一種自由臂三維超聲成像系統(tǒng)及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自由臂三維超聲成像系統(tǒng)及成像方法，6軸慣性傳感器中心平面與探頭前端B超扇掃機(jī)構(gòu)的B超成像點(diǎn)處于同一平面中，并且6軸慣性傳感器中心與B超扇掃機(jī)構(gòu)B超成像點(diǎn)都在B超探頭中心軸線上，相互距離恒定；在與6軸慣性傳感器中心平面上方，B超探頭外部位設(shè)有凹槽；凹槽處設(shè)有觸發(fā)按鍵；6軸慣性傳感器、B超扇掃機(jī)構(gòu)和觸發(fā)按鍵通過長電纜與微處理器連接，微處理器通過USB接口接上位機(jī)，建立合理的掃描模型及采集系統(tǒng)，即可檢測探頭運(yùn)動(dòng)信息。所有器件全部置于2D超聲探頭內(nèi)，與外界無接觸，減少了環(huán)境對操作帶來的干擾，提高精度和穩(wěn)定性；采用多線程并行操作，加快了運(yùn)算速度，并在獲取每幅新的B提供實(shí)時(shí)更新的三維重建效果。
【專利說明】一種自由臂三維超聲成像系統(tǒng)及成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三維成像系統(tǒng)，特別涉及一種基于慣性傳感器的自由臂三維超聲 成像系統(tǒng)及成像方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 醫(yī)學(xué)超聲診斷是現(xiàn)代影像醫(yī)學(xué)的重要組成部分之一，在很多人體組織的診斷中都 有著重大的貢獻(xiàn)。傳統(tǒng)2D超聲所顯示的是從探頭掃描平面所獲取的信息，檢查者需要根據(jù) 一系列2D圖像在腦中重建組織的三維結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)費(fèi)時(shí)和困難的過程，而且容易發(fā)生錯(cuò) 誤。正因?yàn)槿绱?，臨床對3D超聲的需求正在快速增加。常見的3D超聲掃描方法有下面幾 種：機(jī)械機(jī)構(gòu)控制2D超聲探頭，內(nèi)置控制機(jī)構(gòu)的3D超聲探頭和自由臂3D掃描探頭。在上 述3D掃描方式中，自由臂掃描方式可以使用現(xiàn)成的2D探頭，掃查范圍大，在成本和使用方 便性上有較高的性價(jià)比，所以獲得廣泛歡迎。但是自由臂掃描的成本還有望進(jìn)一步降低，使 用方式進(jìn)一步簡便。
[0003] 慣性傳感器利用慣性作用獲取物體的運(yùn)動(dòng)信息，將慣性傳感器和探頭固定在一 起，并建立合理的掃描模型及采集系統(tǒng)，即可檢測探頭運(yùn)動(dòng)信息而不需要復(fù)雜的跟蹤設(shè)備。 為進(jìn)一步提高自由臂掃描方式的性價(jià)比提供了可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對現(xiàn)自由臂掃描應(yīng)用廣泛，性價(jià)比需進(jìn)一步提升的問題，提出了一種 自由臂三維超聲成像系統(tǒng)及成像方法，可進(jìn)一步降低成本、操作更加簡便。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種自由臂三維超聲成像系統(tǒng)，系統(tǒng)包括B超探頭、微處理 器和上位機(jī)，B超探頭包括外部的觸發(fā)按鍵、外部的凹槽、尾部的長電纜、內(nèi)部的6軸慣性 傳感器、內(nèi)部傳統(tǒng)的B超扇掃機(jī)構(gòu)和內(nèi)部支架；6軸慣性傳感器固定在B超探頭內(nèi)部的支架 上，6軸慣性傳感器中心平面與探頭前端B超扇掃機(jī)構(gòu)的B超成像點(diǎn)處于同一平面中，并且 6軸慣性傳感器中心與B超扇掃機(jī)構(gòu)B超成像點(diǎn)都在B超探頭中心軸線上；在與6軸慣性 傳感器中心平面上方，B超探頭外部位設(shè)有凹槽，凹槽與6軸轉(zhuǎn)型傳感器平行；凹槽處設(shè)有 觸發(fā)按鍵；6軸慣性傳感器、B超扇掃機(jī)構(gòu)和觸發(fā)按鍵通過長電纜與微處理器連接，微處理 器通過USB接口接上位機(jī)。
[0006] 所述微處理器中的I2c模塊與6軸慣性傳感器互相通信，對傳感器進(jìn)行配置和數(shù) 據(jù)的讀??；微處理器的扇掃驅(qū)動(dòng)模塊和超聲信號收發(fā)Tx/Rx模塊分別輸出驅(qū)動(dòng)信號到B超 扇掃機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)和激勵(lì)超聲換能器；觸發(fā)按鍵觸發(fā)信號輸入微處理器。
[0007] -種自由臂三維超聲成像系統(tǒng)的成像方法，具體包括如下步驟： 1) 以6軸慣性傳感器中心為原點(diǎn)在中心平面建立慣性傳感器坐標(biāo)系S ;以B超成像點(diǎn) 為原點(diǎn)，在6軸慣性傳感器中心平面建立B超成像坐標(biāo)系I ;慣性傳感器坐標(biāo)系S中心與B 超成像坐標(biāo)系I中心相距距離L ; 2) 當(dāng)使用者按下凹槽處的觸發(fā)按鍵時(shí)，微處理器接收6軸慣性傳感器和B超扇掃機(jī)構(gòu) 位置和成像信息，微處理器匹配B超二維成像和其位置信息，并通過USB 口傳輸?shù)缴衔粰C(jī) 中； 3) 初始化：接收到所述3D掃描觸發(fā)按鍵的觸發(fā)信號后，以第一幅接收到的B超二維圖 像為基準(zhǔn)建立世界坐標(biāo)系R，開辟存儲(chǔ)空間； 4) 獲取后續(xù)的B超二維圖像與第一幅B超圖像的相對位置關(guān)系，為所述B超二維圖像 中的每個(gè)像素點(diǎn)分配一個(gè)線程，并進(jìn)行像素點(diǎn)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，線程中包含的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公 式如下： P ~ P Ts - ]Tr - s 其中//= Cri Gi)表示任一 2D成像平面中某一像素點(diǎn)Cr^ 的坐標(biāo)， X A乃表示該像素點(diǎn)在所述世界坐標(biāo)系R中的對應(yīng)坐標(biāo)； 表示所述2D成像坐標(biāo)系I到6軸慣性傳感器坐標(biāo)系S的轉(zhuǎn)換表達(dá)式，其具體表 達(dá)形式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種自由臂三維超聲成像系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括B超探頭、微處理器和上位 機(jī)，B超探頭包括外部的觸發(fā)按鍵、外部的凹槽、尾部的長電纜、內(nèi)部的6軸慣性傳感器、內(nèi) 部傳統(tǒng)的B超扇掃機(jī)構(gòu)和內(nèi)部支架；6軸慣性傳感器固定在B超探頭內(nèi)部的支架上，6軸慣 性傳感器中心平面與探頭前端B超扇掃機(jī)構(gòu)的B超成像點(diǎn)處于同一平面中，并且6軸慣性 傳感器中心與B超扇掃機(jī)構(gòu)B超成像點(diǎn)都在B超探頭中心軸線上；在與6軸慣性傳感器中 心平面上方，B超探頭外部位設(shè)有凹槽，凹槽與6軸轉(zhuǎn)型傳感器平行；凹槽處設(shè)有觸發(fā)按鍵； 6軸慣性傳感器、B超扇掃機(jī)構(gòu)和觸發(fā)按鍵通過長電纜與微處理器連接，微處理器通過USB 接口接上位機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述自由臂三維超聲成像系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理器中的I2C 模塊與6軸慣性傳感器互相通信，對傳感器進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)的讀??；微處理器的扇掃驅(qū)動(dòng) 模塊和超聲信號收發(fā)Tx/Rx模塊分別輸出驅(qū)動(dòng)信號到B超扇掃機(jī)構(gòu)中步進(jìn)電機(jī)和激勵(lì)超聲 換能器；觸發(fā)按鍵觸發(fā)信號輸入微處理器。
3. -種權(quán)利要求2所述系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 以6軸慣性傳感器中心為原點(diǎn)在中心平面建立慣性傳感器坐標(biāo)系S ;以B超成像點(diǎn) 為原點(diǎn)，在6軸慣性傳感器中心平面建立B超成像坐標(biāo)系I ;慣性傳感器坐標(biāo)系S中心與B 超成像坐標(biāo)系I中心相距距離L ; 2) 當(dāng)使用者按下凹槽處的觸發(fā)按鍵時(shí)，微處理器接收6軸慣性傳感器和B超扇掃機(jī)構(gòu) 位置和成像信息，微處理器匹配B超二維成像和其位置信息，并通過USB 口傳輸?shù)缴衔粰C(jī) 中； 3) 初始化：接收到所述3D掃描觸發(fā)按鍵的觸發(fā)信號后，以第一幅接收到的B超二維圖 像為基準(zhǔn)建立世界坐標(biāo)系R，開辟存儲(chǔ)空間； 4) 獲取后續(xù)的B超二維圖像與第一幅B超圖像的相對位置關(guān)系，為所述B超二維圖像 中的每個(gè)像素點(diǎn)分配一個(gè)線程，并進(jìn)行像素點(diǎn)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，線程中包含的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公 式如下： P ~ P Ts - ]Tr - s 其中//= Cri Gi)表示任一 2D成像平面中某一像素點(diǎn)Cr^ 的坐標(biāo)， X A乃表示該像素點(diǎn)在所述世界坐標(biāo)系R中的對應(yīng)坐標(biāo)； 表示所述2D成像坐標(biāo)系I到6軸慣性傳感器坐標(biāo)系S的轉(zhuǎn)換表達(dá)式，其具體表 達(dá)形式為：
表示6軸慣性傳感器坐標(biāo)系S到所述世界坐標(biāo)系R的轉(zhuǎn)換表達(dá)式，其具體表達(dá)形 式為：
式中,Λ χ,Δ y,ii z為探頭沿世界坐標(biāo)系R中的x,y,z軸平移的位移量,α, β，γ分別 為坐標(biāo)系繞世界坐標(biāo)系R中的x, y, ζ三軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)過的角位移； 5) 將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的像素點(diǎn)存儲(chǔ)入步驟3)中開辟好的世界坐標(biāo)系R的存儲(chǔ)空間，并進(jìn) 行像素點(diǎn)插補(bǔ)；對存儲(chǔ)空間中的像素點(diǎn)進(jìn)行三維表面重建，并進(jìn)行光線投射處理； 6) 時(shí)時(shí)采集后續(xù)圖像，重復(fù)步驟3)到步驟5)，實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)3D成像。
【文檔編號】A61B8/00GK104095653SQ201410358227
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】姜旭恒, 胡勝男, 鄭政 申請人:上海理工大學(xué)