基于空间定位装置的三维超声成像方法、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及三维超声成像技术领域，特别涉及基于空间定位装置的三维超声成像方法、存储介质及设备。

背景技术

三维超声成像技术可以分为三维重建技术及实时三维技术两大类。三维重建是静态成像，实时三维成像是直接的三维动态成像，它是近几年来的新技术。现有三维超声成像主要有以下几种实现方式：

1、平行扫查法：扫描平面沿Z轴方向垂直移动，将采集的多幅二维图像数字化后予以存储，建立立方体形数据库，观察三维图像。平移式采集的数据是一组等间隔的相互平行的二维图像。基于这样的数据，重构三维图像是比较容易的。由于此法要求有较大的声窗，图像易于失真，目前已基本废弃。

2、扇形扫查法：扇形扫查是将探头固定放在病人的皮肤表面，然后让探头绕一条与探头平行的轴摆动。结果是得到了一系列等角度(类似扇形的)分布的二维图像。将采集的二维图像做数字存储，建立金字塔形数据库，而后插补三维像素。这类系统的优势是容易手持操作，扫描的视野比较大。而且，因为探头摆动的有关参数是事先设计好的，因此三维图像重构的速度也比较快。缺点是随着探查深度的变化，空间分辨率变差。而且，三维数据在各个方向上分辨率的不一致性也给图像重构带来麻烦。

3、旋转扫描法：旋转式的扫描装置是让探头围绕与探头垂直的轴旋转180度，从而在一锥形扫描区内获得一系列轴心不变、夹角均为2度，共90个方位(或夹角为3度，60个方位)的二维切面。最后得到类似圆锥型的三维数据。这类系统同样存在空间分辨率不均匀的问题。此外，为了实现准确的三维重构，在数据采集过程中必需保持旋转轴是不动的，否则会直接影响三维重建的精度。

4、自由臂扫描法：自由臂装置又称电磁位置感受器。电磁式位置传感器由发射器、接收器及相应的电子装置构成。发射器产生空间变化的电磁场，接收器内有3个正交的线圈用于感受所在位置的电磁场的强度。只要将接收器固定在超声探头上，就可以实现对探头位置和方向的跟踪。电磁式定位系统的缺点是对噪声和误差比较敏感。

5、实时动态三维成像法：利用二维阵列换能器，探头发射声束时，按相控阵方式沿Y轴进行方位转向，形成二维图像，后者再沿Z轴方向扇形移动进行立体仰角转向，形成金字塔形数据库。

以上各种三维超声成像技术可以提供立体三维图像或数据库，可以对其进行二次切割或对其内部的管道或病灶进行突出显示，主要缺点有两个：1、精确度不高，插补及后处理严重，不能作为超声诊断依据；2、不能提供脏器或病灶空间位置的数据信息，三维数据库只能看不能用，不能作为介入超声引导的依据。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于空间定位装置的三维超声成像方法、存储介质及设备，旨在解决现有三维超声成像方法精确度不高以及不能提供脏器或病灶空间位置的数据信息的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于空间定位装置的三维超声成像方法，其中，包括步骤：

在二维超声探头上设置空间定位传感器，通过所述二维超声探头实时获取待测组织部位的二维超声图像以及所述二维超声图像的空间坐标；

将获取的所述二维超声图像根据其空间坐标放置于立体空间的相应位置，重建出含有待测组织部位空间位置的三维超声数据库，实现三维超声成像。

所述基于空间定位装置的三维超声成像方法，其中，获取所述二维超声图像的空间坐标的步骤包括：

通过所述空间定位传感器获取所述二维超声探头的空间运动信息；

通过超声波定位系统、光学定位系统或电磁波定位系统结合所述空间运动信息，对获得的二维超声图像进行空间坐标的赋值，得到所述二维超声图像的空间坐标。

所述基于空间定位装置的三维超声成像方法，其中，所述空间定位传感器为光学传感器，所述光学定位系统由光学标记点、动作捕捉相机、传输设备以及数据处理工作站组成。

所述基于空间定位装置的三维超声成像方法，其中，所述通过光学定位系统对获得的二维超声图像进行空间坐标的赋值，得到所述二维超声图像的空间坐标的步骤包括：

在所述二维超声探头上粘贴所述光学标记点；

通过所述动作捕捉相机从不同角度实时探测所述光学标记点，将获得的数据通过所述传输设备实时传输至所述数据处理工作站；

所述数据处理工作站根据三角测量原理精确计算所述光学标记点的空间坐标，从而获得所述二维超声图像的空间坐标。

所述基于空间定位装置的三维超声成像方法，其中，将获取的所述二维超声图像根据其空间坐标放置于立体空间的相应位置，重建出含有待测组织部位空间位置的三维超声数据库的步骤包括：

基于含有三维空间坐标的数值矩阵构建三维模型；

在所述三维模型中循环遍历带有空间坐标的所述二维超声图像，判断所述二维超声图像中的空间坐标在所述三维模型中是否存在对应的三维空间坐标点，若存在，则将所述三维空间坐标点赋值给所述二维超声图像并保存；

当所述二维超声图像均保存在所述三维模型中，则重建出含有待测组织部位空间位置的三维超声数据库。

一种存储介质，其中，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如本发明基于空间定位装置的三维超声成像方法中的步骤。

一种设备，其中，包括处理器，适于实现各指令；以及存储介质，适于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行本发明基于空间定位装置的三维超声成像方法中的步骤。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的基于空间定位装置的三维超声成像方法，是通过固定于二维超声探头上的空间定位传感器采集每一帧超声图像的空间坐标，按坐标对待测组织部位进行三维超声重建，真实反映待测组织部位的空间位置。所获得的三维超声数据库具备空间坐标，可以作为介入超声的穿刺引导图像，实时反映二维超声切面在空间的位置以及与病灶的相互关系，具备精度高、可实时引导穿刺的技术效果。

附图说明

图1为本发明一种基于空间定位装置的三维超声成像方法较佳实施例的流程图。

图2为二维超声图像的获取示意图。

图3为二维超声图像与重建的三维超声数据库的融合示意图。

图4为本发明一种设备的原理框图。

具体实施方式

本发明提供基于空间定位装置的三维超声成像方法、存储介质及设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参阅图1，图1为本发明提供的一种基于空间定位装置的三维超声成像方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：

S10、在二维超声探头上设置空间定位传感器，通过所述二维超声探头实时获取待测组织部位的二维超声图像以及所述二维超声图像的空间坐标；

S20、将获取的所述二维超声图像根据其空间坐标放置于立体空间的相应位置，重建出含有待测组织部位空间位置的三维超声数据库，实现三维超声成像。

在本实施例中，通过固定于二维超声探头上的空间定位传感器采集每一帧超声图像的空间坐标，按坐标对待测组织部位进行三维超声重建，真实反映待测组织部位的空间位置。所获得的三维超声数据库具备空间坐标，可以作为介入超声的穿刺引导图像，实时反映二维超声切面在空间的位置以及与病灶的相互关系，具备精度高、可实时引导穿刺的技术效果。

在本实施例中，通过二维超声探头测得的实时二维超声图像可根据其空间坐标而显示在三维超声数据库中，由此可作为超声介入时的实时引导图像。由于两者均在同一呼吸时实现，避免了呼吸运动带来的待测组织部位的位置改变。所述三维超声数据库和二维超声图像均在同一空间坐标系统下进行空间赋值，因此具备可融合性。本实施例中实时二维超声图像与三维数据库的融合为同一呼吸时相下的融合，能够保证二维图像在三维数据库中的精确位置。

在一些实施方式中，获取所述二维超声图像的空间坐标的步骤包括：

通过所述空间定位传感器获取所述二维超声探头的空间运动信息；通过超声波定位系统、光学定位系统或电磁波定位系统结合所述空间运动信息，对获得的二维超声图像进行空间坐标的赋值，得到所述二维超声图像的空间坐标。

作为举例，采用二维超声探头来实时获取待测组织部位(肝脏肿瘤及周边肝组织)的二维超声图像，如图2所示，在所述二维超声探头上设置至少3个光学传感器来获得二维超声探头的空间运动信息，通过光学定位系统接收所述二维超声探头的空间运动信息，并通过软件处理每秒可采集120帧图像并赋予其空间坐标。具体来讲，所述光学定位系统基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪，同时结合算法来完成动作捕捉。理论上对于空间中的任意一个点，只要它能同时被两台以上相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的3D位置。本实施例以光学定位方式采集超声二维图像并进行空间坐标的赋值，赋值速度快，精度高，可以建成高精度的三维超声数据库，其内部带有空间坐标数据。

在一些具体的实施方式中，所述光学定位系统由光学标记点、动作捕捉相机、传输设备以及数据处理工作站组成。在所述二维超声探头上粘贴所述光学标记点；通过所述动作捕捉相机从不同角度实时探测所述光学标记点，将获得的数据通过所述传输设备实时传输至所述数据处理工作站；所述数据处理工作站根据三角测量原理精确计算所述光学标记点的空间坐标，从而获得所述二维超声图像的空间坐标。在本实施例中，所述光学定位系统的坐标赋值频率约为120帧/秒，其坐标赋值精度可达到0.1mm。

在一些实施方式中，将获取的所述二维超声图像根据其空间坐标放置于立体空间的相应位置，重建出含有待测组织部位空间位置的三维超声数据库的步骤包括：基于含有三维空间坐标的数值矩阵构建三维模型；在所述三维模型中循环遍历带有空间坐标的所述二维超声图像，判断所述二维超声图像中的空间坐标在所述三维模型中是否存在对应的三维空间坐标点，若存在，则将所述三维空间坐标点赋值给所述二维超声图像并保存；当所述二维超声图像均保存在所述三维模型中，则重建出含有待测组织部位空间位置的三维超声数据库。

具体来讲，通过计算机建立含坐标系的立体空间，即根据含有三维空间坐标的数值矩阵(图像)生成一个三维模型，输入的图像为三维空间坐标点的X图像、Y图像和Z图像，其中，X图像含有物体三维空间中的X坐标信息，Y图像含有物体三维空间中的Y坐标信息，Z图像含有物体三维空间中的Z坐标信息；所述X图像、Y图像和Z图像实际上是以图像的形式存储的二维矩阵。在所述三维模型中循环遍历带有空间坐标的所述二维超声图像，判断所获取二维超声图像中的空间坐标实际对应的三维空间坐标点是否存在，若存在则取出三维空间坐标点的x、y、z值，分别赋值给所述二维超声图像，并在三维模型中保存所述二维超声图像。重复上述步骤直到将所有二维超声图像保存在三维模型中，最终建成含有肿瘤及周边结构空间位置的三维超声数据库。如图3所示，为实时二维超声图像与已重建的三维超声数据库的融合示意图。

本实施例通过建立三维模型，在所述三维模型中将所获取的二维超声图像构建为三维超声数据库，可使得实时扫查的二维超声图像按其空间坐标在所述三维超声数据库中显示，其可真实反映病灶及其周边组织的空间位置。所获得的三维超声数据库具备空间坐标，可以作为介入超声的穿刺引导图像，实时反映二维超声切面在空间的位置以及与病灶的相互关系，具备精度高、可实时引导穿刺的技术效果。

在一些实施方式中，还提供一种存储介质，其中，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本发明促进测试代码与产品代码协同演化的方法中的步骤。

在一些实施方式中，还提供一种设备，如图4所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(CommunicationsInterface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。

此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。

存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。