一个摄影机，该超声波探头上设置有一个条码或其他特定图案，该摄影机利用影像辨识的技术辨识该条码或该特定图案，以获得该超声波探头的一个姿态角(Euler angles，或称欧拉角)，进而获得该倾斜角；或者，该超声波系统还可以包含两个摄影机，利用两个摄影机间的角度差距重建该超声波探头在三维空间中的位置，进而获得该姿态角与该倾斜角；或者，该超声波影像系统还包含一个电磁定位仪(Electromagnetic tracker，EM tracker)，利用磁场感应的方式辨识三轴方位，进而获得该姿态角与该倾斜角。
该显示单元4例如是一个屏幕，并电连接该处理单元3，以显示该三维超声波影像，或同时显示该三维超声波影像与该多个二维超声波影像。该处理单元3还能够根据该三维超声波影像作任意方向的剖面，以产生至少一个断面影像，且再根据该至少一个断面影像作影像处理，以通过该显示单元4同时显示该断面影像及影像处理的结果。
此外，该处理单元3根据所接收的该多个超声波反射信号，还能够据以计算而产生其他的功能性影像，如熵(Entropy)参数影像、多普勒(Doppler)变数影像、应变(Strain)变数影像、Nakagami变数影像等等。举例来说，多普勒变数影像可显示血流信息，应变变数影像可提供组织进行杨氏系数(Young’s modulus)量化以进行组织弹性(Elasticity)鉴别，Nakagami变数以及熵参数影像可提供组织排列结构上的规则性分析。该显示单元4还能够将该多个功能性影像的其中至少一者，与该三维超声波影像、该多个二维超声波影像、及该至少一个断面影像的其中至少一种作同时显示，以提供更丰富且有效的超声波影像信息。
参阅图5，本发明超声波影像系统200的一个第二实施例，适用于一个待测物，并包含一个超声波探头、一个第一特征图案81、一个第二特征图案82、一个储存单元6、一个影像撷取单元7、一个显示单元4、及一个处理单元5。该待测物例如是一个人体的腹部。该超声波探头受控制以产生多个超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号。
该第一特征图案81设置于该超声波探头上，且用于作影像辨识分析而产生对应该第一特征图案81的一个第一空间方位V1。该第二特征图案82设置于该待测物上，并与该待测物间保持固定的相对位置，且用于作影像辨识分析而产生对应该第二特征图案82的一个第二空间方位V2。在图5中，该第一空间方位V1及该第二空间方位V2都是以一个法向量的形式作示意表示，并不是指该第一空间方位V1及该第二空间方位V2仅包括法向量的信息。
该第一特征图案81及该第二特征图案82的其中每一者包含多个一维条码、多个二维条码、或可供影像辨识分析以获得方位与角度的一个图案。参阅图2，在本实施例中，该第一特征图案81是以四个正方形的二维条码为例，该第二特征图案82是分别设置在两边且位于同一个平面的八个二维条码为例。另外，为方便说明起见，图5中的该第一特征图案81及该第二特征图案82仅简单分别以四个正方形及八个正方形示意表示，实际上，在每一个正方形中都具有预先设计的二维条码。
该影像撷取单元7撷取包含该待测物、该第一特征图案81、及该第二特征图案82的一个即时影像，也就是说，该影像撷取单元7所撷取的一个视野96包含该待测物、该第一特征图案81、及该第二特征图案82。在本实施例中，该影像撷取单元7设置于该超声波探头上，而在其他实施例中，该影像撷取单元7也可以不设置在该超声波探头上，只要该即时影像能够包含该待测物、该第一特征图案81、及该第二特征图案82即可。此外，该影像撷取单元7所包括的摄影镜头的数量，是根据所对应提供的该即时影像通过已知的影像辨识与分析技术能够判断该第一空间方位V1及该第二空间方位V2来决定，该第一空间方位V1及该第二空间方位V2包含该第一特征图案81及该第二特征图案82在空间中的角度及方位，即相对于该影像撷取单元7的位置与角度，或在空间中与一个预设参考点的绝对位置与角度。
再举例来说，该即时影像包含该第一特征图案81及该第二特征图案82所包含的每一个完整的该二维条码，每一个该二维条码包括已知的至少三个辨识点，且同样地被包含于该即时影像中，每一个该辨识点例如是在对应的该二维条码的边缘或边点。当在该即时影像中每一个该二维条码的该至少三个辨识点被该处理单元5辨识成功后，该处理单元5利用该影像撷取单元7及已知或预设的空间物理关系辨识每一个该辨识点的三维空间的远近关系，并给予对应的坐标，则每一个该辨识点将被赋予一个特定的空间坐标。
该处理单元5再根据任二个该辨识点的该空间坐标，计算对应的一个空间向量，且每一个该二维条码的该至少三个辨识点将对应产生至少两个不同的该空间向量，且每一个该空间向量都位于同一个该二维条码的平面上。该处理单元5针对每一个该二维条码，计算其中的两个该空间向量的外积，或者，计算任两个该空间向量的外积且再求取多组外积的平均值，进而获得对应该二维条码的一个空间方位。这里要特别补充说明的是：每一个该二维条码的其中一个该辨识点可以设置在该二维条码的中心点，则根据对应其中该辨识点的两个该空间向量所产生的该空间方位将直接对应该二维条码所在位置的中心点。或者，每一个该二维条码的实际面积尺寸足够小，且该多个辨识点的数量足够多(即该多个空间向量的该多个外积的数量足够多)，使得该多个外积的平均值所对应的该空间方位足够趋近于该二维条码的中心点。该处理单元5再针对该第一特征图案81(或该第二特征图案82)的所有该二维条码的所有该空间方位，计算其平均值，则能获得该第一空间方位V1(或该第二空间方位V2)。
该储存单元6储存相关于该待测物的一个三维影像、该待测物与该第二特征图案82在空间上的一个第二相对位置关系、及通过该超声波探头侦测所产生的一个二维超声波影像83与该第一特征图案81在空间上的一个第一相对位置关系。该待测物的该三维影像是一种解剖式医学影像，并具备高解析度的特性，例如是一种计算机断层扫描(Computerizedtomography，CT)影像、一种磁振造影(Magnetic resonance imaging，MRI)影像、或其他类似影像所组成。
由于该第一特征图案81设置于该超声波探头上，当医疗人员手持该超声波探头移动时，该第一特征图案81与通过该超声波探头所侦测的该二维超声波影像83的相对位置都是保持不变，即该第一相对位置关系保持固定。类似地，该第二特征图案82设置于该待测物上，且与该待测物的相对位置也是保持不变，即该第二相对位置关系也保持固定。因此，该第一相对位置关系及该第二相对位置关系能够利用已知技术预先设计或计算而获得。
该处理单元5电连接该储存单元6、该超声波探头、该影像撷取单元7、及该显示单元4，并控制该超声波探头产生该多个超声波发射信号中的一个超声波发射信号，且接收对应该一个超声波发射信号的该超声波反射信号，以根据该超声波反射信号产生对应的该二维超声波影像83。
该处理单元5根据该即时影像的该第一特征图案81获得该第一空间方位V1，再根据该第一相对位置关系，获得该二维超声波影像83在空间中的一个超声波影像位置，并根据该即时影像的该第二特征图案82获得该第二空间方位V2，再根据该第二相对位置关系，获得该待测物在空间中的一个待测物位置，且根据该超声波影像位置及该待测物位置，将该二维超声波影像83及该待测物的该三维影像在空间上正确叠合并显示于该显示单元4。
再举例来说，该处理单元5不但能够辨识该第一空间方位V1及该第二空间方位V2，且还能够辨识出该第一空间方位V1及该第二空间方位V2的一个起始位置的坐标。由于该第二空间方位V2是由八个二维条码(即本实施例)所获得，且每一个该二维条码的该空间坐标(即实际距离和位置)为已知，因此，该处理单元5即能够利用该第二空间方位V2的该多个二维条码的该多个空间坐标与该多个空间向量的对应关系，例如是一个空间转换矩阵或一个比例因子，而能够获得有关该第一空间方位V1及该第二空间方位V2的所有空间坐标(即实际距离和位置)。同样地，该处理单元5也能够再通过固定的该第一相对位置关系(或该第二相对位置关系)，而获得该超声波影像位置(或该待测物位置)。
再参阅图6，图6是一个示意图，表示该显示单元所显示的在空间上正确叠合的该二维超声波影像83及该三维影像。其中，该三维影像包含该待测物(即腹部92)的肋骨93、肝脏94、及皮肤95。另外要特别说明的是：该三维影像是将所包含的多张计算机断层扫描(CT)影像或多张磁振造影(MRI)影像，先经过影像分析及特征撷取后，再进行三维的影像呈现效果。在本实施例中，特征撷取即是指影像中的肋骨93、肝脏94、及皮肤95的位置与三维轮廓。
另外，在其他实施例中，该超声波影像系统200还能够包含一个第三特征图案及一个手术器械，如穿刺针、电烧针等，该第三特征图案与该第一特征图案81相似，但设置于该手术器械上，则该处理单元5能够通过该即时影像所包含的该第三特征图案，获得一个第三空间方位，进而将对应该手术器械在空间上正确叠合地显示于该显示单元。
再者，在该第二实施例中，该处理单元5通过该超声波探头产生该二维超声波影像83，而在其他的实施例中，该超声波探头及该处理单元5也可以具有与该第一实施例运作方式相同的部分，或者，该超声波影像系统200还包含与该第一实施例相同的该惯性感测器，使得该处理单元5根据该第一实施例的该多个二维超声波影像及对应的该多个倾斜角，产生一个三维超声波影像，并将该三维超声波影像取代该二维超声波影像，以正确叠合地显示于该显示单元。
综上所述，通过该惯性感测器设置于该超声波探头以侦测该超声波探头的该倾斜角，使得该超声波探头在不同的该倾斜角作侦测，且该多个倾斜角符合简单的限制条件下，该处理单元能够根据该多个二维超声波影像及该多个倾斜角，计算而产生该三维超声波影像。如此一来，不但能够轻易地使用在已普及的中低阶超声波影像系统上，更是实现一种设计简单又计算快速的超声波影像系统。再者，通过该影像撷取单元所撷取的该即时影像，使得该处理单元据以获得该待测物的该三维影像与该三维超声波影像(或与该二维超声波影像)在空间中的正确相对位置，而能够将其正确叠合以显示于该显示单元，进而实现一种兼顾高解度(即该三维影像)与即时性(即超声波影像)的叠合影像，以方便在临床上进行治疗程序的导引，所以确实能达成本发明的目的。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (19)

1.一种超声波影像系统，其特征在于：所述超声波影像系统包含：
超声波探头，受控制以在不同的多个倾斜角时产生多个对应的超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号，所述倾斜角位于摆动平面上；及
处理单元，电连接所述超声波探头，当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元控制所述超声波探头产生所述超声波发射信号中的一个超声波发射信号，并接收对应该一个超声波发射信号的所述超声波反射信号，以根据所述超声波反射信号产生对应的二维超声波影像，所述处理单元再根据所述二维超声波影像及对应的所述倾斜角，产生三维超声波影像。
2.根据权利要求1所述的超声波影像系统，其特征在于：所述超声波影像系统还包含惯性感测器，所述惯性感测器设置于所述超声波探头上，并侦测三个轴向的加速度分量，且所述惯性感测器具有与所述超声波探头相同的所述倾斜角，所述处理单元电连接所述惯性感测器，当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元接收并储存所述三个轴向的所述加速度分量，并根据所述惯性感测器所产生的所述三个轴向的加速度分量，分别计算对应的所述倾斜角。
3.根据权利要求2所述的超声波影像系统，适用于待测表面，所述待测表面包含法向量，其特征在于：所述三个轴向的加速度分量彼此两两互相垂直，且分别是AX轴加速度分量、AY轴加速度分量、及AZ轴加速度分量，每一个所述倾斜角
Figure FDA0002295941230000014
是重力加速度G相对于所述AZ轴加速度分量的方向的夹角，每一个所述倾斜角
Figure FDA0002295941230000015
所述AX轴加速度分量、所述AY轴加速度分量、及所述AZ轴加速度分量间的关系式如下，
Figure FDA0002295941230000011
Figure FDA0002295941230000012
Figure FDA0002295941230000013
G是所述重力加速度，A1是所述AX轴加速度分量，A2是所述AY轴加速度分量，A3是所述AZ轴加速度分量。
4.根据权利要求3所述的超声波影像系统，其特征在于：分别对应所述二维超声波影像的多个实际物体平面分别与所述摆动平面垂直，每一个所述实际物体平面的延伸平面相交成直线。
5.根据权利要求4所述的超声波影像系统，其特征在于：所述倾斜角的其中最大者大于其中最小者，且其中最大者的绝对值与其中最小者的绝对值相等。
6.根据权利要求5所述的超声波影像系统，其特征在于：所述倾斜角的其中最大者等于90度，所述倾斜角的其中最小者等于-90度。
7.根据权利要求5所述的超声波影像系统，其特征在于：每一个所述二维超声波影像包含最大宽度W及最大高度h，所述三维超声波影像包含最大长度L、所述最大宽度W、及最大高度H，所述最大高度H、所述最大长度L、及所述最大高度h间的关系式如下，
Figure FDA0002295941230000021
Figure FDA0002295941230000022
R是每一个所述实际物体平面的延伸平面所相交成的所述直线与每一个所述实际物体平面的距离，
Figure FDA0002295941230000024
是所述倾斜角的其中最大者的绝对值，R大于或等于0。
8.根据权利要求7所述的超声波影像系统，其特征在于：每一个所述二维超声波影像包含二维坐标系(x,y)，在所述二维坐标的x方向上的影像最大宽度等于所述最大宽度W，在所述二维坐标的y方向上的影像最大高度等于所述最大高度h，所述三维超声波影像包含三维坐标系(X,Y,Z)，所述三维坐标系(X,Y,Z)及所述二维坐标系(x,y)间的关系式如下，
X＝x，
Figure FDA0002295941230000023
Figure FDA0002295941230000031
9.根据权利要求1所述的超声波影像系统，其特征在于：所述超声波影像系统还包含显示单元，所述显示单元电连接所述处理单元，以显示所述三维超声波影像，所述处理单元还能够根据所述三维超声波影像作任意方向的剖面，以产生断面影像，且再根据所述断面影像作影像处理，产生至少一个功能性影像，以通过所述显示单元同时显示所述断面影像、所述至少一个功能性影像、所述三维超声波影像、所述二维超声波影像的其中至少一者。
10.根据权利要求1所述的超声波影像系统，其特征在于：每一个所述二维超声波影像是B型影像。
11.一种超声波影像系统，适用于待测物，其特征在于：所述超声波影像系统包含：
超声波探头，受控制以在不同的多个倾斜角时产生多个对应的超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号，所述倾斜角位于摆动平面上；
第一特征图案，设置于所述超声波探头上，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第一特征图案的第一空间方位；
第二特征图案，设置于所述待测物上，并与所述待测物间保持固定的相对位置，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第二特征图案的第二空间方位；
储存单元，储存相关于所述待测物的三维影像、所述待测物与所述第二特征图案在空间上的第二相对位置关系、及通过所述超声波探头侦测所产生的二维超声波影像与所述第一特征图案在空间上的第一相对位置关系；
影像撷取单元，撷取包含所述待测物、所述第一特征图案、及所述第二特征图案的即时影像；
显示单元；及
处理单元，电连接所述储存单元、所述超声波探头、所述影像撷取单元、及所述显示单元，当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元控制所述超声波探头产生所述超声波发射信号中的一个超声波发射信号，并接收对应该一个超声波发射信号的所述超声波反射信号，以根据所述超声波反射信号产生对应的所述二维超声波影像，所述处理单元再根据所述二维超声波影像及对应的所述倾斜角，产生三维超声波影像，
所述处理单元根据所述即时影像的所述第一特征图案获得所述第一空间方位，再根据所述第一相对位置关系，获得所述三维超声波影像在空间中的超声波影像位置，并根据所述即时影像的所述第二特征图案获得所述第二空间方位，再根据所述第二相对位置关系，获得所述待测物在空间中的待测物位置，且根据所述超声波影像位置及所述待测物位置，将所述三维超声波影像及所述待测物的所述三维影像在空间上正确叠合并显示于所述显示单元。
12.根据权利要求11所述的超声波影像系统，其特征在于：所述超声波影像系统还包含惯性感测器，所述惯性感测器设置于所述超声波探头上，并侦测三个轴向的加速度分量，且所述惯性感测器具有与所述超声波探头相同的所述倾斜角，所述处理单元电连接所述惯性感测器，当所述超声波探头在每一个所述倾斜角时，所述处理单元接收并储存所述三个轴向的所述加速度分量，并根据所述惯性感测器所产生的所述三个轴向的加速度分量，分别计算对应的所述倾斜角。
13.根据权利要求12所述的超声波影像系统，其特征在于：所述待测物的所述三维影像是解剖式医学影像，并包含计算机断层扫描即CT影像及磁振造影即MRI影像的其中一者。
14.根据权利要求12所述的超声波影像系统，其特征在于：所述第一特征图案及所述第二特征图案的其中每一者包含多个一维条码、多个二维条码、或可供影像辨识分析以获得方位与角度的图案。
15.根据权利要求12所述的超声波影像系统，其特征在于：所述影像撷取单元设置于所述超声波探头上。
16.一种超声波影像系统，适用于待测物，其特征在于：所述超声波影像系统包含：
超声波探头，受控制以产生多个超声波发射信号，并接收对应的多个超声波反射信号；
第一特征图案，设置于所述超声波探头上，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第一特征图案的第一空间方位；
第二特征图案，设置于所述待测物上，并与所述待测物间保持固定的相对位置，且用于作影像辨识分析而产生对应所述第二特征图案的第二空间方位；
储存单元，储存相关于所述待测物的三维影像、所述待测物与所述第二特征图案在空间上的第二相对位置关系、及通过所述超声波探头侦测所产生的二维超声波影像与所述第一特征图案在空间上的第一相对位置关系；
影像撷取单元，撷取包含所述待测物、所述第一特征图案、及所述第二特征图案的即时影像；
显示单元；及
处理单元，电连接所述储存单元、所述超声波探头、所述影像撷取单元、及所述显示单元，并控制所述超声波探头产生所述超声波发射信号中的一个超声波发射信号，且接收对应该一个超声波发射信号的所述超声波反射信号，以根据所述超声波反射信号产生对应的所述二维超声波影像，
所述处理单元根据所述即时影像的所述第一特征图案获得所述第一空间方位，再根据所述第一相对位置关系，获得所述二维超声波影像在空间中的超声波影像位置，并根据所述即时影像的所述第二特征图案获得所述第二空间方位，再根据所述第二相对位置关系，获得所述待测物在空间中的待测物位置，且根据所述超声波影像位置及所述待测物位置，将所述二维超声波影像及所述待测物的所述三维影像在空间上正确叠合并显示于所述显示单元。
17.根据权利要求16所述的超声波影像系统，其特征在于：所述待测物的所述三维影像是解剖式医学影像，并包含计算机断层扫描即CT影像及磁振造影即MRI影像的其中一者。
18.根据权利要求16所述的超声波影像系统，其特征在于：所述第一特征图案及所述第二特征图案的其中每一者包含多个一维条码、多个二维条码、或可供影像辨识分析以获得方位与角度的图案。
19.根据权利要求16所述的超声波影像系统，其特征在于：所述影像撷取单元设置于所述超声波探头上。
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