CN114376610B - 一种双平面超声图像规划方法和装置 - Google Patents

一种双平面超声图像规划方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双平面超声图像规划方法，解决现有方法规划路径误差大的问题。所述方法包含：对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，第一转换矩阵为横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵；对第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵，第二转换矩阵为矢状面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵；利用矩阵转换关系，计算第三和或第四转换矩阵，第三转换矩阵为所述横断面图像坐标系向矢状面图像坐标系转换的矩阵，第四矩阵为矢状面图像坐标系向横断面图像坐标系转换的矩阵。本申请还包含应用所述方法的装置。本发明尤其适用于泌尿外科介入、粒子植入治疗和组织切除等手术场景。

Description

一种双平面超声图像规划方法和装置
技术领域
本发明涉及医疗电子技术领域，尤其涉及一种双平面超声图像规划方法和装置。
背景技术
双平面超声探头可常见用于泌尿外科和肛肠外科，经直肠腔内超声(TRUS)检查包含了高分辨率两维图像显示技术和彩色多普勒技术，经直肠双平面探头检查，其超声频率高，可获得两个方向的高分辨率图像，清晰显示前列腺血流分布特点及回声强弱。医生在进行手术时，需要通过经直肠双平面超声探头获取两个不同方向（横断面和矢状面）的超声图像，由医生通过分别阅读横断面和矢状面图像进行空间位置识别、手工标注，或者手动输入参数，并将医生输入的信息转换为手术过程中的切割路径规划。医生在手动使用双平面超声时，需反复移动超声探头观察目标位置，一般靠识别图中的结构关键区域判断两个平面间的空间位置关系，费时费力且准确性稳定性差。
发明内容
本发明提供一种双平面超声图像规划方法和装置，解决现有方法规划路径误差大的问题，尤其适用于泌尿外科介入、粒子植入治疗和组织切除等手术场景。
为解决上述问题，本发明是这样实现的：
第一方面，本申请提供一种双平面超声图像规划方法，包含以下步骤：对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，所述第一转换矩阵为横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵；对第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵，所述第二转换矩阵为矢状面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵；利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵，所述第三转换矩阵为所述横断面图像坐标系向矢状面图像坐标系转换的矩阵，所述第四转换矩阵为所述矢状面图像坐标系向横断面图像坐标系转换的矩阵。在所述横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内显示的目标位置，在另一个坐标系随动显示。
优选地，所述第一超声探头为双平面超声探头。
优选地，所述在另一个坐标系随动显示的步骤，进一步包含：在第一超声探头运动过程中，建立第一索引关系表或第二索引关系表：所述第一索引关系表为第一超声探头物理位置与横断面位置索引关系表，所述第二索引关系表为横断面图像存储位置信息与横断面位置索引关系表；利用所述第一或第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
优选地，所述在另一个坐标系随动显示的步骤，进一步包含：在第一超声探头运动过程中，建立第三索引关系表或第四索引关系表：所述第三索引关系表为第一超声探头物理位置与矢状面位置索引关系表，所述第四索引关系表为矢状面图像存储位置信息与矢状面位置索引关系表；利用所述第三或第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置。
进一步地，采用空间校正方法对所述第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，具体为：通过定位针校正，建立定位针坐标系向定位针尖坐标系转换的第五转换矩阵；通过定位追踪系统，获得定位针坐标系向所述第一超声探头坐标系转换的第六转换矩阵；通过所述第五转换矩阵和第六转换矩阵，计算得到定位针尖坐标系向第一超声探头坐标系转换的第七转换矩阵；根据定位针尖在横断面图像中的位置关系，计算得到定位针尖坐标系向横断面图像坐标系转换的第八转换矩阵；根据所述第七转换矩阵和第八转换矩阵，计算得到所述第一转换矩阵。
进一步地，采用空间校正方法对所述第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵。
进一步地，所述方法还包含：将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动和或能量执行参数，所述执行参数为控制执行机构运动和或能量发生的参数。
进一步地，所述执行机构为电机和或能量发生装置。
进一步地，所述执行机构为激光刀、超声刀、水刀和或电刀的运动电机和或能量发生装置。
进一步地，所述方法还包含：先对第二超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，再对所述第二超声探头和第一超声探头的位置关系进行标定，利用矩阵转换关系得到所述第二转换矩阵；所述第一超声探头为凸阵探头，所述第二超声探头为线阵探头。
优选地，所述根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：计算像素点位置，获取矢状面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第三转换矩阵，计算横断面图像坐标系中的目标位置；在所述第一索引关系表中，先查表得到第一横断面位置Sx1和第二横断面位置Sx2、得到Sx1和Sx2对应的第一超声探头物理位置，再通过插值得到目标横断面探头物理位置；Sx1和Sx2是距离Sx最近的两个横断面的位置，Sx是si对应的横断面位置，si是所述横断面图像坐标系中的目标位置；将第一超声探头移动到所述目标横断面探头物理位置处，得到实测的横断面图像，在实测的横断面图像中根据si得到横断面图像中的实测目标位置。
优选地，所述根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：计算像素点位置，获取矢状面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第三转换矩阵，计算横断面图像坐标系中的目标位置；在所述第二索引关系表中，先查表得到第一横断面位置Sx1和第二横断面位置Sx2、得到Sx1和Sx2对应的横断面图像存储位置；Sx1和Sx2是距离Sx最近的两个横断面的位置，Sx是si对应的横断面位置，si是所述横断面图像坐标系中的目标位置；在Sx1和Sx2中，选取离Sx最近的横断面，并根据对应的横断面图像存储位置显示实测的横断面图像，在实测的横断面图像中根据si得到横断面图像中的实测目标位置；在矢状面图像构建规划位置，相应得到横断面图像中的规划位置。
优选地，所述根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：计算像素点位置，获取横断面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第四转换矩阵，计算矢状面图像坐标系中的目标位置；在所述第三索引关系表中，先查表得到第一矢状面位置Tx1和第二矢状面位置Tx2、得到Tx1和Tx2对应的第一超声探头物理位置，再通过插值得到目标矢状面探头物理位置；Tx1和Tx2是距离Tx最近的两个矢状面的位置，Tx是ti对应的矢状面位置，ti是所述矢状面图像坐标系中的目标位置；将第一超声探头移动到所述目标矢状面探头物理位置坐标处，得到实测矢状面图像，在实测的矢状面图像中，根据ti得到矢状面图像中的实测目标位置；在横断面图像构建规划位置，相应得到矢状面图像中的规划位置。
优选地，所述根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：计算像素点位置，获取横断面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第四转换矩阵，计算矢状面图像坐标系中的目标位置；在所述第四索引关系表中，先查表得到第一矢状面位置Tx1和第二矢状面位置Tx2、得到Tx1和Tx2对应的矢状面图像存储位置；Tx1和Tx2是距离Tx最近的两个矢状面，Tx是ti对应的矢状面位置的位置，ti是所述矢状面图像坐标系中的目标位置；在Tx1和Tx2中，选取离Tx最近的矢状面，并根据对应的矢状面图像存储位置显示实测的矢状面图像，在实测的矢状面图像中根据ti得到矢状面图像中的实测目标位置；在横断面图像构建规划位置，相应得到矢状面图像中的规划位置。
优选地，所述定位针校正采用的方法为球面拟合法。
第二方面，本发明实施例还提供一种双平面超声图像规划装置，用于实现本发明任一实施例所述方法，包含：超声成像模块、控制模块和显示模块。所述超声成像模块，用于获取第一超声探头的位置，产生横断面图像和矢状面图像。所述控制模块，用于，根据所述第一超声探头的位置建立第一超声探头坐标系，根据横断面图像、矢状面图像的位置分别对应建立横断面图像坐标系、矢状面图像坐标系；计算横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的第一转换矩阵，矢状面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵第二转换矩阵；利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵。所述显示模块，用于根据在横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内的目标位置，在另一个坐标系随动显示目标位置。
进一步地，所述超声成像模块，包含：双平面探头和定位针；所述双平面探头装有定位跟踪传感器，用于获取第一超声探头的位置；所述定位针的针体装有定位跟踪传感器，用于获取定位针的位置和定位针尖的位置；所述控制模块，还用于，根据定位针和定位针尖的位置建立定位针坐标系向定位针尖坐标系；通过定位针校正方法计算第五转换矩阵，计算第六~第八转换矩阵，从而得到所述第一转换矩阵。
进一步地，所述控制模块，还用于，在第一超声探头运动过程中，建立第一索引关系表或第二索引关系表；利用所述第一索引关系表或第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
进一步地，所述控制模块，还用于，在第一超声探头运动过程中，建立第三索引关系表或第四索引关系表；利用所述第三索引关系表或第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置。
进一步地，所述装置还包含：超声探头适配器，用于固定所述超声成像模块中的第一超声探头，并为所述第一超声探头提供至少直线和旋转两个方向的自由度。
优选地，所述超声成像模块，包含：凸阵探头和线阵探头；所述凸阵探头，用于获取第一超声探头的位置和横断面图像的位置；所述线阵探头，用于获取第二超声探头的位置和横断面图像的位置；所述控制模块，还用于建立第二超声探头坐标系，对第二超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，对所述第二超声探头和第一超声探头的位置关系进行标定，利用矩阵转换关系计算得到所述第二转换矩阵。
优选地，所述装置还包含：执行模块，用于将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动和或能量执行参数，并控制执行机构运动和或发生能量。
本申请还提出一种通信设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如本申请第一方面任意一项实施例所述方法的步骤。
本申请还提出一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请第一方面任意一项实施例所述的方法的步骤。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
第一、本发明通过建立超声双平面图像及超声探头物理位置的相互关系，提高通过双平面超声影像诊断或引导手术规划的准确率性及稳定性，提高诊断和手术效果及安全性。第二、本发明的方法由于当前计算和图像采集设备的能力可以实现按器官形状变化规律和手术规划需要的任意间隔规划，相比凸阵和线阵完全独立采集图像，操作者基于单一方向图像进行二维手术规划或基于人体解剖知识将两个线阵图像的位置进行关联辅助进行不准确三维的手术规划，本发明提供的图像随动规划可以大幅提高规划精度。第三、通过实时规划时的图像随动采集和显示，简化医生操作人工流程，提高效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1（a）为本申请方法实施例的方法流程图；
图1（b）为本申请方法实施例的探头坐标系示意图；
图1（c）为本申请方法实施例的空间校正原理示意图；
图1（d）为本申请方法实施例的定位针校正原理示意图；
图1（e）为本申请方法实施例的定位针坐标系原理示意图。
图2为包含图像随动规划的本申请方法实施例流程图；
图3为另一包含图像随动规划的本申请方法实施例流程图；
图4（a）为超平面超声图像随动规划实施例的目标位置获取示意图；
图4（b）为超平面超声图像随动规划实施例的双平面图像坐标示意图；
图5（a）为包含执行流程的本申请方法实施例的方法流程；
图5（b）为包含执行流程的本申请方法实施例的水刀切除轨迹示意图；
图6为包含水刀的本申请方法实施例的方法流程图；
图7（a）为本发明装置实施例的结构示意图；
图7（b）为本发明装置实施例的另一结构示意图；
图8为本发明装置另一实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
医生在手动使用双平面超声时，需反复移动超声探头观察目标位置，一般靠识别图中的结构关键区域判断两个平面间的空间位置关系，费时费力且准确性稳定性差。
以针对前列腺增生组织进行水刀切除的现有技术为例，现有自动水刀规划方式对于人体器官的边界形状变化的相应运动调整较为粗糙，未提供具体可实现方法将双面超声探头的矢状面和横断面图像建立精确对应关系，实际上需要操作者手动获取有限的超声图像信息，基于人体解剖知识将整个器官分为有限的几段（例如三到四段）进行参数设置，各段中间的器官边界变化只能通过插值模拟的方式进行拟合，且未提供具体方式缩小拟合间隔，与真实的器官边界变化曲线存在明显误差。
本发明的创新点在于：第一、本发明提出一种双平面超声图像及超声探头物理位置转换确定方法，可实时获取两个平面超声图像及与目标位置的关系，定位准确且方便使用。第二、本发明提出双平面超声图像随动采集和随动显示的规划方法，超声探头适配器带动双阵面超声探头自动运动，可用于对整个器官进行扫查并获取器官各个横断面的连续图像与矢状面各位置精确对应实现精细手术规划，从而实现了高精度的组织消融。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1（a）为本申请方法实施例的方法流程图，图1（b）为本申请方法实施例的探头坐标系示意图，图1（c）为本申请方法实施例的空间校正原理示意图，图1（d）为本申请方法实施例的定位针校正原理示意图，图1（e）为本申请方法实施例的定位针坐标系原理示意图。
图1（b），图1（c）和图1（e）提供了本发明实施例的各坐标系说明。
如图1（b），提供了一种超声探头与超声图像坐标系，在图1（b）中所述超声探头11可以是双平面超声探头，也可以是凸阵探头或线阵探头。
如图1（b）和图1（c），超声探头11内设有定位跟踪传感器14，以该定位跟踪传感器质心为原点建立的坐标系为超声探头坐标系。需要说明的是，若图1（b）和图1（c）中的超声探头为双平面超声探头，则所述超声探头坐标系为双平面超声探头坐标系，也就是本发明实施例中的第一超声探头坐标系。若图1（b）和图1（c）中的超声探头为凸阵探头或线阵探头，则所述超声探头坐标系为凸阵探头坐标系或线阵探头坐标系，对应本发明图5实施例中的第一超声探头坐标系或第二超声探头坐标系。
如1（b）和图1（c），可在超声探头与人体组织连接处建立了图像坐标系，在步骤101中建立了横断面图像坐标系，在步骤102中建立了矢状面图像坐标系。
如图1（c）和图1（e），定位针尖13为定位针12的针尖，定位针的针体部分装有定位跟踪传感器，以定位针尖为原点建立的坐标系为定位针尖坐标系，以定位针针体内的定位跟踪传感器质心为原点建立的坐标系为定位针坐标系。
如1（b）和图1（c），各坐标系均存在转换关系：图像坐标系（横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系）可转换为超声探头坐标系，图像坐标系可转换为定位针尖坐标系，定位针尖坐标系可转换为定位针坐标系，定位针坐标系可转换为超声探头坐标系。
需要说明的是，本发明中的各坐标系可以是本发明实施例中的XYZ直角坐标系，也可以是其他坐标系，这里不做特别说明。
图1（a）实施例提供的方法可用于双平面超声探头，作为本发明实施例，一种双平面超声图像规划方法，具体包含以下步骤101~103：
步骤101、对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，所述第一转换矩阵为横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵。
需要说明的是，在本发明实施例中，步骤101~103中的第一超声探头为双平面超声探头，可以生成横断面图像和矢状面图像。以第一超声探头内定位跟踪传感器质心为原点建立的坐标系为第一超声探头坐标系，也称作双平面超声探头坐标系。
在步骤101中，利用所述双平面超声探头内的定位跟踪传感器对横断面图像进行标定，确定第一转换矩阵TAim2p。
在步骤101中，可采用空间校正算法对横断面图像进行标定，具体包含以下步骤101A~101E：
步骤101A、通过定位针校正，建立定位针坐标系向定位针尖坐标系转换的第五转换矩阵TAs2st。
在步骤101A中，可采用球面拟合法进行定位针校正，具体见一下步骤101AA~101AD：
如图1（d），提供了定位针校正原理，定位针尖可绕一固定位置点旋转，定位针上装有定位跟踪传感器。
步骤101AA、将定位针尖固定在固定位置点不动，缓慢转动定位针，从而使定位跟踪传感器随转动过程形成一个球面，球心为定位针尖位置，半径为定位针尖到定位针中的定位跟踪传感器质心的距离。
如图1（d），固定位置点在世界坐标系的坐标为（X0，Y0，Z0），转动定位针时的初始位置在世界坐标系的坐标为（X1，Y1，Z1），转动定位针时的结束位置在世界坐标系的坐标为（X2，Y2，Z2），转动过程中的球心为T0，半径为R0。（0，0，0）为世界坐标系的原点，由定位针的摄像头所确定。（R1，T1），（R2，T2）分别指的是定位针旋转过程中在任意两个不同时刻定位针的定位装置与世界坐标系之间的R轴和T轴转换矩阵。需要说明的是，世界坐标系可以是北天东坐标系或者其他惯性坐标系。
进一步地，定位针尖坐标系的位置为：
PP_R=TM2R×PP_M（1）
其中，PP_R为所述定位针尖在世界坐标系的坐标，所述世界坐标系为固定坐标系，世界坐标系的原点可以定义为定位针初次使用的位置。TM2R为定位针内定位跟踪传感器质心形成的坐标系到世界坐标系的转换矩阵，定位针内定位跟踪传感器质心形成的坐标系即为定位针坐标系。PP_M为定位针尖在定位针坐标系中的坐标。
步骤101AB、对定位针尖坐标系位置进行坐标变换。
在步骤101AB中，矩阵TM2R可以分解为旋转矩阵和位移矩阵，由此可进行如下坐标变换：
PP_R=TRM2R×PP_M+TVM2R（2）
TRM2R×PP_M-PP_R=-TVM2R（3）
TRM2R×I3×3×PP_M=PP_R-TVM2R（4）
其中，上述公式2~4为等价的公式，TRM2R为TM2R的旋转矩阵，TVM2R为TRM2R的位移矩阵，I3×3为3×3阶单位矩阵。
步骤101AC、通过最小二乘法求解PP_M和PP_R。
在步骤101AC中，将如上公式4写作：
Ai×xi=bi（5）
其中，Ai是最小二乘系数，Ai=[TRM2R | -I3×3]，bi是最小二乘目标值，bi=-TVM2R，xi是最小二乘目标值未知数，xi=[PP_M，PP_R]。
根据最小二乘法求xi的最优解，即得到PP_M和PP_R。
步骤101AD、计算得到定位针坐标系向定位针尖坐标系转换的转换矩阵Ts2st。
在步骤101AD中，假设定位针尖坐标系的方向与定位针坐标系的方向相同，可以得到定位针尖坐标系与定位针坐标系的转换矩阵Ts2st：
Figure 833654DEST_PATH_IMAGE001
（6）
其中，A x 、A y 、A z 分别为PP_M的x、y、z方向向量。
步骤101B、通过定位追踪系统，获得定位针坐标系向所述双平面超声探头坐标系转换的第六转换矩阵TAst2p。
在步骤101B中，所述定位追踪系统用于通过定位针上的定位跟踪传感器和双平面超声探头上的定位跟踪传感器获得所述第六转换矩阵。
在步骤101B中，所述定位追踪系统，可以是多目标光学摄像头，还可以是其他实现定位针和双平面超声探头位置定位和跟踪的系统。
步骤101C、通过所述第五和第六转换矩阵，计算得到定位针尖坐标系向双平面超声探头坐标系转换的第七转换矩阵TAst2p。
在步骤101C中，根据矩阵关系TAs2p=TAs2st×TAst2p，计算第七转换矩阵为：
TAst2p=TAs2p×TAs2st -1（7）
其中，TAs2st -1为TAs2st的逆矩阵。
步骤101D、根据定位针尖在横断面图像中的位置关系，计算得到定位针尖坐标系向横断面图像坐标系转换的第八转换矩阵TAst2im。
步骤101E、根据所述第七转换矩阵和第八转换矩阵，计算得到所述第一转换矩阵TAim2p。
在步骤101E中，根据矩阵关系TAst2im×TAim2p=TAst2p，计算第一转换矩阵为：
TAim2p=TAst2im -1×TAst2p（8）
其中，TAst2im -1为TAst2im的逆矩阵。
步骤102、对双平面超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵，所述第二转换矩阵为矢状面图像坐标系向双平面超声探头坐标系转换的矩阵。
在步骤102中，可采用空间校正方法对所述双平面超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵TBim2p。
需要说明的是，计算第二转换矩阵的方法与步骤101计算第一转换矩阵的方法相同，具体为以下步骤102A~102E：
步骤102A、通过定位针校正，建立定位针坐标系向定位针尖坐标系转换的第九转换矩阵TBs2st。
在步骤102A中，所述第九转换矩阵和第五转换矩阵可以是相同的矩阵，也可以是不同的矩阵，取决于定位针尖的放置位置和放置角度。
步骤102B、通过定位追踪系统，获得定位针坐标系向所述双平面超声探头坐标系转换的第十转换矩阵TBst2p。
步骤102C、通过所述第九和第十转换矩阵，计算得到定位针尖坐标系向双平面超声探头坐标系转换的第十一转换矩阵TBst2p：
TBst2p=TBs2p×TBs2st -1（9）
步骤102D、根据定位针尖在矢状面图像中的位置关系，计算得到定位针尖坐标系向矢状面图像坐标系转换的第十二转换矩阵TBst2im。
步骤102E、根据所述第十一转换矩阵和第十二转换矩阵，计算得到所述第二转换矩阵TBim2p。
TBim2p=TBst2im -1×TBst2p（10）
步骤103、利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵，在所述横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内显示的目标位置，在另一个坐标系随动显示。
在步骤103中，所述第三转换矩阵为所述横断面图像坐标系向矢状面图像坐标系转换的矩阵，所述第四转换矩阵为所述矢状面图像坐标系向横断面图像坐标系转换的矩阵。
在步骤103中，所述第三转换矩阵为：
TAim2Bim=TAim2p×TBim2p -1（11）
所述第四转换矩阵为：
TBim2Aim=TBim2p×TAim2p -1（12）
其中，TAim2Bim为所述第三转换矩阵，TBim2Aim为所述第四转换矩阵，TBim2p -1为TBim2p的逆矩阵，TAim2p -1为的TAim2p逆矩阵。
在步骤103中，可在横断面图像坐标系中显示目标位置，在矢状面图像坐标系随动显示该目标的目标位置。还可以在矢状面图像坐标系显示目标位置，在横断面图形坐标系随动显示该目标的目标位置。
进一步地，在所述横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内显示的规划位置，在另一个坐标系随动显示。
需要说明的是，目标位置是指所需显示的目标轮廓的位置，规划位置是指规划轨迹的轮廓位置，在实际使用中，根据目标位置进行边界规划得到规划位置。
本发明实施例提供了一种双平面超声规划方法，通过图像标定建立超声双平面探头及图像的位置关系转换矩阵，该流程在不改变硬件结构及连接方式的情况下可在临床使用前在设备上进行一次。可用于进行前列腺手术导航的经直肠双平面超声探头。
本发明实施例可用于图像显示场景，例如可在使用双平面超声的手术场景中建立双平面探头两个平面超声图像及与实际组织器官的位置关系，精确地随动显示超声探头两个平面的图像，用于诊断或配合图像中的其他手术器械到达医生术前规划或术中目标位置。
图2为包含图像随动规划的本申请方法实施例流程图，可用于在手术过程实现横断面图像图像随动规划，作为本发明实施例，一种双平面超声图像规划方法，具体包含以下步骤101~102和步骤104~106：
在实时流程中，首先通过实时采集双平面超声的图像，建立超声物理位置与图像的位置关系，即流程中的索引关系表。然后在手术规划中，横断面图像会根据矢状面图像中目标位置和目标规划随动采集或显示。
步骤101、对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵。
步骤102、对第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵。
步骤104、利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵。
步骤105、在第一超声探头运动过程中，建立第一索引关系表或第二索引关系表：所述第一索引关系表为第一超声探头物理位置与横断面位置索引关系表，所述第二索引关系表为横断面图像存储位置信息与横断面位置索引关系表。
步骤105中的所述超声探头物理位置指的是超声探头的实际物理位置，横断面位置是实时采集的横断面图像位置坐标集，横断面图像存储位置信息是指预先存储的横断面图像。
在步骤105中，第一超声探头在超声适配器的控制下，从第一超声探头物理位置M1运动到Mn，运动过程中，按照固定步长实时采集横断面的超声图像，即横断面位置S1到Sn。
在步骤105中，建立第一索引关系表：[{S1：M1，......，Sn：Mn}]，其中横断面位置与第一超声探头物理位置一一对应。
建立第二索引关系表：[{S1：ImgA1，......，Sn：ImgAn}]，其中ImgA1~ImgAn表示横断面图像存储位置信息，与横断面位置一一对应。
需要说明的是，某一时刻采集获得的横断面位置和矢状面位置表示为同一时刻双平面超声探头采集到的图像。横断面图像的物理位置（或横断面位置）和矢状面图像的物理位置（或矢状面位置）与两个探头的安装位置有关，两个位置的转换通过转换矩阵TAim2Bim或TBim2Aim获得。
步骤106、利用所述第一索引关系表或第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
在步骤106中，横断面图像会根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示，具体实现包含以下两种方法中的一种。
方法一、可在实时手术规划中，利用所述第一索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置，具体包含以下步骤106A~106D：
步骤106A、计算像素点位置，获取矢状面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第三转换矩阵，计算横断面图像坐标系中的目标位置。
在步骤106A中，矢状面图像坐标系中的目标位置坐标为ti，横断面图像坐标系中的目标位置坐标为si，si=TBim2Aim×ti。
步骤106B、在所述第一索引关系表中，查表得到最近的第一横断面位置和第二横断面位置，对应得到第一横断面探头物理位置Mx1和第二横断面探头物理位置坐标Mx2，并通过插值得到目标横断面探头物理位置坐标Mx；所述第一和第二横断面为距离目标位置si所对应横断面Sx最近的两个横断面，这两个横断面对应的横断面位置分别是Sx1和Sx2。其中，si为所述横断面图像坐标系中的目标位置，Sx为si在横断面图像坐标系下所对应的横断面位置，Sx1、Sx2分别为所述第一、第二横断面位置；
需要说明的是，所述第一横断面位置和第二横断面位置均指的是横断面图像的位置坐标集。
步骤106C、将第一超声探头移动到所述目标横断面探头物理位置坐标处，得到所述横断面图像及图像中的目标位置。
在步骤106C中，此时显示的超声横断面实时图像即为矢状面目标位置对应的所述横断面图像。根据目标位置坐标si可获得目标位置在所述横断面图像中的坐标。
步骤106D、可在实时手术规划中，在矢状面图像构建规划位置，相应得到横断面图像中的规划位置。
在步骤106D中，实时手术规划中，在矢状面构建规划曲线后，系统对矢状面上所有的规划位置点可随动显示横断面图像并显示规划位置在横断面图像上的位置。
方法二、可在实时手术规划中，利用所述第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置，具体如以下步骤106E~106H：
步骤106E、计算像素点位置，获取矢状面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第三转换矩阵，计算横断面图像坐标系中的目标位置。
步骤106E和步骤106A相同。
步骤106F、在所述第二索引关系表中，查表得到最近的第一横断面位置和第二横断面位置，对应得到第一、第二横断面图像存储位置；所述第一和第二横断面为距离目标位置si所对应横断面Sx最近的两个横断面，这两个横断面对应的横断面位置分别是Sx1和Sx2。其中，si为所述横断面图像坐标系中的目标位置，Sx为si在横断面图像坐标系下所对应的横断面位置，Sx1、Sx2分别为所述第一、第二横断面位置；
步骤106G、在所述第一和第二横断面中，选取离Sx最近的横断面，并根据对应的横断面图像存储位置显示横断面图像及图像中的目标位置。
在步骤106G中，所述横断面为第一和第二横断面中距离Sx最近的横断面，根据目标位置坐标si可获得目标位置在所述横断面图像中的坐标。
步骤106H、在实时手术规划中，在矢状面图像构建规划位置，相应得到横断面图像中的规划位置。
步骤106H和步骤106D相同。
在本发明实施例中，以经直肠双平面超声图像引导前列腺自动切割为例，具体说明如何根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
例如，首先，第一超声探头首先被置于运动轨迹的远点（相对于设备端），在此位置的矢状面图像范围应能覆盖所需的整个前列腺组织。此位置被记录为超声探头适配器运动零点。切割设备自动运动执行组织消融的过程中，第一超声探头应保持固定位置在运动零点并提供矢状面图像用于手术过程观察和监控。
其次，零点位置确定后，超声探头适配器控制第一超声探头从零点位置沿Z方向直线向远离人体方向运动，运动过程中保持凸阵探头工作并持续采集横断面图像，采集完成后再回到零点位置进入下一规划步骤。
然后、超声探头适配器具备位置传感器，运动过程中系统记录传感器采集的每幅横断面图像对应的Z方向位移。
最后、在基于零点位置探头的矢状面图像上进行手术规划，任意选取矢状面图像上的一点，其Z方向坐标位置对应的横断面图像均可通过如上步骤105计算获得。
可按照步骤106A~步骤106D控制超声适配器移动超声探头到目标位置随动采集和显示实时超声横断面图像，也可按照步骤106E~步骤106H直接根据位置随动显示已采集的横断面图像。
需要说明的是，横断面图像的Z坐标位置和规划选取的Z坐标位置的误差由横断面图像运动采集过程中的图像采样率决定。
作为人体的自然腔道的示例，本申请描述实施例以针对直肠腔道的超声引导的前列腺组织消融场景为例，然而，本领域技术人员应能理解，本申请的系统及控制方法同样可以适用于其他腔道（例如：消化道、泌尿道、生殖道、鼻腔、外耳道及鼻泪管等）和器官。
图3为另一包含图像随动规划的本申请方法实施例流程图，可用于在手术过程实现矢状面图像随动规划，作为本发明实施例，一种双平面超声图像规划方法，具体包含以下步骤101、102、104和步骤107~108：
步骤101、对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵。
步骤102、对第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵。
步骤104、利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵。
步骤107、在第一超声探头运动过程中，建立第三索引关系表或第四索引关系表：所述第三索引关系表为第一超声探头物理位置与矢状面位置索引关系表，所述第四索引关系表为矢状面图像存储位置信息与矢状面位置索引关系表。
步骤107中的所述超声探头物理位置指的是超声探头的实际物理位置，矢状面位置是实时采集的矢状面图像位置坐标集，矢状面图像存储位置信息是指预先存储的矢状面图像。
在步骤107中，第一超声探头在超声适配器的控制下，从第一超声探头物理位置M1运动到Mn，运动过程中，按照固定步长实时采集矢状面的超声图像，即矢状面位置T1到Tn。
在步骤107中，建立第三索引关系表：[{T1：M1，......，Tn：Mn}]，其中矢状面位置与第一超声探头物理位置一一对应。
建立第四索引关系表：[{T1：ImgB1，......，Tn：ImgBn}]，其中ImgB1~ImgBn表示矢状面图像存储位置信息，与矢状面位置一一对应。
需要说明的是，某一时刻采集获得的横断面位置和矢状面位置表示为同一时刻双平面超声探头采集到的图像。横断面图像的物理位置（或横断面位置）和矢状面图像的物理位置（或矢状面位置）与两个探头的安装位置有关，两个位置的转换通过转换矩阵TAim2Bim或TBim2Aim获得。
步骤108、利用所述第三索引关系表或第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置。
在步骤108中，矢状面图像会根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示，具体实现包含以下两种方法中的一种。
方法一、可在实时手术规划中，利用所述第三索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置，具体包含以下步骤108A~108D：
步骤108A、计算像素点位置，获取横断面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第四转换矩阵，计算矢状面图像坐标系中的目标位置。
在步骤108A中，横断面图像坐标系中的目标位置坐标为si，矢状面图像坐标系中的目标位置坐标为ti，ti=TAim2Bim×si。
步骤108B、在所述第三索引关系表中，查表得到第一矢状面位置和第二矢状面位置，对应得到第一、第二矢状面探头物理位置坐标，并通过插值得到目标矢状面探头物理位置坐标；第一和第二矢状面为距离目标位置ti所对应矢状面Tx最近的两个矢状面，Tx1和Tx2是这两个矢状面的位置。其中，ti为所述矢状面图像坐标系中的目标位置，Tx为ti所对应矢状面位置，Tx1、Tx2分别为所述第一、第二矢状面位置；
步骤108C、将第一超平面探头移动到所述目标矢状面探头物理位置坐标处，得到所述矢状面图像及图像中的目标位置。
在步骤108C中，此时显示的超声矢状面实时图像即为横断面目标位置对应的所述矢状面图像。根据目标位置坐标ti可获得目标位置在所述矢状面图像中的坐标。
步骤108D、可在实时手术规划中，在横断面图像构建规划位置，相应得到矢状面图像中的规划位置。
在步骤108D中，实时手术规划中，在横断面构建规划曲线后，系统对横断面上所有的规划位置点可随动显示矢状面图像并显示规划位置在矢状面图像上的位置。
方法二、可在实时手术规划中，利用所述第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置，具体包含以下步骤108E~108H：
步骤108E、计算像素点位置，获取横断面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第四转换矩阵，计算矢状面图像坐标系中的目标位置。
步骤108E和步骤108A相同。
步骤108F、在所述第四索引关系表中，先查表得到第一矢状面位置Tx1和第二矢状面位置Tx2、得到Tx1和Tx2对应的矢状面图像存储位置；Tx1和Tx2是距离Tx最近的两个矢状面，Tx是ti所对应矢状面位置，ti是所述矢状面图像坐标系中的目标位置；
步骤108G、在所述第一和第二矢状面中，选取离Tx最近的矢状面，并根据对应的矢状面图像存储位置显示矢状面图像及图像中的目标位置；
在步骤108G中，所述矢状面为第一和第二矢状面中距离Tx最近的矢状面。根据目标位置坐标ti可获得目标位置在所述矢状面图像中的坐标。
步骤108H、在实时手术规划中，在横断面图像构建规划位置，相应得到矢状面图像中的规划位置。
步骤108H和步骤108D相同。
在图2和图3的实施例中，根据实时采集的连续位置两个超声平面的图像及实际空间位置的关系生成索引关系表，根据其中一个超声平面图像规划时的目标位置，即可随动显示相对应位置的另一个超声平面图像。
在图2和图3的实施例中，通过带有高精度位置反馈的超声探头适配器固定和控制双面超声探头，可实现精确的手术规划。
图4（a）为超平面超声图像随动规划实施例的目标位置获取示意图，图4（b）为超平面超声图像随动规划实施例的双平面图像坐标示意图。
在图4（a）展示了第一~第四索引关系的物理位置，如图4（a），超声探头在超声适配器的控制下，从物理位置坐标M1运动到Mn。需要说明的是，此处超声探头可以是凸阵探头或者线阵探头或者双平面超声探头。
在本发明实施例中，所述超声探头为双平面超声探头，所述双平面超声探头从物理位置坐标M1运动到Mn。其中，M1为双平面超声探头的起始物理位置，Mn为双平面超声探头的结束物理位置。运动过程中，按照固定的步长实时采集双平面的超声图像，即如图中的横断面图像位置S1到Sn，代表各横断面图像的位置坐标集，以及矢状面图像位置T1到Tn，代表各矢状面图像的位置坐标集。
如图4（a），双平面超声探头在位置Mn处可以产生如图4（a）中的矢状面超声图像，在该图像中椭圆形状轮廓表示超声目标检测物体，超声目标检测物体的位置为目标位置。
当双平面超声探头在M1~Mn之间运动时，可以产生相应的横断面超声图像，如图中的横断面实时图像位置S1~Sn。
运动过程中，按照固定的步长实时采集双平面的超声图像，即如图中的横断面实时图像S1到Sn，以及矢状面图像T1到Tn。
建立如下索引关系表：
第一索引关系表：{S1:M1，......，Sn:Mn}]，第二索引关系表：[{S1:ImgA1，......，Sn:ImgAn}]，第三索引关系表：[{T1:M1，......Tn:Mn}]，第四索引关系表：[{T1:ImgB1，......Tn:ImgBn}]。
其中，S1为起始横断面，Sn为结束横断面，ImgA1为起始横断面图像存储位置，ImgAn为结束横断面图像存储位置。相应地，T1为起始矢状面，Tn为结束矢状面，ImgB1为起始矢状面图像存储位置，ImgBn为结束矢状面图像存储位置。
图4（b）显示了横断面超声图像和矢状面超声图像相对位置关系，横断面超声图像和矢状面超声图像相互正交，可以显示目标（图中黑点）的两个切面。
本发明实施例说明了通过在矢状面图像坐标系显示目标位置后，可在横断面图像坐标系随动显示该目标的目标位置。
进一步地，还可先在横断面图像坐标系显示目标位置，再在矢状面图像坐标系随动显示目标位置。
例如，双平面超声探头从物理位置坐标M1运动到Mn，得到对一个的横断面图像S1到Sn，以及矢状面图像T1到Tn。先在横断面图像上显示目标位置，通过第三索引关系表或第四索引关系表，相应地，在矢状面图像上随动得到该目标的目标位置。
在本发明实施例中，超声探头为双平面超声探头，超声探头还可以是分立的凸阵探头和线阵探头。
若所述超声探头为线阵探头和凸阵探头，则也存在对应的索引关系表，第一索引关系表可表示为：{S1:MA1，......，Sn:MAn}]，第二索引关系表：[{S1:ImgA1，......，Sn:ImgAn}]，第三索引关系表：[{T1:MB1，......Tn:MBn}]，第四索引关系表：[{T1:ImgB1，......Tn:ImgBn}]。其中，MA1为凸阵探头的起始物理位置，MAn为凸阵探头的结束物理位置，MB1为线阵探头的起始物理位置，MBn为线阵探头的结束物理位置。
图5（a）为包含执行流程的本申请方法实施例的方法流程，图5（b）为包含执行流程的本申请方法实施例的水刀切除轨迹示意图，可用于水刀工作流程。
作为本发明实施例中，一种双平面超声图像规划方法，具体包含以下步骤101~102、104~106和步骤109：
步骤101、对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，所述第一转换矩阵为横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵。
步骤102、对第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵。
步骤104、利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵。
步骤105、在第一超声探头运动过程中，建立第一或第二索引关系表：所述第一索引关系表为第一超声探头物理位置与横断面位置索引关系表，所述第二索引关系表为横断面图像存储位置信息与横断面位置索引关系表。
步骤106、在所述横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内显示的目标位置，在另一个坐标系随动显示。
步骤109、将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动和或能量执行参数。
需要说明的是，所述运动执行参数为控制执行机构运动的参数，所述能量执行参数为控制执行机构释放能量的参数，例如水刀切割为释放能量的过程，水射流为释放能量的过程等。
在步骤109中，将规划位置转换为运动执行参数和或能量执行参数后，可通过手动执行方式，手动控制执行机构按照规划位置运动和按照规划能量执行，也可通过自动执行方式，自动控制执行机构按规划位置运动和按照规划能量执行。
需要说明的是，规划能量是指规划的用于执行机构产生和释放的能量。
所述执行模块可以是水刀、电刀、激光刀、超声刀或者其他执行机构，这里不做特别限定。
例如，将规划位置转换为运动和能量执行参数后，人工控制水刀或其他执行机构沿规划位置运动和切除。再例如，将规划位置转换为运动执行参数后，通过执行机构的电机和能量发生装置自动控制水刀或其他执行模块沿规划位置运动和切除。
在步骤109中，生成的双平面超声图像上水刀切除轨迹如图5（b），其中阴影部分为矢状面图像上的水刀切除轨迹，θ1到θ4为矢状面上对应位置的横断面超声扇形轨迹，其中扇形位置可在矢状面上任一位置进行联动规划。其生成的轨迹描述示意如下：
S_img = [([y0_start,z0_start],[y0_end,z0_end],θ0_start,θ0_end),
([y1_start,z1_start],[y1_end,z1_end] ,θ1_start,θ1_end),（13）
……,
([yn_start,zn_start],[yn_end,zn_end] ,θn_start,θn_end)]
其中，S_img表示双平面超声图像上水刀切除轨迹，([y0_start,z0_start],[y0_end,z0_end],[θ0_start,θ0_end])表示一个步长运动体素内在需要控制水刀切除的矢状面和横断面的范围。y0_start、y0_end分别表示第0个运动体素内水刀切除的矢状面y轴坐标起始值、终止值。z0_start、z0_end分别表示第0个运动体素内水刀切除的矢状面z轴坐标起始值、终止值。θ0_start、θ0_end分别表示第0个运动体素内水刀切除的横断面夹角起始值、终止值。
需要说明的是，xy平面表示横断面，yz平面表示矢状面。
在步骤109中，根据水刀机构物理参数上构建水刀机构的运动模型，获得水刀末端运动的空间位置坐标到电机实际控制参数的转换关系矩阵Ts，则运动执行参数S_motor得表示如下：
S_motor = Ts×S_img（14）
其中，S_motor表示运动执行参数，控制水刀或其他执行机构按参数轨迹S_motor运动即可完成切除动作。其中对水刀能量的控制也可通过对水刀能量发生装置的运动来控制，转换关系在Ts中已包含。
图6为包含水刀的本申请方法实施例的方法流程图。
需要说明的是，在本发明实施例中，第一超声探头为凸阵探头，第一超声探头坐标系为凸阵探头坐标系；第二超声探头为线阵探头，第二超声探头坐标系为线阵探头坐标系。凸阵探头和线阵探头为两个独立的探头，使用时二者可以进行坐标系标定。
在本发明实施例中，一种双平面超声图像规划方法，具体包含以下步骤201~204：
步骤201、对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵。
在步骤201中，所述第一转换矩阵为横断面图像坐标系向凸阵探头坐标系转换的矩阵。
步骤201中计算所述第一转换矩阵的方式和步骤101相同，这里不赘述。
步骤202、先对第二超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，再对所述第二超声探头和第一超声探头的位置关系进行标定，利用矩阵转换关系得到所述第二转换矩阵。
在步骤202中，对线阵探头和矢状面图像的位置关系进行标定，再对线阵探头和凸阵探头的位置关系进行标定，可以得到第二转换矩阵，在本发明实施例中，所述第二转换矩阵为矢状面图像坐标系向凸阵探头坐标系转换的矩阵。
步骤202中对线阵探头和矢状面图像的位置关系进行标定的方法和步骤102中相同，这里不赘述。
步骤202中对线阵探头和凸阵探头的位置关系进行标定的方式可以通过将线阵探头坐标系和凸阵探头坐标系均转换到一个相同的固定坐标系下进行标定，也可以直接将线阵探头坐标系转换到凸阵探头坐标系或将凸阵探头坐标系转换到线阵探头坐标系。
需要说明的是，所述凸阵探头坐标系是指以凸阵探头内定位跟踪传感器质心为原点建立的坐标系，所述线阵探头坐标系是指以线阵探头内定位跟踪传感器质心为原点建立的坐标系。
步骤203、利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵，在实时手术规划中，在横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内显示目标位置和规划位置，在另一个坐标系随动显示目标位置和规划位置。
在步骤203中，可以在横断面图像坐标系中显示目标位置和规划位置，在矢状面图像坐标系随动显示目标位置和规划位置。也可以是在矢状面图像坐标系中显示目标位置和规划位置，在横断面图像坐标中随动显示对应的目标位置和规划位置。
步骤203中在一个坐标系规划轨迹、在另一个坐标系随动显示轨迹的方式和步骤103相同，这里不赘述。
步骤204、将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动或能量执行参数，所述运动或能量执行参数为控制执行机构运动和能量的参数。
步骤204得到运动或能量执行参数的方法和步骤109相同，这里不赘述。
在步骤204中，在基于零点位置探头的矢状面图像上进行手术规划，任意选取矢状面图像上的一点，其Z方向坐标位置对应的横断面图像均可通过步骤201~203计算获得。
可按照步骤106中的方法一控制超声适配器移动超声探头到目标位置随动采集和显示实时超声横断面图像，也可按照步骤106中的方法二直接根据位置随动显示已采集的横断面图像。横断面图像的Z坐标位置和规划选取的Z坐标位置的误差由横断面图像运动采集过程中的图像采样率决定。
本发明实施例对直肠超声双平面的相对位置进行了精确标定，可以通过计算得到在同一运动位置两个探头阵列分别生成图像（横断面和矢状面）的相对位置关系，生成位置转换矩阵。
本发明实施例提出一种水刀切除流程，根据在线阵探头和凸阵探头中轨迹位置随动，可实现水刀自动切除流程，使水刀切除过程更准确。需要说明的是，本发明水刀切除流程还可通过双平面超声探头实现或者通过三维探头实现。
图7（a）为本发明装置实施例的结构示意图，图7（b）为本发明装置实施例的另一结构示意图，可用于实现本发明任一实施例所述方法。
一种双平面超声图像规划装置，包含：超声成像模块1、控制模块2和显示模块3。
所述超声成像模块，用于获取第一超声探头的位置，产生横断面图像和矢状面图像。
所述控制模块，用于，根据所述第一超声探头的位置建立第一超声探头坐标系，根据横断面图像、矢状面图像的位置分别对应建立横断面图像坐标系、矢状面图像坐标系；计算横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的第一转换矩阵，矢状面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵第二转换矩阵；利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵。
所述显示模块，所述显示模块，用于根据在横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内的目标位置，在另一个坐标系随动显示目标位置。
在本发明实施例中，所述超声成像模块为腔内双平面超声探头系统，所述控制系统控制各模块动作，计算、生成及存储各转换矩阵和各索引关系表。
进一步地，在本发明实施例中，所述超声成像模块，包含：双平面超声探头和定位针，所述第一超声探头为双平面超声探头。
所述双平面超声探头内有定位跟踪传感器，用于获取双平面超声探头的位置；所述定位针的针体内有定位跟踪传感器，用于获取定位针的位置和定位针尖的位置。
所述控制模块，还用于，根据定位针和定位针尖的位置建立定位针坐标系向定位针尖坐标系；通过定位针校正方法计算第五转换矩阵，计算第六~第八转换矩阵，从而得到所述第一转换矩阵。
在本发明实施例中，如图7（b）所示，一种双平面超声图像规划装置，包含：超声成像模块1、控制模块2、显示模块3、超声适配器探头4和机器人模块5。
可通过超声探头适配器，固定所述超声成像模块中的双平面超声探头，并为所述双平面超声探头提供至少直线和旋转两个方向的自由度。可通过机器人模块，固定双平面超声探头及超声探头适配器。
进一步地，所述控制模块，还用于在双平面超声探头运动过程中，建立第一索引关系表或第二索引关系表；在实时手术规划中，利用所述第一索引关系表或第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
进一步地，所述控制模块，还用于在双平面超声探头运动过程中，建立第三索引关系表或第四索引关系表；在实时手术规划中，利用所述第三索引关系表或第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置。
实现所述超声成像模块、控制模块功能和轨迹显示模块的具体方法如本申请各方法实施例所述，这里不再赘述。
图8为本发明装置另一实施例，可使用本发明任一实施例所述方法。
一种双平面超声图像规划装置，包含：超声成像模块1、控制模块2、轨迹显示模块3、超声适配器探头4、机器人模块5和执行模块6。
所述超声成像模块，用于获取凸阵探头和线阵探头的位置，产生横断面图像和矢状面图像。
所述控制模块，用于根据凸阵探头、线阵探头的位置分别建立凸阵探头坐标系、线阵探头坐标系，根据横断面图像、矢状面图像的位置分别建立横断面图像坐标系、矢状面图像坐标系。
所述控制模块，还用于计算横断面图像坐标系向凸阵探头坐标系转换的第一转换矩阵，矢状面图像坐标系向线阵探头坐标系转换的第二转换矩阵；利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵。
所述超声探头适配器，用于固定所述超声成像模块中的凸阵探头或线阵探头，并为所述凸阵探头和线阵探头提供至少直线和旋转两个方向的自由度。所述机器人模块，用于固定凸阵探头和线阵探头及超声探头适配器。
所述执行模块，用于将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动和能量执行参数，并控制执行机构运动和发生能量。
优选地，所述执行模块，可以是水刀、电刀、激光刀、超声刀或其他执行模块。可以通过手动或自动的方式控制执行模块运动和切除。若通过自动方式控制执行模块运动和切除，则通过带动执行模块的电机自动控制执行模块运动和自动控制能量发生装置的能量。
在本发明实施例中，所述超声成像模块，包含：凸阵探头和线阵探头；所述凸阵探头，用于获取第一超声探头的位置和横断面图像的位置；所述线阵探头，用于获取第二超声探头的位置和横断面图像的位置。
所述控制模块，还用于建立第二超声探头坐标系，对第二超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，对所述第二超声探头和第一超声探头的位置关系进行标定，利用矩阵转换关系计算得到所述第二转换矩阵。
本发明通过带有高精度位置反馈的超声探头适配器固定和控制双面超声探头，实现精确的手术规划。
本发明实施例超声探头适配器带动双阵面超声探头自动运动，对整个器官进行扫查并获取器官各个横断面的连续图像与矢状面各位置精确对应实现精细手术规划，从而实现了高精度的组织消融工作，沿器官实际边界进行精细的组织消融，达到较理想的手术效果。避免了手动获取有限超声图像带来的器官模型的手术规划误差。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。在一个典型的配置中，本申请的设备包括一个或多个处理器 (CPU、FGAP、MUC中的一个)、输入/输出用户接口、网络接口和存储器。
此外，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
因此，本申请还提出一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请任意一项实施例所述的方法的步骤。例如，本发明的存储器可包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (RAM) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器 (ROM) 或闪存(flash RAM)。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (22)

1.一种双平面超声图像规划方法，其特征在于，包含以下步骤：
对第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，所述第一转换矩阵为横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵；
对第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵，所述第二转换矩阵为矢状面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵；
利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵，所述第三转换矩阵为所述横断面图像坐标系向矢状面图像坐标系转换的矩阵，所述第四转换矩阵为所述矢状面图像坐标系向横断面图像坐标系转换的矩阵；
在所述横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内显示的目标位置，在另一个坐标系随动显示。
2.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述第一超声探头为双平面超声探头。
3.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述在另一个坐标系随动显示的步骤，进一步包含：
在第一超声探头运动过程中，建立第一索引关系表或第二索引关系表：所述第一索引关系表为第一超声探头物理位置与横断面位置索引关系表，所述第二索引关系表为横断面图像存储位置信息与横断面位置索引关系表；
利用所述第一索引关系表或第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
4.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述在另一个坐标系随动显示的步骤，进一步包含：
在第一超声探头运动过程中，建立第三索引关系表或第四索引关系表：所述第三索引关系表为第一超声探头物理位置与矢状面位置索引关系表，所述第四索引关系表为矢状面图像存储位置信息与矢状面位置索引关系表；
利用所述第三索引关系表或第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置。
5.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，采用空间校正方法对所述第一超声探头和横断面图像的位置关系进行标定，得到第一转换矩阵，具体为：
通过定位针校正，建立定位针坐标系向定位针尖坐标系转换的第五转换矩阵TAs2st；
通过定位追踪系统，获得定位针坐标系向所述第一超声探头坐标系转换的第六转换矩阵TAs2p；
通过所述第五转换矩阵和第六转换矩阵，计算得到定位针尖坐标系向第一超声探头坐标系转换的第七转换矩阵TAst2p；
根据定位针尖在横断面图像中的位置关系，计算得到定位针尖坐标系向横断面图像坐标系转换的第八转换矩阵TAst2im；
根据所述第七转换矩阵和第八转换矩阵，计算得到所述第一转换矩阵TAim2p。
6.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，采用空间校正方法对所述第一超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，得到第二转换矩阵。
7.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述方法还包含：
将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动或能量执行参数，所述运动或能量执行参数为控制执行机构运动和能量的参数。
8.如权利要求1所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述方法还包含：
先对第二超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，再对所述第二超声探头和第一超声探头的位置关系进行标定，利用矩阵转换关系得到所述第二转换矩阵；
所述第一超声探头为凸阵探头，所述第二超声探头为线阵探头。
9.如权利要求3所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：
计算像素点位置，获取矢状面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第三转换矩阵，计算横断面图像坐标系中的目标位置；
在所述第一索引关系表中，先查表得到第一横断面位置Sx1和第二横断面位置Sx2、得到Sx1和Sx2对应的第一超声探头物理位置，再通过插值得到目标横断面探头物理位置；Sx1和Sx2是距离Sx最近的两个横断面的位置，Sx是si对应的横断面位置，si是所述横断面图像坐标系中的目标位置；
将第一超声探头移动到所述目标横断面探头物理位置处，得到实测的横断面图像，在实测的横断面图像中根据si得到横断面图像中的实测目标位置；
在矢状面图像构建规划位置，相应得到横断面图像中的规划位置。
10.如权利要求3所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：
计算像素点位置，获取矢状面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第三转换矩阵，计算横断面图像坐标系中的目标位置；
在所述第二索引关系表中，先查表得到第一横断面位置Sx1和第二横断面位置Sx2、得到Sx1和Sx2对应的横断面图像存储位置；Sx1和Sx2是距离Sx最近的两个横断面的位置，Sx是si对应的横断面位置，si是所述横断面图像坐标系中的目标位置；
在Sx1和Sx2中，选取离Sx最近的横断面，并根据对应的横断面图像存储位置显示实测的横断面图像，在实测的横断面图像中根据si得到横断面图像中的实测目标位置；
在矢状面图像构建规划位置，相应得到横断面图像中的规划位置。
11.如权利要求4所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：
计算像素点位置，获取横断面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第四转换矩阵，计算矢状面图像坐标系中的目标位置；
在所述第三索引关系表中，先查表得到第一矢状面位置Tx1和第二矢状面位置Tx2、得到Tx1和Tx2对应的第一超声探头物理位置，再通过插值得到目标矢状面探头物理位置；Tx1和Tx2是距离Tx最近的两个矢状面的位置，Tx是ti对应的矢状面位置，ti是所述矢状面图像坐标系中的目标位置；
将第一超声探头移动到所述目标矢状面探头物理位置处，得到实测矢状面图像，在实测的矢状面图像中，根据ti得到矢状面图像中的实测目标位置；
在横断面图像构建规划位置，相应得到矢状面图像中的规划位置。
12.如权利要求4所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置的步骤，进一步包含：
计算像素点位置，获取横断面图像坐标系中的目标位置，并根据所述第四转换矩阵，计算矢状面图像坐标系中的目标位置；
在所述第四索引关系表中，先查表得到第一矢状面位置Tx1和第二矢状面位置Tx2、得到Tx1和Tx2对应的矢状面图像存储位置；Tx1和Tx2是距离Tx最近的两个矢状面，Tx是ti对应的矢状面位置的位置，ti是所述矢状面图像坐标系中的目标位置；
在Tx1和Tx2中，选取离Tx最近的矢状面，并根据对应的矢状面图像存储位置显示实测的矢状面图像，在实测的矢状面图像中根据ti得到矢状面图像中的实测目标位置；
在横断面图像构建规划位置，相应得到矢状面图像中的规划位置。
13.如权利要求5所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述定位针校正采用的方法为球面拟合法。
14.如权利要求7所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述执行机构为运动电机和或能量发生装置。
15.如权利要求14所述的双平面超声图像规划方法，其特征在于，所述执行机构为激光刀、超声刀、水刀和或电刀的运动电机和或能量发生装置。
16.一种双平面超声图像规划装置，使用权利要求1~15任一项所述方法，其特征在于，包含：超声成像模块、控制模块和显示模块；
所述超声成像模块，用于获取第一超声探头的位置，产生横断面图像和矢状面图像；
所述控制模块，用于，
根据所述第一超声探头的位置建立第一超声探头坐标系，根据横断面图像、矢状面图像的位置分别对应建立横断面图像坐标系、矢状面图像坐标系；
计算横断面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的第一转换矩阵，矢状面图像坐标系向第一超声探头坐标系转换的矩阵第二转换矩阵；
利用矩阵转换关系，计算第三转换矩阵和或第四转换矩阵；
所述显示模块，用于根据在横断面图像坐标系和矢状面图像坐标系中的任意一个坐标系内的目标位置，在另一个坐标系随动显示目标位置。
17.如权利要求16所述的双平面超声图像规划装置，其特征在于，所述超声成像模块，包含：双平面探头和定位针；
所述双平面探头装有定位跟踪传感器，用于获取第一超声探头的位置；
所述定位针的针体装有定位跟踪传感器，用于获取定位针的位置和定位针尖的位置；
所述控制模块，还用于，
根据定位针和定位针尖的位置建立定位针坐标系向定位针尖坐标系；
通过定位针校正方法计算第五转换矩阵，计算第六~第八转换矩阵，从而得到所述第一转换矩阵。
18.如权利要求16所述的双平面超声图像规划装置，其特征在于，所述控制模块，还用于，
在第一超声探头运动过程中，建立第一索引关系表或第二索引关系表；
利用所述第一索引关系表或第二索引关系表，根据矢状面图像中目标位置和规划位置随动显示横断面图像中的目标位置和规划位置。
19.如权利要求16所述的双平面超声图像规划装置，其特征在于，所述控制模块，还用于，
在第一超声探头运动过程中，建立第三索引关系表或第四索引关系表；
利用所述第三索引关系表或第四索引关系表，根据横断面图像中目标位置和规划位置随动显示矢状面图像中的目标位置和规划位置。
20.如权利要求16所述的双平面超声图像规划装置，其特征在于，所述装置还包含：
超声探头适配器，用于固定所述超声成像模块中的第一超声探头，并为所述第一超声探头提供至少直线和旋转两个方向的自由度。
21.如权利要求16所述的双平面超声图像规划装置，其特征在于，所述超声成像模块，包含：凸阵探头和线阵探头；
所述凸阵探头，用于获取第一超声探头的位置和横断面图像的位置；
所述线阵探头，用于获取第二超声探头的位置和横断面图像的位置；
所述控制模块，还用于建立第二超声探头坐标系，对第二超声探头和矢状面图像的位置关系进行标定，对所述第二超声探头和第一超声探头的位置关系进行标定，利用矩阵转换关系计算得到所述第二转换矩阵。
22.如权利要求16所述的双平面超声图像规划装置，其特征在于，所述装置还包含：
执行模块，用于将在横断面图像坐标系或矢状面图像坐标系中的规划位置转换为运动和或能量执行参数，并控制执行机构运动和或发生能量。
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