WO2009071503A1 - Method for calibrating ultrasound probes - Google Patents

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WO2009071503A1
WO2009071503A1 PCT/EP2008/066511 EP2008066511W WO2009071503A1 WO 2009071503 A1 WO2009071503 A1 WO 2009071503A1 EP 2008066511 W EP2008066511 W EP 2008066511W WO 2009071503 A1 WO2009071503 A1 WO 2009071503A1
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WO
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probe
phantom
plane
shots
ghost
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/066511
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French (fr)
Inventor
Guillaume Dardenne
Jean Chaoui
Chafiaâ HAMITOUCHE
Eric Stindel
Christian Roux
Original Assignee
Universite De Bretagne Occidentale
Groupe Des Ecoles Des Telecommunications / Enst Bretagne
Chu De Brest
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/30—Arrangements for calibrating or comparing, e.g. with standard objects
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/13—Tomography
    • A61B8/14—Echo-tomography
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/42—Details of probe positioning or probe attachment to the patient
    • A61B8/4245—Details of probe positioning or probe attachment to the patient involving determining the position of the probe, e.g. with respect to an external reference frame or to the patient
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B8/483—Diagnostic techniques involving the acquisition of a 3D volume of data
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/58—Testing, adjusting or calibrating the diagnostic device
    • A61B8/587—Calibration phantoms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique
    • A61B5/1127—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique using markers

Definitions

  • the present invention relates to methods of calibrating ultrasound probes used to obtain the 3D position of 2D points located on the ultrasound image.
  • Fig. 1 describes an ultrasound imaging system.
  • An echographic probe referenced 1.1 is connected by a cable 1.4 to an information processing device 1.5.
  • the probe 1.1 is equipped with an ultrasonic transceiver which emits an ultrasound beam 1.2. This beam is emitted in a plane towards an object 1.3 which we want to get shots.
  • the ultrasound transceiver of the probe 1.1 receives ultrasound echoing on the object 1.3 and can generate a shooting in the form of an image 1.6.
  • This image 1.6 is transmitted to the processing device 1.5 which can store, process and display it.
  • This image contains echoes representing the shape 1.7 of the object as it intersects the beam 1.2.
  • An optical 3D locator 1.8 is used to locate the body of the probe and the object subject of the shots at any time.
  • the 3D position of a point of the ultrasound image requires knowledge of the positioning of the probe in the space at the time of the shooting as well as the knowledge of the transformation making it possible to locate in the space of the probe the plane representing the ultrasound image.
  • a first reference mark Rm serves as a reference mark or world mark.
  • a second marker, Rs is defined related to the probe.
  • a third reference, Rf is linked to the object to be analyzed.
  • a fourth mark, Ri makes it possible to define the positions of the points of the received image.
  • the use of such a probe for the reconstruction of a three-dimensional model of an object therefore requires to be able to associate with an identified point on an ultrasound image in the frame Ri its absolute position in the space in the reference frame Rm This is done in several steps. In a first step, the position of the point in the reference Rs relative to the probe is determined. In a second step, knowing the position of the probe in space, we deduce the position of the point in this space defined by the reference Rm.
  • the first transformation between Ri and Rs depends on physical parameters of the probe such as, inter alia, the exact position of the ultrasound image with respect to the reference of the probe. These parameters may change over time.
  • a good accuracy of 3D measurements made by ultrasound therefore requires a so-called calibration phase.
  • This phase consists in estimating the mathematical transformation allowing to locate in the reference Rs bound to the probe a point identified in the reference Ri linked to the ultrasound image obtained.
  • this calibration is performed using an object called a ghost whose geometry and spatial location are known.
  • a set of shots of this phantom is performed with the probe.
  • An analysis of the images obtained makes it possible to identify on these images points of the phantom whose spatial location in the world reference Rm is precisely known. It is then possible to calculate the desired transformation making it possible to go from one point of the image to the other. a point in the space Rs of the probe.
  • the position and orientation of the probe in space are known.
  • This knowledge is obtained, for example, by fixing a second object of known geometry to the probe, the positioning of this object being well known to a 3D optical locator. Other location systems can be used.
  • S represents the scaling factors applied to the 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 x and y dimensions of the image
  • T ⁇ ⁇ s of the image reference Ri to the reference of the probe Rs thus amounts to determining the eight parameters: a, $, y, t x , t y , t z , s x , s y .
  • the various known calibration methods provide a set of possible geometries for the phantom. Once the ghost has been selected, a plurality of shots of this phantom is performed. Known position points are then extracted from these shots. We then have a set of points whose position in the image and the position in the reference of the ghost Rf are known. Knowing the position of the phantom and the probe in the world reference Rm, we know the position of these points in the reference of the probe Rs. The inaccuracy inherent in these measurements is due, among other things, to the difficulty of precisely locating points in the image and how to acquire this image. In addition, a large number of images with multiple viewing angles is needed to correctly estimate the parameters. We then obtain a large number of points.
  • the estimation of the parameters is then made, for example, by a mathematical optimization method such as the Levenberg-Marquardt algorithm (Levenberg, K. "A Method for the Solution of Certain Problems in Least Squares.” Quarter. Appl. Math. 2, 164-168, 1944 and Marquardt, D. "An Algorithm for Least Squares Estimation of Nonlinear Parameters. SIAM J. Appl. Math. 11, 431-441, 1963).
  • Levenberg-Marquardt algorithm Levenberg-Marquardt algorithm
  • the invention provides a method of calibrating a ultrasound probe based on a particular phantom and introducing virtual motions applied to the probe. These virtual movements make it possible to obtain from a single first effective shot a set of calculated shots. The first effective shot and the computed shots are then used in a method of estimating the transformation between the image plane and the reference of the probe to calibrate the probe.
  • the invention relates to a method for calibrating an ultrasound probe comprising a probe body and an ultrasonic transceiver, to a calibration device comprising a fixed body called a phantom, means for locating in the space enabling precisely locate said phantom as well as the body of the probe, ultrasound imaging means and means for processing these shots, comprising a step of positioning the probe above the phantom defining an initial position of the probe ; an initial shooting step of the phantom giving an initial image by the ultrasound imaging means, the position of the body of the probe during this shooting being stored; a step of locating the ghost in space by the location means in the space; a step of estimating the calibration parameters from a set of shots and the associated positions of the probe during these shots, the position of the ghost in the space being known and a calculation step allowing obtain at least one of the shots and the associated position of the probe by a virtual calculated movement of the probe relative to the phantom.
  • the calculation step includes a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by virtual translation of the probe parallel to this plan from the initial position.
  • the calculation step comprises a step where, the phantom defining a plane and having a line included in the identifiable plane on the initial image, a set of shots and the position associated probe are calculated by virtual rotation of the probe relative to the identifiable phantom line on the original image.
  • the calculation step comprises a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by rotation with respect to a perpendicular axis to the plane of the ghost from the initial position.
  • the calculation step includes a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by orthogonal vertical translation to the plane from from the initial position, the scaling factors having been calculated on the initial image, the shooting being obtained by the corresponding translation of the corrected initial image of the scale factors.
  • the calculation step comprises a step where, the phantom defining a plane and having a line included in the plane and identifiable on the initial image and a point out of the plane also identifiable on the initial image, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by rotation relative to an axis of rotation perpendicular to the identifiable line and passing through the identifiable point of the ghost, the shooting being obtained by the corresponding rotation of the initial image around the point of the image representing the identifiable point of the corrected ghost of the scale factors.
  • the method comprises only one real shot of the ghost.
  • the invention also relates to a device for calibrating an ultrasound probe comprising a probe body and an ultrasonic transceiver comprising a fixed body called a ghost defining a plane; means of spatial location for precisely locating said phantom as well as the body of the probe; ultrasound imaging means and means for processing these shots; means for estimating the calibration parameters from a set of shots and the associated positions of the probe during these shots, the position of the ghost in the space being known and calculation means allowing obtain at least one of the shots and the associated position of the probe by a virtual calculated movement of the probe relative to the plane defined by the ghost.
  • the phantom comprises a line included in the plane and identifiable on the initial image of shooting.
  • the phantom further comprises a point outside the identifiable plane on the initial image of shooting.
  • the phantom consists of three son composing a triangle, the phantom defining a plane comprising one of the bases of the triangle and perpendicular to the line defined by the projection of the opposite vertex on this base.
  • Fig. 1 represents an ultrasound imaging system.
  • Fig. 2 represents the ultrasound probe in the calibration position.
  • Fig. 3 represents a family of movements used for calibration.
  • Fig. 4 represents a family of movements used for calibration.
  • Fig. 5 represents a family of movements used for calibration.
  • Fig. 6 represents a family of movements used for calibration.
  • Fig. 7 represents a family of movements used for calibration.
  • FIG. 8 represents the phantom used according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 9 represent the image obtained for different angles during a lateral rotational movement of the probe.
  • Fig. 10 illustrates a phantom of the 3-wire type according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Fig. 11 illustrates the calibration process.
  • the invention is in the context of a planar type phantom.
  • the ghost used may not present a real plane but a simple line that will represent the intersection of a virtual plane with the ultrasound image. In all cases and whatever the form chosen for the phantom, it allows to define a plan for calibration.
  • FIG. 2. It shows the 2.1 probe connected to the camera by the cord 2.2. The probe works by emitting a beam of ultrasound 2.3. The calibration is done by taking a series of shots of a ghost plane 2.4.
  • the advantage of using a planar phantom lies in the fact that the images obtained contain a line corresponding to the echo of the intersection of the ultrasound beam and the phantom. Such an image is easy to analyze to determine the position of the line in the image automatically. The position of this line is used to perform the calibration.
  • the movements must include at least 5 families of movements.
  • a first family of movements is shown in Fig. 3. It consists in having the probe directed towards the plane of the phantom perform a vertical translation movement orthogonal to the plane from the initial position. These movements are called the vertical translation movements.
  • a second family of movements is shown in Fig. 4. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to rotate with respect to an axis of rotation parallel to the plane of the phantom and substantially perpendicular to the ultrasound beam emitted by the probe. This movement is called a lateral rotation movement.
  • a third family of movements is illustrated in FIG. 5.
  • a fourth family of movements is illustrated in FIG. 6. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to perform translation movements parallel to the plane of the phantom from the initial position. Preferably, these movements are made in two directions that can be normal to the sides of the probe. These movements are called parallel translation movements.
  • a fifth family of motions is illustrated in FIG. 7. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to rotate with respect to an axis perpendicular to the plane of the phantom from the initial position. This movement is called a parallel rotation movement.
  • the actual movements of the probe are then replaced by virtual movements calculated by the calibration device.
  • Prints calculated from the initial position of the probe are printed at the reference Rs of the probe, the images resulting from the shots are then replaced by the initial image.
  • These systems of equations resulting from the virtual movements are then used in place of the systems resulting from real movements in the algorithm of estimation of the parameters.
  • the use of the invention therefore makes it possible to simplify the manipulations necessary to carry out the calibration process by replacing at least some movements of the probe by calculated virtual movements and the shooting by the initial shooting for each of these movements. .
  • the calibration process is therefore simpler and faster.
  • the vertical translation motion gives images where the line representing the plane is translated vertically as a function of the distance of the probe to the plane of the phantom.
  • This movement can also be replaced by a virtual translation movement from the initial position under the condition of performing the corresponding translation in the initial image.
  • This translation depends on the scaling factors of the image as illustrated in FIG. 8. These scale factors correspond to the relationship between the actual dimensions of the ghost and those observed on the image. These scaling factors can therefore be calculated if there are identifiable points at known distances between them visible on the ultrasound image. We will see that this condition is fulfilled thanks to the phantom chosen in the exemplary embodiment.
  • Lateral rotation gives images where the line representing the plane is rotated around a point. This is illustrated in FIG. 9 representing the image obtained for different angles during a lateral rotational movement of the probe.
  • the point of rotation corresponding to the position in the space of the axis of rotation situated outside the plane.
  • the image replacing the actual shot will correspond to the original image rotated by an angle around the point of the image corresponding to the position of the axis of rotation.
  • the axis of rotation is then the axis perpendicular to the identifiable line on the phantom and passing through the identifiable point out of the plane.
  • the initial image is taken in order to visualize this identifiable line and the identifiable point.
  • the exemplary embodiment of the invention uses a phantom of the 3-wire type having a diameter of 0.5 mm as illustrated in FIG. 10. This ghost is composed of a first thread
  • the 10.2 of these two other threads corresponds to the top opposite to the first thread.
  • This point represents the point of rotation used to define the lateral rotation.
  • a rotation of the probe around this point causes the rotation of the image obtained around this point in the shooting.
  • the distances between the 3 points are used to calculate the scale factors.
  • the plane of the ghost is defined by the plane passing through the first wire 10.1 and orthogonal to the plane of the triangle passing through the point 10.2.
  • the calibration method is illustrated in FIG. 11. It consists, in a step 11.1, in positioning the probe in such a way that the image makes it possible to clearly see the triangle of the phantom.
  • This position of the probe defines a position initial probe.
  • a shot is then taken to obtain an image called the initial image during a step 11.2.
  • the position of the probe when shooting is memorized. It allows you to define the position of the Rs probe reference point during this initial shooting. For example, using a probe, precise points of the system are measured.
  • This location step 11.3 makes it possible to precisely locate the ghost in space. To do this, one uses, for example, a probe consisting of a point on which is fixed a visible body by the optical 3D locator. The position of the tip relative to the body is known, so locates points of space by placing the tip. This identifies the location of the three son by positioning two points per wire.
  • the virtual movements are calculated. For each family of movements, one moves virtually the reference of the probe Rs. One calculates in fact the position of a reference of the virtual probe called Rvs. For each movement, a set of positions of the reference Rvs is determined. For each position of the frame Rvs we calculate the image corresponding to this shot if necessary.
  • the calculated image is the initial image of the first shot.
  • the image corresponds to the vertically translated image.
  • the lateral rotation movement this is performed around the point 10.2 of the phantom for the reference Rvs. A rotation of the same angle is performed on the image around the image of the point of intersection of the two son. It is possible to perform virtual movements only for movements giving the same image and to make real movements and shots for others.
  • the invention is not limited to the given embodiment. In particular, it is possible to adapt it to other forms of ghosts. If the vertical translation and lateral rotation movements are virtual, it is necessary to be able to estimate the scaling factors and a point of rotation on a first shot. Under these conditions, any type of ghost can be used. Likewise, the invention is not limited by the use of the Levenberg-Marquardt algorithm and any mathematical method making it possible to estimate the calibration parameters from a set of systems of equations can be used. The location of the probe in space can also be performed by methods other than optics such as electromagnetic positioning.

Abstract

The invention relates to a method for calibrating ultrasound probes used for obtaining the 3D position of 2D points on an ultrasound image. The method is based on a virtual ghost and on the use of virtual movements applied to the probe. The virtual movements are used for obtaining, from a first single effective shot, a set of calculated shots. The first effective shot and the calculated shots are then used in a method for estimating the conversion between the image plane and the probe reference in order to calibrate the probe.

Description

Procédé de calibrage de sondes échographiques Method of calibrating ultrasound probes
La présente invention concerne les procédés de calibrage de sondes échographiques utilisées pour obtenir la position 3D de points 2D situés sur l'image échographique. La Fig. 1 décrit un système de prise de vue échographique. Une sonde échographique référencée 1.1 est reliée par un câble 1.4 à un dispositif de traitement de l'information 1.5. La sonde 1.1 est dotée d'un émetteur récepteur d'ultrasons qui émet un faisceau d'ultrasons 1.2. Ce faisceau est émis dans un plan en direction d'un objet 1.3 dont on veut obtenir des prises de vues. L'émetteur-récepteur d'ultrasons de la sonde 1.1 reçoit les ultrasons ayant fait écho sur l'objet 1.3 et permet de générer une prise de vue sous la forme d'une image 1.6. Cette image 1.6 est transmise au dispositif de traitement 1.5 qui peut la stocker, la traiter et l'afficher. Cette image contient des échos représentant la forme 1.7 de l'objet tel qu'il intersecte le faisceau 1.2. Un localisateur 3D optique 1.8 est utilisé pour permettre de localiser à tout instant le corps de la sonde ainsi que l'objet sujet des prises de vues.The present invention relates to methods of calibrating ultrasound probes used to obtain the 3D position of 2D points located on the ultrasound image. Fig. 1 describes an ultrasound imaging system. An echographic probe referenced 1.1 is connected by a cable 1.4 to an information processing device 1.5. The probe 1.1 is equipped with an ultrasonic transceiver which emits an ultrasound beam 1.2. This beam is emitted in a plane towards an object 1.3 which we want to get shots. The ultrasound transceiver of the probe 1.1 receives ultrasound echoing on the object 1.3 and can generate a shooting in the form of an image 1.6. This image 1.6 is transmitted to the processing device 1.5 which can store, process and display it. This image contains echoes representing the shape 1.7 of the object as it intersects the beam 1.2. An optical 3D locator 1.8 is used to locate the body of the probe and the object subject of the shots at any time.
La position 3D d'un point de l'image échographique nécessite une connaissance du positionnement de la sonde dans l'espace au moment de la prise de vue ainsi que la connaissance de la transformation permettant de localiser dans l'espace de la sonde le plan représentant l'image échographique.The 3D position of a point of the ultrasound image requires knowledge of the positioning of the probe in the space at the time of the shooting as well as the knowledge of the transformation making it possible to locate in the space of the probe the plane representing the ultrasound image.
Des repères sont définis pour exprimer ces transformations. Un premier repère Rm sert de repère de référence ou repère monde. Un second repère, Rs, est défini lié à la sonde. Un troisième repère, Rf, est lié à l'objet à analyser. Un quatrième repère, Ri, permet de définir les positions des points de l'image reçue. L'utilisation d'une telle sonde pour la reconstruction d'un modèle en trois dimensions d'un objet nécessite donc de pouvoir associer à un point identifié sur une image échographique dans le repère Ri sa position absolue dans l'espace dans le repère Rm. Cette opération s'effectue en plusieurs étapes. Dans un premier temps, on détermine la position du point dans le repère Rs relatif à la sonde. Dans un second temps, connaissant la position de la sonde dans l'espace, on en déduit la position du point dans cet espace défini par le repère Rm.Benchmarks are defined to express these transformations. A first reference mark Rm serves as a reference mark or world mark. A second marker, Rs, is defined related to the probe. A third reference, Rf, is linked to the object to be analyzed. A fourth mark, Ri, makes it possible to define the positions of the points of the received image. The use of such a probe for the reconstruction of a three-dimensional model of an object therefore requires to be able to associate with an identified point on an ultrasound image in the frame Ri its absolute position in the space in the reference frame Rm This is done in several steps. In a first step, the position of the point in the reference Rs relative to the probe is determined. In a second step, knowing the position of the probe in space, we deduce the position of the point in this space defined by the reference Rm.
La première transformation entre Ri et Rs dépend de paramètres physiques de la sonde comme, entre autres, la position exacte de l'image ultrasonore par rapport au repère de la sonde. Ces paramètres peuvent évoluer dans le temps. Une bonne précision des mesures 3D faites par échographie nécessite donc une phase dite de calibrage. Cette phase consiste à estimer la transformation mathématique permettant de situer dans le repère Rs lié à la sonde un point identifié dans le repère Ri lié à l'image échographique obtenue.The first transformation between Ri and Rs depends on physical parameters of the probe such as, inter alia, the exact position of the ultrasound image with respect to the reference of the probe. These parameters may change over time. A good accuracy of 3D measurements made by ultrasound therefore requires a so-called calibration phase. This phase consists in estimating the mathematical transformation allowing to locate in the reference Rs bound to the probe a point identified in the reference Ri linked to the ultrasound image obtained.
Traditionnellement ce calibrage est effectué en utilisant un objet appelé fantôme dont la géométrie et la localisation spatiale sont connues. Un ensemble de prises de vues de ce fantôme est effectué avec la sonde. Une analyse des images obtenues permet d'identifier sur ces images des points du fantôme dont on connaît précisément la localisation spatiale dans le repère monde Rm. Il est alors possible de calculer la transformation recherchée permettant de passer d'un point de l'image à un point dans l'espace Rs de la sonde. Ici encore, la position et l'orientation de la sonde dans l'espace sont connues. Cette connaissance est obtenue, par exemple, en fixant un second objet de géométrie connue à la sonde, le positionnement de cet objet étant bien connu d'un localisateur optique 3D. D'autres systèmes de localisation peuvent être utilisés. Cette transformation est la combinaison des facteurs d'échelles, d'une translation et d'une rotation. Elle se définit mathématiquement par la formule suivante : χs = τ ^ . s . x.Traditionally, this calibration is performed using an object called a ghost whose geometry and spatial location are known. A set of shots of this phantom is performed with the probe. An analysis of the images obtained makes it possible to identify on these images points of the phantom whose spatial location in the world reference Rm is precisely known. It is then possible to calculate the desired transformation making it possible to go from one point of the image to the other. a point in the space Rs of the probe. Here again, the position and orientation of the probe in space are known. This knowledge is obtained, for example, by fixing a second object of known geometry to the probe, the positioning of this object being well known to a 3D optical locator. Other location systems can be used. This transformation is the combination of scale factors, translation and rotation. It is defined mathematically by the following formula: χ s = τ ^ . s. x.
ouor
X les coordonnées du point dans l'espace Ri de l'image ;
Figure imgf000005_0001
sx 0 0 0 0 ^ 0 0X the coordinates of the point in the space Ri of the image;
Figure imgf000005_0001
s x 0 0 0 0 0 0 0
S = représente les facteurs d'échelles appliqués sur les 0 0 1 0 0 0 0 1 dimensions x et y de l'image ;S = represents the scaling factors applied to the 0 0 1 0 0 0 0 0 1 x and y dimensions of the image;
i?(α,β,γ) T(tx,ty,tz)i? (α, β, γ) T (t x , t y , t z )
T, ,„ = représente la rotation et la translation, i?(α,β,γ)T,, "= represents the rotation and the translation, i? (Α, β, γ)
0 1 représentant la matrice 3 par 3 en fonction des angles par rapport à chaque dimension et T(tx,ty,tz) la matrice 3 par 1 des coefficients de translation dans les trois dimensions. Déterminer la transformation Tι→s du repère image Ri vers le repère de la sonde Rs revient donc à déterminer les huit paramètres : a,$,y,tx,ty,tz,sx,sy .0 1 representing the matrix 3 by 3 as a function of the angles with respect to each dimension and T (t x , t y , t z ) the matrix 3 by 1 of the translation coefficients in the three dimensions. Determine the transformation T ι → s of the image reference Ri to the reference of the probe Rs thus amounts to determining the eight parameters: a, $, y, t x , t y , t z , s x , s y .
Les différentes méthodes de calibrage connues proposent un ensemble de géométries possibles pour le fantôme. Une fois le fantôme choisi, une pluralité de prises de vues de ce fantôme est effectuée. Des points de positions connues sont alors extraits de ces prises de vues. On dispose alors d'un ensemble de points dont la position dans l'image et la position dans le repère du fantôme Rf sont connues. Connaissant la position du fantôme et de la sonde dans le repère monde Rm, on connaît la position de ces points dans le repère de la sonde Rs. L'imprécision inhérente à ces mesures est due, entre autres, à la difficulté de localiser précisément des points dans l'image et à la manière d'acquérir cette image. De plus, un nombre important d'images avec plusieurs angles de vue est nécessaire afin d'estimer correctement les paramètres. On obtient alors un grand nombre de points. L'estimation des paramètres est alors faite, par exemple, par une méthode d'optimisation mathématique comme l'algorithme de Levenberg-Marquardt (Levenberg, K. « A Method for the Solution of Certain Problems in Least Squares. » Quart. Appl. Math. 2, 164-168, 1944 et Marquardt, D. « An Algorithm for Least- Squares Estimation of Nonlinear Parameters. » SIAM J. Appl. Math. 11, 431-441, 1963).The various known calibration methods provide a set of possible geometries for the phantom. Once the ghost has been selected, a plurality of shots of this phantom is performed. Known position points are then extracted from these shots. We then have a set of points whose position in the image and the position in the reference of the ghost Rf are known. Knowing the position of the phantom and the probe in the world reference Rm, we know the position of these points in the reference of the probe Rs. The inaccuracy inherent in these measurements is due, among other things, to the difficulty of precisely locating points in the image and how to acquire this image. In addition, a large number of images with multiple viewing angles is needed to correctly estimate the parameters. We then obtain a large number of points. The estimation of the parameters is then made, for example, by a mathematical optimization method such as the Levenberg-Marquardt algorithm (Levenberg, K. "A Method for the Solution of Certain Problems in Least Squares." Quarter. Appl. Math. 2, 164-168, 1944 and Marquardt, D. "An Algorithm for Least Squares Estimation of Nonlinear Parameters. SIAM J. Appl. Math. 11, 431-441, 1963).
Ces procédures sont longues et fastidieuses. Elles impliquent une manipulation de la part de l'utilisateur pour effectuer les nombreuses prises de vues nécessaires à l'obtention d'une bonne précision du calibrage.These procedures are long and tedious. They involve manipulation on the part of the user to perform the many shots necessary to obtain a good accuracy of calibration.
L'invention propose un procédé de calibrage d'une sonde échographique basé sur un fantôme particulier et l'introduction de mouvements virtuels appliqués à la sonde. Ces mouvements virtuels permettent d'obtenir à partir d'une seule première prise de vue effective un ensemble de prises de vues calculées. La première prise de vue effective et les prises de vues calculées sont alors utilisées dans un procédé d'estimation de la transformation entre le plan image et le repère de la sonde en vue de calibrer la sonde.The invention provides a method of calibrating a ultrasound probe based on a particular phantom and introducing virtual motions applied to the probe. These virtual movements make it possible to obtain from a single first effective shot a set of calculated shots. The first effective shot and the computed shots are then used in a method of estimating the transformation between the image plane and the reference of the probe to calibrate the probe.
Le remplacement des mouvements effectués par l'opérateur par des mouvements virtuels pour l'obtention des prises de vues nécessaires au processus de calibrage simplifie et raccourcit considérablement celui-ci. Les prises de vues étant calculées, on peut optimiser leur nombre et leur acquisition afin d'augmenter la précision de l'estimation des paramètres de la transformation.The replacement of the movements made by the operator by virtual movements to obtain the shots necessary for the calibration process greatly simplifies and shortens it. The shots being calculated, we can optimize their number and their acquisition in order to increase the precision of the estimation of the parameters of the transformation.
L'invention concerne un procédé de calibrage d'une sonde échographique comportant un corps de sonde et d'un émetteur récepteur d'ultrasons, par un dispositif de calibrage comprenant un corps fixe appelé fantôme, des moyens de localisation dans l'espace permettant de localiser précisément ledit fantôme ainsi que le corps de la sonde, des moyens de prise de vue échographique et des moyens de traitement de ces prises de vue, comportant une étape de positionnement de la sonde au-dessus du fantôme définissant une position initiale de la sonde ; une étape de prise de vue initiale du fantôme donnant une image initiale par les moyens de prise de vue échographique, la position du corps de la sonde lors de cette prise de vue étant mémorisée ; une étape de localisation du fantôme dans l'espace par les moyens de localisation dans l'espace ; une étape d'estimation des paramètres de calibrage à partir d'un ensemble de prises de vues et des positions associées de la sonde lors de ces prises de vue, la position du fantôme dans l'espace étant connue et une étape de calcul permettant d'obtenir au moins une des prises de vue et la position associée de la sonde par un mouvement calculé virtuel de la sonde par rapport au fantôme. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de calcul comporte une étape où, le fantôme définissant un plan, un ensemble de prises de vue et la position associée de la sonde sont calculés par translation virtuelle de la sonde parallèlement à ce plan à partir de la position initiale. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de calcul comporte une étape où, le fantôme définissant un plan et présentant une ligne comprise dans le plan identifiable sur l'image initiale, un ensemble de prises de vue et la position associée de la sonde sont calculés par rotation virtuelle de la sonde par rapport à la ligne du fantôme identifiable sur l'image initiale. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de calcul comporte une étape où, le fantôme définissant un plan, un ensemble de prises de vue et la position associée de la sonde sont calculés par rotation par rapport à un axe perpendiculaire au plan du fantôme à partir de la position initiale.The invention relates to a method for calibrating an ultrasound probe comprising a probe body and an ultrasonic transceiver, to a calibration device comprising a fixed body called a phantom, means for locating in the space enabling precisely locate said phantom as well as the body of the probe, ultrasound imaging means and means for processing these shots, comprising a step of positioning the probe above the phantom defining an initial position of the probe ; an initial shooting step of the phantom giving an initial image by the ultrasound imaging means, the position of the body of the probe during this shooting being stored; a step of locating the ghost in space by the location means in the space; a step of estimating the calibration parameters from a set of shots and the associated positions of the probe during these shots, the position of the ghost in the space being known and a calculation step allowing obtain at least one of the shots and the associated position of the probe by a virtual calculated movement of the probe relative to the phantom. According to a particular embodiment of the invention, the calculation step includes a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by virtual translation of the probe parallel to this plan from the initial position. According to a particular embodiment of the invention, the calculation step comprises a step where, the phantom defining a plane and having a line included in the identifiable plane on the initial image, a set of shots and the position associated probe are calculated by virtual rotation of the probe relative to the identifiable phantom line on the original image. According to a particular embodiment of the invention, the calculation step comprises a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by rotation with respect to a perpendicular axis to the plane of the ghost from the initial position.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de calcul comporte une étape où, le fantôme définissant un plan, un ensemble de prises de vue et la position associée de la sonde sont calculés par translation verticale orthogonale au plan à partir de la position initiale, les facteurs d'échelles ayant été calculés sur l'image initiale, la prise de vue étant obtenue par la translation correspondante de l'image initiale corrigée des facteurs d'échelles. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, l'étape de calcul comporte une étape où, le fantôme définissant un plan et présentant une ligne comprise dans le plan et identifiable sur l'image initiale ainsi qu'un point hors du plan également identifiable sur l'image initiale, un ensemble de prises de vue et la position associée de la sonde sont calculés par rotation par rapport à un axe de rotation perpendiculaire à la ligne identifiable et passant par le point identifiable du fantôme, la prise de vue étant obtenue par la rotation correspondante de l'image initiale autour du point de l'image représentant le point identifiable du fantôme corrigée des facteurs d'échelles.According to a particular embodiment of the invention, the calculation step includes a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by orthogonal vertical translation to the plane from from the initial position, the scaling factors having been calculated on the initial image, the shooting being obtained by the corresponding translation of the corrected initial image of the scale factors. According to a particular embodiment of the invention, the calculation step comprises a step where, the phantom defining a plane and having a line included in the plane and identifiable on the initial image and a point out of the plane also identifiable on the initial image, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by rotation relative to an axis of rotation perpendicular to the identifiable line and passing through the identifiable point of the ghost, the shooting being obtained by the corresponding rotation of the initial image around the point of the image representing the identifiable point of the corrected ghost of the scale factors.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, tous les mouvements étant des mouvements calculés virtuels, le procédé ne comporte qu'une seule prise de vue réelle du fantôme.According to a particular embodiment of the invention, all the movements being virtual computed movements, the method comprises only one real shot of the ghost.
L'invention concerne également un dispositif de calibrage d'une sonde échographique comportant un corps de sonde et d'un émetteur-récepteur d'ultrasons comportant un corps fixe appelé fantôme définissant un plan ; des moyens de localisation dans l'espace permettant de localiser précisément ledit fantôme ainsi que le corps de la sonde ; des moyens de prise de vue échographique et des moyens de traitement de ces prises de vue ; des moyens d'estimation des paramètres de calibrage à partir d'un ensemble de prises de vue et des positions associées de la sonde lors de ces prises de vue, la position du fantôme dans l'espace étant connue et des moyens de calcul permettant d'obtenir au moins une des prises de vue et la position associée de la sonde par un mouvement calculé virtuel de la sonde par rapport au plan défini par le fantôme.The invention also relates to a device for calibrating an ultrasound probe comprising a probe body and an ultrasonic transceiver comprising a fixed body called a ghost defining a plane; means of spatial location for precisely locating said phantom as well as the body of the probe; ultrasound imaging means and means for processing these shots; means for estimating the calibration parameters from a set of shots and the associated positions of the probe during these shots, the position of the ghost in the space being known and calculation means allowing obtain at least one of the shots and the associated position of the probe by a virtual calculated movement of the probe relative to the plane defined by the ghost.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le fantôme comprend une ligne comprise dans le plan et identifiable sur l'image initiale de prise de vue.According to a particular embodiment of the invention, the phantom comprises a line included in the plane and identifiable on the initial image of shooting.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le fantôme comprend en outre un point hors du plan identifiable sur l'image initiale de prise de vue.According to a particular embodiment of the invention, the phantom further comprises a point outside the identifiable plane on the initial image of shooting.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le fantôme est constitué de trois fils composant un triangle, le fantôme définissant un plan comprenant une des bases du triangle et perpendiculaire à la droite définie par la projection du sommet opposé sur cette base.According to a particular embodiment of the invention, the phantom consists of three son composing a triangle, the phantom defining a plane comprising one of the bases of the triangle and perpendicular to the line defined by the projection of the opposite vertex on this base.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :The characteristics of the invention mentioned above, as well as others, will appear more clearly on reading the following description of an exemplary embodiment, said description being given in relation to the attached drawings, among which:
La Fig. 1 représente un système de prise de vues échographique.Fig. 1 represents an ultrasound imaging system.
La Fig. 2 représente la sonde échographique en position de calibrage.Fig. 2 represents the ultrasound probe in the calibration position.
La Fig. 3 représente une famille de mouvements utilisée pour le calibrage.Fig. 3 represents a family of movements used for calibration.
La Fig. 4 représente une famille de mouvements utilisés pour le calibrage. La Fig. 5 représente une famille de mouvements utilisés pour le calibrage.Fig. 4 represents a family of movements used for calibration. Fig. 5 represents a family of movements used for calibration.
La Fig. 6 représente une famille de mouvements utilisés pour le calibrage.Fig. 6 represents a family of movements used for calibration.
La Fig. 7 représente une famille de mouvements utilisés pour le calibrage.Fig. 7 represents a family of movements used for calibration.
La Fig. 8 représente le fantôme utilisé selon le mode de réalisation de l'invention. la Fig. 9 représentent l'image obtenue pour différents angles lors d'un mouvement de rotation latérale de la sonde.Fig. 8 represents the phantom used according to the embodiment of the invention. FIG. 9 represent the image obtained for different angles during a lateral rotational movement of the probe.
La Fig. 10 illustre un fantôme du type 3 fils selon un exemple de réalisation de l'invention.Fig. 10 illustrates a phantom of the 3-wire type according to an exemplary embodiment of the invention.
La Fig. 11 illustre le procédé de calibrage. Pour réaliser le calibrage, plusieurs types de fantômes ont été utilisés. L'invention se place dans le cadre d'un fantôme de type plan. Dans la pratique, le fantôme utilisé pourra ne pas présenter un plan réel mais une simple ligne qui représentera l'intersection d'un plan virtuel avec l'image ultrasonore. Dans tous les cas et quelque soit la forme retenue pour le fantôme, celle-ci permet de définir un plan servant au calibrage. Cette configuration est illustrée Fig. 2. On y voit la sonde 2.1 reliée au dispositif de prise de vue par le cordon 2.2. La sonde fonctionne en émettant un faisceau d'ultrasons 2.3. Le calibrage se fait en prenant une série de prises de vues d'un fantôme plan 2.4. L'avantage d'utiliser un fantôme plan réside dans le fait que les images obtenues contiennent une ligne correspondant à l'écho de l'intersection du faisceau d'ultrasons et du fantôme. Une telle image est simple à analyser pour déterminer la position de la ligne dans l'image de manière automatique. La position de cette ligne est utilisée pour effectuer le calibrage.Fig. 11 illustrates the calibration process. To perform the calibration, several types of ghosts were used. The invention is in the context of a planar type phantom. In practice, the ghost used may not present a real plane but a simple line that will represent the intersection of a virtual plane with the ultrasound image. In all cases and whatever the form chosen for the phantom, it allows to define a plan for calibration. This configuration is illustrated in FIG. 2. It shows the 2.1 probe connected to the camera by the cord 2.2. The probe works by emitting a beam of ultrasound 2.3. The calibration is done by taking a series of shots of a ghost plane 2.4. The advantage of using a planar phantom lies in the fact that the images obtained contain a line corresponding to the echo of the intersection of the ultrasound beam and the phantom. Such an image is easy to analyze to determine the position of the line in the image automatically. The position of this line is used to perform the calibration.
Pour obtenir par cette méthode une bonne précision dans l'estimation des huit paramètres de calibrage, il est nécessaire d'effectuer une série de mouvement de la sonde par rapport au fantôme. A l'occasion de chacun de ces mouvements un ensemble de prises de vues correspondant à différentes positions de la sonde au cours de son mouvement sont prises. Connaissant précisément la position de la sonde au moment de la prise de vue grâce au système de localisation utilisé - par exemple, un système de localisation 3D optique avec un corps visible attaché à la sonde - et la position du plan utilisé comme fantôme, on obtient par analyse de l'image un ensemble d'équations ayant pour seules inconnues les huit paramètres que l'on cherche à estimer. Un tel système d'équations est obtenu pour chaque prise de vue.To obtain a good accuracy in estimating the eight calibration parameters by this method, it is necessary to perform a series of movement of the probe relative to the phantom. On the occasion of each of these movements a set of shots corresponding to different positions of the probe during its movement are taken. Knowing precisely the position of the probe at the time of shooting thanks to the location system used - for example, an optical 3D location system with a visible body attached to the probe - and the position of the plane used as a ghost, we obtain by analysis of the image a set of equations whose only unknown is the eight parameters that we are trying to estimate. Such a system of equations is obtained for each shot.
Les valeurs des huit paramètres optimisant la résolution de ces systèmes d'équations sont obtenues en utilisant, par exemple, l'algorithme de Levenberg- Marquardt.The values of the eight parameters optimizing the resolution of these systems of equations are obtained by using, for example, the Levenberg-Marquardt algorithm.
Pour obtenir une bonne précision dans cette estimation, les mouvements doivent comprendre au moins 5 familles de mouvements. Une première famille de mouvements est illustrée Fig. 3. Elle consiste à faire effectuer à la sonde dirigée vers le plan du fantôme un mouvement de translation vertical orthogonal au plan à partir de la position initiale. On appelle ces mouvements les mouvements de translation verticaux. Une seconde famille de mouvements est illustrée Fig. 4. Elle consiste à faire effectuer à la sonde dirigée vers le plan du fantôme un mouvement de rotation par rapport à un axe de rotation parallèle au plan du fantôme et sensiblement perpendiculaire au faisceau d'ultrasons émis par la sonde. On appelle ce mouvement un mouvement de rotation latérale. Une troisième famille de mouvements est illustrée par la Fig. 5. Elle consiste à faire effectuer à la sonde dirigée vers le plan du fantôme un mouvement de rotation par rapport à un axe de rotation parallèle au plan du fantôme et également sensiblement parallèle au plan du faisceau d'ultrasons émis. On appelle ce mouvement un mouvement de rotation axial. Une quatrième famille de mouvements est illustrée par la Fig. 6. Elle consiste à faire effectuer à la sonde dirigée vers le plan du fantôme des mouvements de translation parallèles au plan du fantôme à partir de la position initiale. Préférentiellement, ces mouvements sont effectués selon deux directions pouvant correspondre aux normales aux côtés de la sonde. On appelle ces mouvements des mouvements de translation parallèle. Une cinquième famille de mouvements est illustrée par la Fig. 7. Elle consiste à faire effectuer à la sonde dirigée vers le plan du fantôme des mouvements de rotation par rapport à un axe perpendiculaire au plan du fantôme à partir de la position initiale. On appelle ce mouvement un mouvement de rotation parallèle.To obtain a good precision in this estimation, the movements must include at least 5 families of movements. A first family of movements is shown in Fig. 3. It consists in having the probe directed towards the plane of the phantom perform a vertical translation movement orthogonal to the plane from the initial position. These movements are called the vertical translation movements. A second family of movements is shown in Fig. 4. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to rotate with respect to an axis of rotation parallel to the plane of the phantom and substantially perpendicular to the ultrasound beam emitted by the probe. This movement is called a lateral rotation movement. A third family of movements is illustrated in FIG. 5. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to rotate with respect to an axis of rotation parallel to the plane of the phantom and also substantially parallel to the plane of the ultrasound beam emitted. This movement is called an axial rotation movement. A fourth family of movements is illustrated in FIG. 6. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to perform translation movements parallel to the plane of the phantom from the initial position. Preferably, these movements are made in two directions that can be normal to the sides of the probe. These movements are called parallel translation movements. A fifth family of motions is illustrated in FIG. 7. It consists in causing the probe directed towards the plane of the phantom to rotate with respect to an axis perpendicular to the plane of the phantom from the initial position. This movement is called a parallel rotation movement.
L'article « Automatic Calibration for 3-D Free-hand Ultrasound » par R.W. Prager, R.N. Rohling, A.H. GEE et L. Berman publié par l'Université de Cambridge sous la référence CUED/F-INFENG/TR 303, décrit un système de ce type basé sur un fantôme dit de Cambridge. Ce fantôme implémente le plan sous la forme d'une barre. La sonde est maintenue en regard de cette barre. Un ensemble de guides permet d'obtenir ces 5 familles de mouvements de la sonde relativement au plan représenté par la barre.The article "Automatic Calibration for 3-D Free-hand Ultrasound" by RW Prager, Rohling RN, AH GEE and L. Berman published by the University of Cambridge under the reference CUED / F-INFENG / TR 303, describes a system of this type based on a Cambridge ghost. This ghost implements the plan in the form of a bar. The probe is held next to this bar. A set of guides makes it possible to obtain these 5 families of movements of the probe relative to the plane represented by the bar.
Les inventeurs ont observé que certains de ces mouvements, au moins sous certaines conditions, ne modifient pas l'image obtenue lors de la prise de vue. Il s'agit des mouvements de translation parallèle. En effet, la sonde étant maintenue à la même distance du plan du fantôme, l'image écho correspond à une ligne placée au même endroit dans l'image. Il en est encore de même pour les mouvements de rotation parallèle. Les images issues de ces mouvements de la sonde sont néanmoins nécessaires pour une bonne estimation des paramètres de calibrage. En ce qui concerne les rotations axiales, nous considérons les fantômes conçus de telle sorte que le plan contienne une ligne qui soit identifiable sur l'image ultrasonore. Ceci est le cas, par exemple, lorsque le fantôme comprend un fil servant à définir le plan. Dans ce cas, la prise de vue initiale est faite de façon à permettre la vue de cette ligne sur l'image. La ligne est alors prise comme axe de rotation. Les rotations autour de l'axe ainsi défini donnent également une image identique quelque soit l'angle de la rotation.The inventors have observed that some of these movements, at least under certain conditions, do not modify the image obtained during the shooting. These are parallel translation movements. Indeed, the probe being maintained at the same distance from the ghost plane, the echo image corresponds to a line placed at the same place in the image. It is still the same for parallel rotation movements. The images resulting from these movements of the probe are nevertheless necessary for a good estimation of the calibration parameters. With regard to axial rotations, we consider ghosts designed so that the plane contains a line that is identifiable on the ultrasound image. This is the case, for example, when the phantom includes a wire for defining the plane. In this case, the initial shot is made to allow the view of this line on the image. The line is then taken as axis of rotation. The rotations around the axis thus defined also give an identical image whatever the angle of rotation.
Les mouvements réels de la sonde sont alors remplacés par des mouvements virtuels calculés par le dispositif de calibrage. On imprime au repère Rs de la sonde des mouvements calculés à partir de la position initiale de la sonde, les images issues des prises de vue sont alors remplacées par l'image initiale. On obtient ainsi un ensemble de systèmes d'équations correspondant aux systèmes d'équations que l'on aurait obtenu par des mouvements réels. Ces systèmes d'équations issus des mouvements virtuels sont alors utilisés en lieu et place des systèmes issus de mouvements réels dans l'algorithme d'estimation des paramètres. L'utilisation de l'invention permet donc de simplifier les manipulations nécessaires pour effectuer le processus de calibrage en remplaçant au moins certains mouvements de la sonde par des mouvements virtuels calculés et les prises de vues par la prise de vue initiale pour chacun de ces mouvements. Le processus de calibrage est donc plus simple et plus rapide. Ces mouvements peuvent être virtualisés pour tout fantôme définissant un plan, du moins en ce qui concerne les translations et rotations parallèles. Le fantôme doit de plus définir une ligne comprise dans le plan et identifiable sur l'image pour les rotations axiales, le mouvement virtuel étant effectué autour d'un axe coïncidant avec la localisation de cette ligne sur le fantôme. L'image initiale est prise de façon à visualiser cette ligne identifiable.The actual movements of the probe are then replaced by virtual movements calculated by the calibration device. Prints calculated from the initial position of the probe are printed at the reference Rs of the probe, the images resulting from the shots are then replaced by the initial image. We thus obtain a set of systems of equations corresponding to the systems of equations that we would have obtained by real movements. These systems of equations resulting from the virtual movements are then used in place of the systems resulting from real movements in the algorithm of estimation of the parameters. The use of the invention therefore makes it possible to simplify the manipulations necessary to carry out the calibration process by replacing at least some movements of the probe by calculated virtual movements and the shooting by the initial shooting for each of these movements. . The calibration process is therefore simpler and faster. These movements can be virtualized for any phantom defining a plane, at least as far as translations and parallel rotations are concerned. The phantom must further define a line in the plane and identifiable on the image for the axial rotations, the virtual movement being performed around an axis coinciding with the location of this line on the phantom. The initial image is taken in order to visualize this identifiable line.
Le mouvement de translation vertical donne des images où la ligne représentant le plan est translatée verticalement en fonction de la distance de la sonde au plan du fantôme. Ce mouvement peut également être remplacé par un mouvement virtuel de translation à partir de la position initiale sous la condition d'effectuer la translation correspondante dans l'image initiale. Cette translation dépend des facteurs d'échelles de l'image comme illustré sur la Fig. 8. Ces facteurs d'échelles correspondent au rapport entre les dimensions réelles du fantôme et celles observées sur l'image. On peut donc calculer ces facteurs d'échelles si l'on dispose de points identifiables à des distances connues entre eux visibles sur l'image échographique. Nous verrons que cette condition est remplie grâce au fantôme choisi dans l'exemple de réalisation.The vertical translation motion gives images where the line representing the plane is translated vertically as a function of the distance of the probe to the plane of the phantom. This movement can also be replaced by a virtual translation movement from the initial position under the condition of performing the corresponding translation in the initial image. This translation depends on the scaling factors of the image as illustrated in FIG. 8. These scale factors correspond to the relationship between the actual dimensions of the ghost and those observed on the image. These scaling factors can therefore be calculated if there are identifiable points at known distances between them visible on the ultrasound image. We will see that this condition is fulfilled thanks to the phantom chosen in the exemplary embodiment.
Le mouvement de rotation latérale donne des images où la ligne représentant le plan subit une rotation autour d'un point. Ceci est illustré par la Fig. 9 représentant l'image obtenue pour différents angles lors d'un mouvement de rotation latérale de la sonde. Sous les conditions de connaître, d'une part, les facteurs d'échelles, et d'autre part, dans l'image le point de rotation correspondant à la position dans l'espace de l'axe de rotation situé hors du plan, il est possible de remplacer également les mouvements de rotation latérale par des mouvements virtuels. Dans ce cas, l'image remplaçant la prise de vue réelle correspondra à l'image initiale ayant subi une rotation d'un angle autour du point de l'image correspondant à la position de l'axe de rotation. Nous verrons que cette condition se vérifie en utilisant un fantôme de géométrie particulière qui nous permet d'identifier ce point facilement. L'axe de rotation est alors l'axe perpendiculaire à la ligne identifiable sur le fantôme et passant par le point identifiable hors du plan. L'image initiale est prise de façon à visualiser cette ligne identifiable et le point identifiable.Lateral rotation gives images where the line representing the plane is rotated around a point. This is illustrated in FIG. 9 representing the image obtained for different angles during a lateral rotational movement of the probe. Under the conditions of knowing, on the one hand, the scaling factors, and on the other On the other hand, in the image, the point of rotation corresponding to the position in the space of the axis of rotation situated outside the plane, it is possible to also replace the lateral rotation movements by virtual movements. In this case, the image replacing the actual shot will correspond to the original image rotated by an angle around the point of the image corresponding to the position of the axis of rotation. We will see that this condition is verified using a phantom of particular geometry that allows us to identify this point easily. The axis of rotation is then the axis perpendicular to the identifiable line on the phantom and passing through the identifiable point out of the plane. The initial image is taken in order to visualize this identifiable line and the identifiable point.
Nous voyons donc qu'en remplissant quelques conditions sur les facteurs d'échelles et sur l'identification du point représentant l'axe de la rotation latérale, les 5 familles de mouvements sont remplaçables par des mouvements virtuels. On peut donc bâtir un procédé de calibrage d'une sonde échographique basée sur le remplacement des mouvements réels effectués par la sonde pour obtenir des prises de vues par des mouvements virtuels calculés. L'image obtenue à chaque prise de vue sera soit l'image d'origine, soit une transformée simple de cette image. Une seule prise de vue réelle du fantôme est donc nécessaire et l'obtention d'un ensemble de prises de vues correspondant aux 5 familles de mouvements est remplacé par des mouvements virtuels calculés.We thus see that by fulfilling some conditions on scale factors and on the identification of the point representing the axis of the lateral rotation, the families of movements are replaceable by virtual movements. It is therefore possible to construct a method of calibrating an ultrasound probe based on the replacement of the real movements made by the probe in order to obtain shots by calculated virtual movements. The image obtained with each shot will be either the original image or a simple transformation of this image. Only one real shot of the ghost is necessary and obtaining a set of shots corresponding to the 5 families of movements is replaced by calculated virtual movements.
L'exemple de réalisation de l'invention utilise un fantôme du type 3 fils de 0.5 mm de diamètre comme illustré à la Fig. 10. Ce fantôme est composé d'un premier filThe exemplary embodiment of the invention uses a phantom of the 3-wire type having a diameter of 0.5 mm as illustrated in FIG. 10. This ghost is composed of a first thread
10.1 qui représente le plan d'un fantôme de type plan. Ce fil constitue également la ligne identifiable utilisée dans les mouvements virtuels de rotations axiale et latérale. Les deux autres fils sont tendus de façon à former un triangle. Le point d'intersection10.1 which represents the plan of a ghost of the plan type. This wire is also the identifiable line used in the virtual movements of axial and lateral rotations. The other two wires are stretched to form a triangle. The point of intersection
10.2 de ces deux autres fils correspond au sommet opposé au premier fil. Ce point représente le point de rotation servant à définir la rotation latérale. Une rotation de la sonde autour de ce point provoque la rotation de l'image obtenue autour de ce point dans la prise de vue. Les distances entre les 3 points servent à calculer les facteurs d'échelles. Le plan du fantôme est défini par le plan passant par le premier fil 10.1 et orthogonal au plan du triangle passant par le point 10.2.10.2 of these two other threads corresponds to the top opposite to the first thread. This point represents the point of rotation used to define the lateral rotation. A rotation of the probe around this point causes the rotation of the image obtained around this point in the shooting. The distances between the 3 points are used to calculate the scale factors. The plane of the ghost is defined by the plane passing through the first wire 10.1 and orthogonal to the plane of the triangle passing through the point 10.2.
Le procédé de calibrage est illustré par la Fig. 11. Il consiste, lors d'une étape 11.1, à positionner la sonde de telle façon que l'image permette de visualiser le triangle du fantôme de façon nette. Cette position de la sonde définit une position initiale de la sonde. On effectue alors une prise de vue pour obtenir une image appelée image initiale lors d'une étape 11.2. La position de la sonde lors de la prise de vue est mémorisée. Elle permet de définir la position du repère de la sonde Rs lors de cette prise de vue initiale. On mesure, par exemple à l'aide d'un palpeur, des points précis du système. Cette étape de localisation 11.3 permet de localiser précisément le fantôme dans l'espace. Pour ce faire, on utilise, par exemple, un palpeur constitué d'une pointe sur laquelle est fixé un corps visible par le localisateur 3D optique. La position de la pointe par rapport au corps étant connue, on localise ainsi des points de l'espace en y plaçant la pointe. On identifie ainsi la localisation des trois fils en positionnant deux points par fil.The calibration method is illustrated in FIG. 11. It consists, in a step 11.1, in positioning the probe in such a way that the image makes it possible to clearly see the triangle of the phantom. This position of the probe defines a position initial probe. A shot is then taken to obtain an image called the initial image during a step 11.2. The position of the probe when shooting is memorized. It allows you to define the position of the Rs probe reference point during this initial shooting. For example, using a probe, precise points of the system are measured. This location step 11.3 makes it possible to precisely locate the ghost in space. To do this, one uses, for example, a probe consisting of a point on which is fixed a visible body by the optical 3D locator. The position of the tip relative to the body is known, so locates points of space by placing the tip. This identifies the location of the three son by positioning two points per wire.
Les paramètres de localisation étant connus, on analyse l'image et on en déduit les paramètres d'échelles ainsi que la position du point de rotation dans cette image lors d'une étape 11.4.Since the location parameters are known, the image is analyzed and the scale parameters and the position of the rotation point in this image are deduced during a step 11.4.
Lors d'une étape 11.5, on calcule les mouvements virtuels. Pour chaque famille de mouvements, on déplace virtuellement le repère de la sonde Rs. On calcule en fait la position d'un repère de la sonde virtuel appelé Rvs. Pour chaque mouvement, un ensemble de positions du repère Rvs est déterminé. Pour chaque position du repère Rvs on calcule l'image correspondant à cette prise de vue si nécessaire. Comme nous l'avons vu plus haut, pour les mouvements de translation parallèle, de rotation axiale et de rotation parallèle, l'image calculée est l'image initiale de la première prise de vue. Pour la translation verticale, l'image correspond à l'image translatée verticalement. Pour le mouvement de rotation latérale, celui-ci est effectué autour du point 10.2 du fantôme pour le repère Rvs. Une rotation d'un même angle est effectuée sur l'image autour de l'image du point d'intersection des deux fils. Il est possible de n'effectuer des mouvements virtuels que pour les mouvements donnant la même image et de faire des mouvements et des prises de vue réels pour les autres.During a step 11.5, the virtual movements are calculated. For each family of movements, one moves virtually the reference of the probe Rs. One calculates in fact the position of a reference of the virtual probe called Rvs. For each movement, a set of positions of the reference Rvs is determined. For each position of the frame Rvs we calculate the image corresponding to this shot if necessary. As we have seen above, for the movements of parallel translation, axial rotation and parallel rotation, the calculated image is the initial image of the first shot. For vertical translation, the image corresponds to the vertically translated image. For the lateral rotation movement, this is performed around the point 10.2 of the phantom for the reference Rvs. A rotation of the same angle is performed on the image around the image of the point of intersection of the two son. It is possible to perform virtual movements only for movements giving the same image and to make real movements and shots for others.
On obtient ainsi un nombre arbitrairement grand de prises de vues pour lesquelles nous avons la position exacte du fantôme dans l'espace, la position de la sonde prise par le système de localisation 3D ainsi que l'image ultrason obtenue. On peut alors effectuer le calcul de l'estimation des paramètres de calibrage lors d'une étape 11.6. Ce calcul peut être fait en utilisant l'algorithme de Levenberg-Marquardt par exemple.We thus obtain an arbitrarily large number of shots for which we have the exact position of the ghost in space, the position of the probe taken by the 3D location system as well as the ultrasound image obtained. It is then possible to calculate the estimate of the calibration parameters during a step 11.6. This calculation can be done using the Levenberg-Marquardt algorithm for example.
Nous avons décrit un procédé de calibrage simplifié nécessitant un nombre réduit de prises de vues, ce nombre pouvant être réduit à une seule prise de vue. Ce procédé permet de générer un nombre de prises de vues optimisées calculées, permettant une estimation précise des paramètres de calibrage. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation donné. En particulier, il est possible de l'adapter à d'autres formes de fantômes. Si les mouvements de translation verticale et de rotation latérale sont virtuels, il faut être en mesure d'estimer les facteurs d'échelles ainsi qu'un point de rotation sur une première prise de vue. Dans ces conditions, tout type de fantôme peut être utilisé. De même, l'invention n'est pas limitée par l'utilisation de l'algorithme de Levenberg-Marquardt et toute méthode mathématique permettant d'estimer les paramètres de calibrage à partir d'un ensemble de systèmes d'équations peut être utilisée. La localisation de la sonde dans l'espace peut également être effectuée par d'autres méthodes que l'optique comme un positionnement électromagnétique. We have described a simplified calibration process requiring a reduced number of shots, which can be reduced to a single shot. This method generates a calculated optimized number of shots, allowing accurate estimation of the calibration parameters. The invention is not limited to the given embodiment. In particular, it is possible to adapt it to other forms of ghosts. If the vertical translation and lateral rotation movements are virtual, it is necessary to be able to estimate the scaling factors and a point of rotation on a first shot. Under these conditions, any type of ghost can be used. Likewise, the invention is not limited by the use of the Levenberg-Marquardt algorithm and any mathematical method making it possible to estimate the calibration parameters from a set of systems of equations can be used. The location of the probe in space can also be performed by methods other than optics such as electromagnetic positioning.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Procédé de calibrage d'une sonde échographique comportant un corps de sonde et d'un émetteur-récepteur d'ultrasons, par un dispositif de calibrage comprenant un corps fixe appelé fantôme, des moyens de localisation dans l'espace permettant de localiser précisément ledit fantôme ainsi que le corps de la sonde, des moyens de prise de vue échographique et des moyens de traitement de ces prises de vues, comportant les étapes suivantes : - une étape de positionnement de la sonde au-dessus du fantôme définissant une position initiale de la sonde ;1 / A method of calibrating an ultrasound probe comprising a probe body and an ultrasonic transceiver, by a calibration device comprising a fixed body called a phantom, location means in the space to locate precisely said phantom as well as the body of the probe, ultrasound imaging means and means for processing these shots, comprising the following steps: a step of positioning the probe above the phantom defining an initial position the probe;
- une étape de prise de vue initiale du fantôme donnant une image initiale par les moyens de prise de vue échographique, la position du corps de la sonde lors de cette prise de vue étant mémorisée ; - une étape de localisation du fantôme dans l'espace par les moyens de localisation dans l'espace ;an initial shooting step of the phantom giving an initial image by the ultrasound imaging means, the position of the body of the probe during this shooting being memorized; a step of locating the ghost in space by the location means in the space;
- une étape d'estimation des paramètres de calibrage à partir d'un ensemble de prises de vues et des positions associées de la sonde lors de ces prises de vues, la position du fantôme dans l'espace étant connue ; caractérisé en ce qu'il comporte en outre :a step of estimating the calibration parameters from a set of shots and the associated positions of the probe during these shots, the position of the ghost in the space being known; characterized in that it further comprises:
- une étape de calcul permettant d'obtenir au moins une des prises de vues et la position associée de la sonde par un mouvement calculé virtuel de la sonde par rapport au fantôme.- A calculation step for obtaining at least one of the shooting and the associated position of the probe by a virtual calculated movement of the probe relative to the phantom.
2/ Procédé de calibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul comporte :2 / A method of calibration according to claim 1, characterized in that the calculation step comprises:
- une étape où, le fantôme définissant un plan, un ensemble de prises de vues et la position associée de la sonde sont calculés par translation virtuelle de la sonde parallèlement à ce plan à partir de la position initiale.a step where the ghost defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by virtual translation of the probe parallel to this plane from the initial position.
3/ Procédé de calibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'étape de calcul comporte :3 / A method of calibration according to claim 1, characterized in that, the calculation step comprises:
- une étape où, le fantôme définissant un plan et présentant une ligne comprise dans le plan identifiable sur l'image initiale, un ensemble de prises de vues et la position associée de la sonde sont calculés par rotation virtuelle de la sonde par rapport à la ligne du fantôme identifiable sur l'image initiale.a step where, the ghost defining a plane and having a line included in the identifiable plane on the initial image, a set of shots and the Associated position of the probe are calculated by virtual rotation of the probe relative to the identifiable phantom line on the original image.
4/ Procédé de calibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul comporte :4 / Calibration method according to claim 1, characterized in that the calculation step comprises:
- une étape où, le fantôme définissant un plan, un ensemble de prises de vues et la position associée de la sonde sont calculés par rotation par rapport à un axe perpendiculaire au plan du fantôme à partir de la position initiale.a step where, the phantom defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by rotation with respect to an axis perpendicular to the plane of the phantom from the initial position.
5/ Procédé de calibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul comporte :5 / A method of calibration according to claim 1, characterized in that the calculation step comprises:
- une étape où, le fantôme définissant un plan, un ensemble de prises de vues et la position associée de la sonde sont calculés par translation verticale orthogonale au plan à partir de la position initiale, les facteurs d'échelles ayant été calculés sur l'image initiale, la prise de vue étant obtenue par la translation correspondante de l'image initiale corrigée des facteurs d'échelles.a step where the ghost defining a plane, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by vertical translation orthogonal to the plane from the initial position, the scale factors having been calculated on the initial image, the shooting being obtained by the corresponding translation of the corrected initial image of the scale factors.
6/ Procédé de calibrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul comporte : - une étape où, le fantôme définissant un plan et présentant une ligne comprise dans le plan et identifiable sur l'image initiale ainsi qu'un point hors du plan également identifiable sur l'image initiale, un ensemble de prises de vues et la position associée de la sonde sont calculés par rotation par rapport à un axe de rotation perpendiculaire à la ligne identifiable et passant par le point identifiable du fantôme, la prise de vue étant obtenue par la rotation correspondante de l'image initiale autour du point de l'image représentant le point identifiable du fantôme corrigée des facteurs d'échelle.6 / A method of calibration according to claim 1, characterized in that the calculation step comprises: - a step where, the phantom defining a plane and having a line included in the plane and identifiable on the initial image and a point out of the plane also identifiable on the initial image, a set of shots and the associated position of the probe are calculated by rotation relative to an axis of rotation perpendicular to the identifiable line and passing through the identifiable point of the ghost, the shooting being obtained by the corresponding rotation of the initial image around the point of the image representing the identifiable point of the corrected ghost of the scale factors.
Il Procédé de calibrage selon les revendications 2 à 6, caractérisé en ce que tous les mouvements étant des mouvements calculés virtuels, le procédé ne comporte qu'une seule prise de vue réelle du fantôme.Calibration method according to claims 2 to 6, characterized in that all the movements being virtual calculated movements, the method comprises only one real shooting of the phantom.
8/ Dispositif de calibrage d'une sonde échographique comportant un corps de sonde et d'un émetteur-récepteur d'ultrasons, ledit dispositif comportant - un corps fixe appelé fantôme définissant un plan ;8 / Device for calibrating an ultrasound probe comprising a probe body and an ultrasonic transceiver, said device comprising a fixed body called a ghost defining a plane;
- des moyens de localisation dans l'espace permettant de localiser précisément ledit fantôme ainsi que le corps de la sonde ;space locating means for precisely locating said phantom as well as the body of the probe;
- des moyens de prise de vue échographique et des moyens de traitement de ces prises de vues ;ultrasound imaging means and means for processing these shots;
- des moyens d'estimation des paramètres de calibrage à partir d'un ensemble de prises de vues et des positions associées de la sonde lors de ces prises de vues, la position du fantôme dans l'espace étant connue ; caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - des moyens de calcul permettant d'obtenir au moins une des prises de vue et la position associée de la sonde par un mouvement calculé virtuel de la sonde par rapport au plan défini par le fantôme.means for estimating the calibration parameters from a set of shots and the associated positions of the probe during these shots, the position of the ghost in the space being known; characterized in that it further comprises: - calculation means for obtaining at least one of the shots and the associated position of the probe by a virtual calculated movement of the probe relative to the plane defined by the phantom.
9/ Dispositif de calibrage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fantôme comprend une ligne comprise dans le plan et identifiable sur l'image initiale de prise de vue.9 / Calibration device according to claim 8, characterized in that the phantom comprises a line in the plane and identifiable on the initial image of shooting.
10/ Dispositif de calibrage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fantôme comprend en outre un point hors du plan identifiable sur l'image initiale de prise de vue.10 / Calibration device according to claim 9, characterized in that the phantom further comprises a point out of the identifiable plane on the initial image of shooting.
11/ Dispositif de calibrage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le fantôme est constitué de trois fils composant un triangle, le fantôme définissant un plan comprenant une des bases du triangle et perpendiculaire à la droite définie par la projection du sommet opposé sur cette base. 11 / Calibration device according to claim 10, characterized in that the phantom consists of three son forming a triangle, the phantom defining a plane comprising one of the bases of the triangle and perpendicular to the line defined by the projection of the opposite vertex on this based.
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