專利名稱:一種機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及超聲成像領(lǐng)域,特別是一種基于機械掃描的實時三維超聲成像系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù):
-三維超聲成像是相對于傳統(tǒng)二維超聲成像在醫(yī)學(xué)影像診斷領(lǐng)域的又一次飛躍,它克服 了二維成像中無法對被成像物體的三維信息進行描述的問題,從而使體積的精確測量、組 織器官空間形態(tài)的顯示與描述、以及三維成像導(dǎo)引成為可能。目前國內(nèi)外三維超聲成像方法主要有直接三維成像和基于重建的三維超聲成像兩大 類,由于直接三維成像方法硬件價格昂貴,而且成像目標區(qū)域小,因此,目前國內(nèi)外的三 維超聲成像系統(tǒng)大部分都是基于重建的方法。根據(jù)三維數(shù)據(jù)獲取的掃描方法不同,基于重 建的方法主要有機械掃描,機械自由臂定位,聲、磁等位置傳感器定位系統(tǒng)。機械掃描方 式位置測量精度搞,重建圖像失真小,重建圖像可以用來進行定量分析,而且其精確的空 間定位能力,在介入式治療和影像導(dǎo)引方面具有不可估量的應(yīng)用價值。國內(nèi)外對基于重建的三維成像技術(shù)的研究已經(jīng)有十多年的歷史,而且在各個方面都取 得了一定的成果。在臨床應(yīng)用中,醫(yī)生一方面要求獲得診斷部位盡可能準確和盡可能多的 信息,從而盡可能做出準確的診斷;另一方面,要求成像速度盡可能的快,最好實時。在 以往的重建三維超聲成像系統(tǒng)中, 一般是通過一個視頻采集卡,對二維超聲機屏幕上的模 擬視頻信號進行數(shù)字化采集,然后對這些采集的數(shù)字圖像在PC機中實現(xiàn)三維圖像的重建和 顯示。在這個過程中,數(shù)字化的采集過程使信號有一定的失真,而且視頻信號的傳送幀率 有限,使得用于三維重建的數(shù)字信號與超聲探頭數(shù)據(jù)釆集的信號之間不能匹配。特別是, 近年來探頭技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展,B超儀的成像幀率越來越高,甚至達到100幀/秒以上, 而25幀/秒和50幀/秒的視頻傳送標準已遠不能達到應(yīng)用要求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問題是提供一種機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng)及方法,該系統(tǒng)和 方法可以無失真地獲取原始的二維B超圖像,克服現(xiàn)有三維超聲成像工作站中,運用視頻 采集卡對B超儀屏幕進行數(shù)字化采集過程中的失真,同時克服視頻傳輸制式的速度限制, 實現(xiàn)與B超儀成像幀率的同步。本發(fā)明所提供的基于機械掃描的實時三維超聲成像系統(tǒng)是在傳統(tǒng)二維超聲儀上,利用 步進電動機驅(qū)動超聲探頭對目標區(qū)域進行扇形掃描,同時借助USB或網(wǎng)絡(luò)接口將超聲儀獲
取的序列二維B超數(shù)字圖像從其內(nèi)部數(shù)字接口實時無失真地傳到PC機內(nèi)存中,在PC機中 實時地完成三維超聲圖像數(shù)據(jù)重建,同時實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的實時體繪制或其它的渲染方式, 并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)3D/4D超聲成像。根據(jù)本發(fā)明,所述系統(tǒng)包括 一臺具有串行接口和USB接口或串行接口和網(wǎng)卡接口的PC機; 一臺具有數(shù)字接口的用于產(chǎn)生診斷部位二維B超圖像的B超儀;步進電動機及其控制和驅(qū)動部分,控制和驅(qū)動部分中的控制器的輸出與驅(qū)動模塊的輸入連接,驅(qū)動模塊的輸出與步進電動機的輸入連接,步進電動機的旋轉(zhuǎn)軸與B超儀的超聲探頭固定連接;PC機的USB或網(wǎng)卡接口與B超儀的數(shù)字接口連接,PC機串口與控制和驅(qū)動部分的控制器的通訊口 連接。所述步進電動機與B超儀的超聲探頭集成為一體。上述控制和驅(qū)動部分中的控制器與驅(qū)動模塊集成為一塊電路板,并采用單片機或DSP 芯片作為控制器實現(xiàn)對探頭運動的控制。本發(fā)明還提供了采用上述機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng)的成像方法,包括以下步驟 步驟l:設(shè)置步進電動機驅(qū)動探頭的掃描參數(shù)掃描范圍ci、掃描速度S和掃描方向; 步驟2:根據(jù)掃描參數(shù)和B超儀的成像幀率計算掃描范圍內(nèi)的各幀剖面圖像的相對位 置關(guān)系;這個相對位置關(guān)系用各幀剖面圖像之間的夾角來確定,其計算公式為0" = ^/08超儀成像幀率-1);步驟3:超聲探頭初始位置復(fù)位將掃描范圍a內(nèi)a /2處的位置作為探頭的初始位置 和三維重建的參考位置;如果在掃描過程中在線進行了參數(shù)調(diào)節(jié),則在參數(shù)調(diào)節(jié)時探頭所 處的位置作為在新的參數(shù)設(shè)置下的三維數(shù)據(jù)重建的初始參考位置;步驟4:驅(qū)動探頭掃描,B超儀所采集到的二維超聲數(shù)字圖像不斷地從其數(shù)字接口經(jīng) PC機USB 口傳送到PC機內(nèi)存,完成空間目標區(qū)域的數(shù)據(jù)采集;步驟5:對選定的掃描范圍所確定的空間容積,PC機根據(jù)各幀圖像方位信息,利用所 采集的數(shù)據(jù)進行三維數(shù)據(jù)體的重建;步驟6:用重建后的三維數(shù)據(jù)體更新原來的三維數(shù)據(jù),實現(xiàn)空間三維圖像的動態(tài)成像; 并轉(zhuǎn)至步驟4,如果是三維超聲圖像導(dǎo)引,則重復(fù)此過程直至使用者選擇結(jié)束,如果是用于 輔助診斷,則重復(fù)此過程直至完成所設(shè)置的掃描次數(shù)后自動結(jié)束。上述三維數(shù)據(jù)重建還包括如下步驟(1)根據(jù)探頭初始位置和二維剖面圖像的空間位 置關(guān)系獲得每幀二維剖面圖像的空間位置;(2)建立重建系數(shù)表;(3)獲取存儲源數(shù)據(jù)的 內(nèi)存首地址;(4)確定三維圖像像元最近鄰的四個采樣點,讀取其灰度值;(5)査找重建 系數(shù)表,運用雙線性插值方法,完成三維圖像像元灰度值的重建。本發(fā)明中,傳統(tǒng)二維超聲機必須提供數(shù)字圖像輸出接口,所獲取的實時二維B超數(shù)字 圖像可以從此接口通過PC機的USB或網(wǎng)絡(luò)接口傳送到計算機內(nèi)存中。采用此數(shù)字接口技
術(shù),可以無失真地獲取原始的二維B超圖像,克服了一般三維超聲成像工作站中,運用視 頻采集卡對B超儀屏幕進行數(shù)字化采集過程中的失真,同時克服了視頻傳輸制式的速度限 制,實現(xiàn)與B超儀成像幀率的同步??刂葡到y(tǒng)控制驅(qū)動裝置驅(qū)動探頭進行空間掃描,對空 間目標區(qū)域掃描完成后,反映組織內(nèi)部信息的序列二維剖面圖像便全部進入計算機內(nèi)存, 并在計算機中實現(xiàn)三維圖像重建和體繪制及其它渲染方式。在本系統(tǒng)中,空間掃描的角度 范圍,掃描速度,以及三維重建區(qū)域的大小都可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié),達到在不同應(yīng)用條 件下的最優(yōu)設(shè)置。三維圖像重建所需要的每幀二維圖像的空間位置信息由掃描控制運動規(guī) 律的參數(shù)設(shè)置——超聲探頭的初始位置、掃描空間的角度范圍、步進電動機的運轉(zhuǎn)速度,B 超儀的成像幀率——進行預(yù)定義。機械掃描相對其它傳感器空間位置測量方式,精度更高, 對應(yīng)用環(huán)境沒有更多的要求,而且在參數(shù)設(shè)定后,空間位置關(guān)系可以預(yù)先確定,而不必在 掃描過程中實時計算,從而具有更高的重建精度和速度。每完成一次空間掃描,更新一次 三維數(shù)據(jù),因此,三維圖像的更新率與步進電動機的掃描速度有關(guān),同時受三維圖像數(shù)據(jù) 重建速度的限制。
圖l本發(fā)明的基于機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng)圖;圖2本發(fā)明的基于機械掃描實時三維超聲成像方法流程圖;圖3基于機械扇形掃描實時三維超聲成像三維重建框架結(jié)構(gòu)圖;圖4數(shù)據(jù)重建雙線性插值方法示意圖具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明,所述的基于機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 主要由以下部分組成具有數(shù)字接口的傳統(tǒng)二維B超儀及其探頭;具有USB或網(wǎng)卡接口和 串行口的普通PC機一臺;驅(qū)動探頭掃描的控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置和步進電動機。三部分通過 基于機械掃描實時三維超聲成像軟件系統(tǒng)進行硬件資源的管理、協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)臨 床診斷中對診斷部位實時交互的三維成像和診斷處理。所述傳統(tǒng)二維B超儀應(yīng)具有USB數(shù)字接口,超聲探頭所采集到的回波信號在超聲儀中 所形成的數(shù)字圖像可以從這個數(shù)字接口中實時傳送出來,通過與PC機的USB接口連接,傳 送到PC機的內(nèi)存中,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸,為PC機提供三維超聲圖像重建和顯示的必 要數(shù)據(jù)。所述PC機應(yīng)該具有USB接口 (或網(wǎng)卡接口)和串行接口,其中USB 口與傳統(tǒng)B超儀的 數(shù)字接口相連,接收B超儀所采集到空間序列二維B超剖面圖像數(shù)據(jù);串行口的作用是實 現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通訊,包括掃描的方式、掃描的開始和結(jié)束信號、數(shù)據(jù)采集與重建信號的 同步、掃描運動規(guī)律參數(shù)的設(shè)置等。所述控制系統(tǒng)是采用單片機作為控制器實現(xiàn)探頭的各種掃描方式和不同運動規(guī)律的控
制,并通過PC機串行口實現(xiàn)與其通訊和必要的參數(shù)設(shè)置功能,同時運用一個步進電動機通 過機械裝置實現(xiàn)對傳統(tǒng)二維B超儀探頭的驅(qū)動掃描。所述控制系統(tǒng)可以對步進電動機的掃描范圍和掃描速度進行在線調(diào)節(jié),而且驅(qū)動模塊 和電動機實時響應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié),不需要重新復(fù)位即可實現(xiàn)在新的參數(shù)設(shè)置下的掃描和三維圖 像重建。圖2是本發(fā)明基于機械掃描實時三維超聲成像方法的流程圖。在三維圖像重建中一個 重要的方面是記錄每幀二維剖面圖像的空間位置關(guān)系。本系統(tǒng)中采用機械掃描的方式,掃 描的運動規(guī)律可以由控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置(控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置),在確定的運動規(guī)律以及確定 的探頭成像幀率下,各個二維剖面圖像的相對位置關(guān)系便是確定的,只要確定探頭初始位 置便可以預(yù)先確定三維重建所需要的全部空間位置信息。設(shè)置完成后,在步進電動機的驅(qū) 動下按照預(yù)定的運動規(guī)律進行空間掃描,超聲儀所獲取的二維剖面圖像不斷地通過USB 口 傳送到PC機的內(nèi)存,根據(jù)驅(qū)動控制開始和數(shù)據(jù)傳輸開始的同步信息以及電機的運動規(guī)律, 可以獲取掃描空間范圍中任意容積內(nèi)的系列二維剖面圖像數(shù)據(jù)及其相對位置關(guān)系,為三維 數(shù)據(jù)的重建提供了全部的必須條件。實現(xiàn)三維圖像重建后,更新數(shù)據(jù)體,進行體繪制或其 它方式渲染。三維數(shù)據(jù)體的更新率與探頭成像幀率,成像容積的大小,掃描的速度有關(guān), 并受三維數(shù)據(jù)體重建的限制。根據(jù)本發(fā)明,所述的機械掃描實時三維超聲成像軟件系統(tǒng)是在PC機內(nèi)實現(xiàn)的,方法流 程見圖2。該軟件的機械掃描實時三維超聲成像方法包括如下步驟步驟l:設(shè)置步進電動機驅(qū)動探頭的掃描參數(shù)掃描范圍a、掃描速度S、掃描方向。步驟2:超聲探頭初始位置復(fù)位。如果在掃描過程中在線進行了參數(shù)調(diào)節(jié),則在參數(shù)調(diào) 教時探頭所處的位置作為在新的參數(shù)設(shè)置下的三維數(shù)據(jù)重建的初始參考位置。步驟3:根據(jù)掃描參數(shù)和二維B超儀系統(tǒng)的成像幀率計算掃描范圍內(nèi)的各幀剖面圖像的 相對位置關(guān)系。步驟4:驅(qū)動探頭掃描,B超儀所采集到的二維超聲數(shù)字圖像不斷地從其數(shù)字接口經(jīng) PC機USB口 (或網(wǎng)卡接口)傳送到PC機內(nèi)存,完成空間目標區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。步驟5:對選定的空間容積,PC機根據(jù)各幀圖像方位信息,利用所采集的數(shù)據(jù)進行三維數(shù)據(jù)體的重建。步驟6:用重建后的三維數(shù)據(jù)體更新原來的三維數(shù)據(jù),實現(xiàn)空間三維圖像的動態(tài)成像。并轉(zhuǎn)至步驟3,重復(fù)此過程直至結(jié)束。所述步驟1中,掃描范圍a決定成像區(qū)域的范圍,可以從30度到75度動態(tài)調(diào)節(jié)。掃 描速度s可以根據(jù)掃描方向上的空間分辨力和三維圖像更新率來設(shè)置,其動態(tài)范圍是4度/ 秒到200度/秒。同時掃描最高速度受三維體數(shù)據(jù)重建時間的限制。這些參數(shù)可以在運行過 程中在線實時調(diào)節(jié)。所述步驟2中,探頭復(fù)位的作用是為三維數(shù)據(jù)重建提供參考位置基準點,這是因為三
維重建需要知道每幀二維圖像在掃描范圍內(nèi)的實際空間位置,而電機的運動規(guī)律只能獲取 各幀間的相對位置,所以需要給定一個空間基準點。在第一次運行時,超聲探頭初始位置 的復(fù)位是使探頭處于掃描范圍的正中央,在掃描過程中,就可以通過此參考位置和電機的 運轉(zhuǎn)規(guī)律計算出任意時刻超聲探頭所處的空間位置,即此時二維剖面超聲圖像的空間位置。如果在運行過程中參數(shù)進行了在線調(diào)節(jié),因為在掃描過程中,任意時刻探頭的位置都是已 知的,就可以將參數(shù)改變時探頭所處的位置作為初始參考位置,而不用重新中心對齊,實 現(xiàn)實時響應(yīng)。實際應(yīng)用中,根據(jù)控制精度和掃描時間的長短,為了減少累計誤差,在掃描 一段時間后,可能需要對探頭的空間位置進行一次新的精確定位,其方法如下控制探頭 使其超出掃描范圍,而限制掃描范圍的固定硬件將強制探頭停在此位置,把這個位置信息 作為新的定位參考位置。所述步驟3中,兩幀二維剖面圖像的相對位置關(guān)系可以用它們之間的夾角來確定,其計算公式為0" = ^/(萬超儀成像幀率-1)。所述步驟4中,從數(shù)字接口傳出來的數(shù)字圖像是由超聲探頭所檢測到的回波信號重建 而成的。在傳統(tǒng)B超聲成像系統(tǒng)中,成像過程一般是模擬聲波信號——數(shù)字信號——形 成數(shù)字圖像——模擬視頻顯示。在以前的工作站中, 一般是用圖像采集卡對模擬視頻信號 進行采集,使之數(shù)字化,用這些數(shù)字化后的圖像在PC機中作進一步的處理。這個過程中, 一方面在圖像信號從數(shù)字——模擬——數(shù)字的過程中有信息失真,另一方面,目前視頻信 號的傳輸一般只有25幀/秒和50幀/秒兩種制式,限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取,F(xiàn)代超聲成像技 術(shù)的發(fā)展,B超儀成像幀率已經(jīng)達到100幀/秒以上,視頻傳送己不能滿足與其同步的傳輸要求。本系統(tǒng)直接讀取超聲系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)字圖像信號,避免了從數(shù)字到模擬再到數(shù)字的信 息失真,而且突破了視頻信號制式的限制。所述步驟5中,三維重建的過程如圖3所示。從圖3可以看出,為了得到直角坐標系 下,三維圖像中每個體元的灰度值,需要一個重采樣的插值過程。選擇掃描旋轉(zhuǎn)軸方向作 為z軸,則在x — y平面上采用雙線性插值,示意圖見圖4,灰度計算公式為<formula>formula see original document page 8</formula>分別為同一平面上距離點P最近的a,b,c,d四個點的灰度值,e為點P與旋轉(zhuǎn)中心線所決定的平面與重建初始幀所在平面的夾角,A為點P最近的前一幀圖象平面與重建初始幀所在平面的夾角,^為點P到中心點的距離,r為P點靠近中心點一側(cè)的最近的采樣點到中心點的距離。在z方向上,x—y平面上同一位置 的體元與它周圍最近的四個點的位置關(guān)系是相同的,即重建系數(shù)相等,而且用來重建的最 近鄰的四個點在內(nèi)存中的存儲位置也是沿z方向作固定偏移,因此可以預(yù)先在x—y平面建 立存儲有重建系數(shù)及重建參考點位置的表格,并沿z方向進行三維重建,就能減少計算量,
加快三維重建過程。重建過程包括以下步驟(1)根據(jù)探頭初始位置和二維剖面圖像的空 間位置關(guān)系獲得每幀二維剖面圖像的空間位置;(2)建立重建系數(shù)表,詳細方法參考文獻, S. Tong, D. B. Downey, H. N. Cardinal, A. Fenster, A Three-Dimensional Ultrasound Prostate Imaging System, Ultrasound in Medicine and Biology, 22(6), pp. 735-746, 1996; (3)獲取存儲 源數(shù)據(jù)的指針;(4)確定空間體元最近鄰的四個采樣點,讀取其灰度值;(5)查找重建系 數(shù)表,運用雙線性插值方法,完成空間體元灰度值的重建。在以上步驟中,第四步確定空 間體元最近鄰的四個采樣點時,可以在極坐標系下確定,也可以在將采樣點映射到直角坐 標后在直角坐標系下確定。前一種點的確定方法對圓弧狀邊緣具有更高的重建精度,而對 于直線型的邊緣在遠場有較大的失真,對于這類邊緣,用后一種的點確定方法精確度就要 高些。
權(quán)利要求
1、一種機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng),其特征在于包括一臺具有串行接口和USB接口或串行接口和網(wǎng)卡接口的PC機;一臺具有數(shù)字接口的用于產(chǎn)生診斷部位二維B超圖像的B超儀;步進電動機及其控制和驅(qū)動部分,控制和驅(qū)動部分中的控制器的輸出與驅(qū)動模塊的輸入連接,驅(qū)動模塊的輸出與步進電動機的輸入連接,步進電動機的旋轉(zhuǎn)軸與B超儀的超聲探頭固定連接;PC機的USB或網(wǎng)卡接口與B超儀的數(shù)字接口連接,PC機串口與控制和驅(qū)動部分的控制器的通訊口連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng),其特征在于所述步進電動機與B超儀的超聲探頭集成為一體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng),其特征在于控制和驅(qū)動部分中的 控制器與驅(qū)動模塊集成為一塊電路板,并采用單片機或DSP芯片作為控制器實現(xiàn)對探頭運動的控制。
4、 采用權(quán)利要求1所述的機械掃描實時三維超聲成像系統(tǒng)的成像方法,包括以下步驟步驟l:設(shè)置步進電動機驅(qū)動探頭的掃描參數(shù)掃描范圍a、掃描速度S 和掃描方向;步驟2:根據(jù)掃描參數(shù)和B超儀的成像幀率計算掃描范圍內(nèi)的各幀剖面圖 像的相對位置關(guān)系;這個相對位置關(guān)系用各幀剖面圖像之間的夾角來確定,其 計算公式為cJ-V(^超儀成像幀率-1);步驟3:超聲探頭初始位置復(fù)位將掃描范圍a內(nèi)a /2處的位置作為探頭 的初始位置和三維重建的參考位置;如果在掃描過程中在線進行了參數(shù)調(diào)節(jié), 則在參數(shù)調(diào)節(jié)時探頭所處的位置作為在新的參數(shù)設(shè)置下的三維數(shù)據(jù)重建的初 始參考位置;步驟4:驅(qū)動探頭掃描,B超儀所采集到的二維超聲數(shù)字圖像不斷地從其數(shù)字接口經(jīng)PC機USB 口傳送到PC機內(nèi)存,完成空間目標區(qū)域的數(shù)據(jù)采集; 步驟5:對選定的掃描范圍所確定的空間容積,PC機根據(jù)各幀圖像方位信息,利用所采集的數(shù)據(jù)進行三維數(shù)據(jù)體的重建;步驟6:用重建后的三維數(shù)據(jù)體更新原來的三維數(shù)據(jù),實現(xiàn)空間三維圖像的動態(tài)成像;并轉(zhuǎn)至步驟4,如果是三維超聲圖像導(dǎo)引,則重復(fù)此過程直至使用者選擇結(jié)束,如果是用于輔助診斷,則重復(fù)此過程直至完成所設(shè)置的掃描次數(shù)后自動結(jié)束。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,三維數(shù)據(jù)重建還包括如下步驟(1)根據(jù)探頭初始位置和二維剖面圖像的空間位置關(guān)系獲得每幀二維剖面圖像的空間位置;(2)建立重建系數(shù)表;(3)獲取存儲源數(shù)據(jù)的內(nèi)存首地址;(4)確定 三維圖像像元最近鄰的四個采樣點,讀取其灰度值;(5)査找重建系數(shù)表,運 用雙線性插值方法,完成三維圖像像元灰度值的重建。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于機械掃描的實時三維超聲成像系統(tǒng),包括具有USB接口和串行接口的PC機,帶有數(shù)字接口的二維B超儀,步進電動機及其控制和驅(qū)動部分;PC機的USB接口與B超儀的數(shù)字接口連接,PC機串口與控制和驅(qū)動部分的通訊口連接,控制和驅(qū)動部分中的驅(qū)動模塊的輸出與步進電動機的輸入連接,步進電動機的旋轉(zhuǎn)軸與B超儀的超聲探頭固定連接。方法包括設(shè)置掃描參數(shù);計算圖像的相對位置關(guān)系;探頭初始位置復(fù)位;空間數(shù)據(jù)采集;三維數(shù)據(jù)重建;實現(xiàn)空間三維圖像的動態(tài)成像。本發(fā)明用于臨床診斷中對診斷部位進行三維成像,或者在介入式治療中作為三維圖像導(dǎo)引。
文檔編號A61B8/13GK101147688SQ20071005375
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者丁明躍, 磊 洪, 羅小安, 鄭友輝 申請人:武漢迪正雅合科技有限責任公司