專利名稱：用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法
用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法本申請要求sheng Xu等人于2007年11月14日在先提交的序號No. 60/987 809、 題目為 “SYSTEM AND METHOD FOR AUTOMAT ICCALI BRAT I ON OF TRACKED ULTRASOUND” 的臨 時申請的權(quán)益，并且該申請已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。本實施例大體涉及醫(yī)療系統(tǒng)，并且更具體地，涉及用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的方法 和裝置。利用空間定位器對超聲探頭進行跟蹤已應(yīng)用在外科手術(shù)和介入導(dǎo)航中，例如，用 于實況超聲圖像與其它圖像模態(tài)的融合。為能夠?qū)崿F(xiàn)這些應(yīng)用，必須進行對跟蹤超聲的校 準(zhǔn)，即確定實況超聲圖像和所附空間跟蹤器之間的空間關(guān)系。由于許多常規(guī)的校準(zhǔn)方法需 要人的交互作用來對超聲圖像中的控制點進行識別，所以它們是耗時的。對于這些手動方 法，因為需要大量經(jīng)過手動獲得的控制點，所以實現(xiàn)高精確性是困難的。雖然一些最近的校 準(zhǔn)方法可以執(zhí)行自動校準(zhǔn)，但是不利的是，它們有賴于復(fù)雜的人體模型。使用超聲為外科手術(shù)導(dǎo)航需要在全局坐標(biāo)系中對換能器進行跟蹤。通常將光學(xué)或 者電磁傳感器接附到超聲換能器，允許對換能器的位置和取向進行跟蹤。超聲校準(zhǔn)是指用 于確定超聲圖像和接附到超聲換能器的跟蹤裝置或者傳感器之間的固定變換的程序。因此，在本領(lǐng)域中，期望用于克服這些問題的改進的方法和系統(tǒng)。

圖1是根據(jù)本公開的實施例的用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的系統(tǒng)的局部方框視圖；圖2是圖示說明根據(jù)本公開的實施例的用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的方法的簡化示 意和流程視圖；以及圖3是圖示說明根據(jù)本公開的另一個實施例的對經(jīng)由基于圖像的跟蹤所獲得的 超聲體積的三個多平面重構(gòu)圖像視圖的屏幕顯示視圖。在圖中，相似的參考編號指代相似的元件。另外，注意到，圖可能不是按比例繪制 的。如這里所使用的，校準(zhǔn)跟蹤超聲意味著確定實況超聲圖像和所附空間跟蹤器之間 的空間關(guān)系。換言之，超聲校準(zhǔn)是指確定超聲圖像和所附跟蹤設(shè)備之間固定變換的過程。 作為對本領(lǐng)域中問題的響應(yīng)，本公開的實施例有利地提供了用于跟蹤超聲全自動校準(zhǔn)的方 法。圖1是根據(jù)本公開的實施例的用于實現(xiàn)跟蹤超聲的自動校準(zhǔn)的超聲成像系統(tǒng)10 的局部方框視圖。超聲成像系統(tǒng)10包括超聲換能器12、耦合至超聲換能器的跟蹤器14、定 位器(一般用參考標(biāo)號16指示)、校準(zhǔn)特征18、容器20、以及系統(tǒng)控制器22。將跟蹤器14 在給定位置處并且朝向超聲換能器12的能量發(fā)射表面24耦合至超聲探頭12。超聲換能器 或者探頭12可以包括任何合適的手持超聲換能器或者探頭，其中所述手持超聲換能器或 者探頭可以配置用于實現(xiàn)本公開的實施例并且用于滿足給定超聲成像應(yīng)用的需求。超聲探 頭12包括位于其機架內(nèi)的超聲換能器(未示出)，并包括用于在圖像場內(nèi)(一般用參考標(biāo) 號26指示)發(fā)射所期望超聲能量的接近表面24。例如，為了酌情執(zhí)行這里所描述的各個功 能和步驟，在超聲探頭12、跟蹤器14、以及系統(tǒng)控制器22之間連接由參考標(biāo)號28所指示的 特征總體表示的各種電源和信號線。
根據(jù)給定的跟蹤超聲校準(zhǔn)的需求，校準(zhǔn)特征18適合于部分浸入液體、膠體或者其 它合適的水性介質(zhì)的體積(一般用參考標(biāo)號30表示)內(nèi)并且在其中且在不同位置和取向 上可移動。該液體、膠體或者其它合適的水性介質(zhì)體積30包含在合適的容器或者倉20內(nèi)。 容器或者倉20包括至少一個適合于作為對發(fā)射能量的超聲換能器的響應(yīng)來傳播超聲能量 的表面32，并且超聲探頭12的表面24與表面32接觸。定位器16包括 跟蹤發(fā)生器34，跟蹤發(fā)生器34配置用于發(fā)射用于結(jié)合跟蹤器14和 校準(zhǔn)對象18使用的跟蹤能量。在一個實施例中，跟蹤發(fā)生器34包含電磁場發(fā)生器，其中， 如由參考標(biāo)號36所指示的，該發(fā)生器在固定的取向和位置上。電磁場發(fā)生器34在感興趣 區(qū)域中生成電磁場，感興趣區(qū)域也稱為給定的定位器空間或者感興趣體積，一般用參考標(biāo) 號38指示。系統(tǒng)控制器22可以包括任何合適的計算機和/或超聲換能器接口，該控制器還被 編程以合適的指令，這些指令用于執(zhí)行關(guān)于履行這里所討論的跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的這里所 討論的各種功能。系統(tǒng)控制器22可以包括諸如40和42的各種輸入/輸出信號線，用于電 耦合到(i)超聲成像系統(tǒng)10的其它組件或者(ii)超聲成像系統(tǒng)10之外的一個或多個遠(yuǎn)程 計算機系統(tǒng)。例如，為了系統(tǒng)操作者在給定的跟蹤超聲自動校準(zhǔn)期間使用，將合適的顯示設(shè) 備44耦合到系統(tǒng)控制器22。此外，可以提供諸如輸入/輸出設(shè)備、指點設(shè)備等(未示出) 的附加設(shè)備(如可能需要的)，用于在執(zhí)行跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的給定實現(xiàn)方式的一個或多 個部分中使用。另外，將用于從存儲器(例如，包含之前從給定模態(tài)獲得的圖像的寄存器或 者存儲設(shè)備)或者實時圖像采集(例如，來自給定形式采集設(shè)備的實時圖像)獲得圖像采 集的器件46耦合至系統(tǒng)控制器46。根據(jù)本公開的一個實施例，超聲校準(zhǔn)的方法包括作為基于點的配準(zhǔn)問題求解，其 中，將公共點集的超聲圖像坐標(biāo)P1配準(zhǔn)到它們在定位器空間中的對應(yīng)坐標(biāo)1\。圖1包含可 應(yīng)用于實現(xiàn)如這里所提出的跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的各種坐標(biāo)系的圖示說明，包括用于定位器 空間的坐標(biāo)系L、用于跟蹤器空間的坐標(biāo)系T、以及用于超聲圖像空間的坐標(biāo)系I。此外，如 圖1中所圖示說明的，可以將總的變換表示為齊次變換矩陣的乘積，通過下式給出PL = LFT ‘ TFI ‘ P1(1)其中，&和P1分別是在定位器空間和超聲圖像的坐標(biāo)系中控制點的坐標(biāo)。1Ft項是 在超聲圖像中的控制點被識別時，定位器對接附到超聲換能器的跟蹤器的實時跟蹤結(jié)果。 tFi項是跟蹤器和圖像之間的固定變換。給定足夠數(shù)目的點(N >3)，可以使用奇異值分解 (SVD)求解出 tFiij然而，許多傳統(tǒng)的超聲校準(zhǔn)方法需要人的交互作用來對控制點的圖像坐標(biāo)進行識 另IJ。手動過程是耗時的，當(dāng)對超聲引導(dǎo)系統(tǒng)進行商業(yè)化時，這可能不利地導(dǎo)致一些問題。另 夕卜，精確的超聲校準(zhǔn)可能需要大量控制點。因此，高度期望全自動校準(zhǔn)方法。另外，雖然一些 最近的校準(zhǔn)方法已經(jīng)實現(xiàn)了全自動，但是這些校準(zhǔn)方法不利地有賴于復(fù)雜的人體模型。根 據(jù)本公開的實施例，超聲校準(zhǔn)方法包括使用與校準(zhǔn)程序集成的圖像處理算法。結(jié)果，既不需 要人的交互作用也不需要額外的復(fù)雜硬件，就實現(xiàn)了全自動超聲校準(zhǔn)程序。根據(jù)本公開的一個實施例，用于超聲校準(zhǔn)的方法包括使用圖像處理算法對超聲圖 像空間中的許多控制點集進行定位。結(jié)果，可以為超聲校準(zhǔn)使用無限數(shù)目的控制點，從而允 許高校準(zhǔn)精度。另外，用于實現(xiàn)超聲校準(zhǔn)方法的系統(tǒng)是簡單并且低成本的。此外，超聲校準(zhǔn)快速并且自動地執(zhí)行(即，無控制點的手動確定)。 雖然這里關(guān)于3D超聲校準(zhǔn)對實施例進行了描述，但是實施例也可以用于2D超聲 校準(zhǔn)。另外，根據(jù)另一個實施例，可以使實時(2D或3D)超聲圖像流到(例如，使用合適的 視頻流技術(shù))計算機，該計算機獨立于用于實現(xiàn)超聲校準(zhǔn)程序的一個或多個部分的超聲診 斷成像系統(tǒng)。此外，如果超聲圖像是2D的，那么可以經(jīng)由對包含在超聲診斷成像系統(tǒng)10的 超聲掃描儀或者系統(tǒng)控制器22的視頻輸出信號中的圖像進行取幀來獲取圖像。根據(jù)一個實施例，至少將所跟蹤針18的頂端19浸入具有膠體或者水30的倉20 內(nèi)。將6自由度(DOF)跟蹤器14接附到超聲換能器12，允許通過外部定位器16對換能器 的位置和取向進行跟蹤。類似地，例如，使用集成在針頂端19中的小型傳感器為針18提供 跟蹤器。針，特別地，至少包括小型傳感器的針頂端19，在倉內(nèi)關(guān)于換能器移動，導(dǎo)致針頂端 在超聲體積內(nèi)的位置變化。在針從該體積內(nèi)的在先位置運動到新位置之后，對超聲體積的 超聲幀進行處理，以確定針的新圖像位置。另外，在程序期間，定位器16對(i)針和(ii) 超聲換能器的跟蹤器進行跟蹤。自動超聲校準(zhǔn)的方法還包括使用圖像配準(zhǔn)對超聲體積中的針頂端進行識別。圖2 說明了圖像處理算法50的示例，其中每個算法將針頂端19的模板與對應(yīng)超聲幀(52、54、 56和58)內(nèi)的針頂端的當(dāng)前圖像進行匹配。幀數(shù)包含N >3。對于起始幀52，建立具有感 興趣體積(VOI) 62的模板。圖像處理算法繼續(xù)進行到下一幀54，并且使用圖像處理將針頂 端模板(來自幀52)與幀54的圖像進行匹配，對應(yīng)于用參考標(biāo)號64指示的匹配1。過程繼 續(xù)進行到幀56，并且使用圖像處理將針頂端的模板(來自初始幀52和幀54)與幀56的圖 像進行匹配，這對應(yīng)于用參考標(biāo)號66指示的匹配2。類似地，過程以這種方式繼續(xù)進行到幀 58，并且使用圖像處理將針頂端模板(來自初始幀52、幀54、幀56和任何附加介于中間的 幀)與幀58的圖像進行匹配，這對應(yīng)于用參考標(biāo)號68指示的匹配N。另外，可以通過諸如單純平移、剛體或者仿射變換等的參數(shù)化變換對針的運動建 模。例如，如果手動移動針，就可以使用剛體或者仿射變換說明針在超聲圖像中的平移、旋 轉(zhuǎn)和手動變化。如果可利用具有三個平移接頭的機械手移動針，那么應(yīng)該使用平移模型增 加運動跟蹤算法的魯棒性和精確性。假定針的運動是連續(xù)的，可以使用一個超聲幀的運動 參數(shù)估計下一幀的運動。使用數(shù)值優(yōu)化(例如，高斯-牛頓方法)解決在每個單獨幀的局 部(local)圖像配準(zhǔn)問題?？梢钥焖俨⑶覍崟r執(zhí)行跟蹤算法。在一個實施例中，使用具有兩 千兆字節(jié)(2G)的隨機訪問存儲器(RAM)的3. 2GHz工作站，平均處理時間近似每幀35ms (或 者 28. 6Hz)?？梢栽?S. Xu、J. Kruecker、S. Settlemier 和 B. J. Wood 的"Real-time motion tracking using 3Dultrasound"Proc. SPIE Vol. 65O9,65O9OX(2OO7 年 3 月 2I 日)中找到 適當(dāng)?shù)倪\動跟蹤算法的一個示例的細(xì)節(jié)。圖2還說明了用參考標(biāo)號60指示的變換Τ(μ )和簡化流程圖70，該簡化流程圖 70用于建立變換估計(步驟72)、在給定幀N處運動跟蹤(步驟74)、將N值遞增到下一 個值N+k(k彡1，步驟76)、并且在步驟72處重復(fù)該流程。例如，使用恰當(dāng)?shù)倪\動跟蹤算法， 將幀N的跟蹤結(jié)果用于估計幀N+k的運動。重復(fù)該循環(huán)本身直到已經(jīng)對期望數(shù)目的幀互相 進行配準(zhǔn)為止。圖3示出了軟件跟蹤針頂端的一個實施例的屏幕截圖80。三個圖像視圖(82、84 和86)是超聲體積的多平面重構(gòu)。視圖82代表對于給定幀的XY截面的超聲體積的多平面重構(gòu)。視圖84代表對于給定幀的ZY截面的超聲體積的多平面重構(gòu)。視圖86代表對于給定幀的XZ截面的超聲體積的多平面重構(gòu)。使用如這里所討論的模板匹配和圖像處理技術(shù)， 對針頂端自動進行識別并且在所有三個視圖中顯示。參照各個圖像視圖并且結(jié)合相對于患 者的固定坐標(biāo)系，可以給各種指示提供圖像視圖。例如，指示L可以代表左、R代表右、F可 以代表足、H可以代表頭等。例如通常在觀看3D圖像中所使用的，還可以提供十字準(zhǔn)線對不 同圖像視圖或者觀察截面之間的對應(yīng)進行標(biāo)記。底部右視圖(或者視窗)88示出了在(一 系列幀上)每個超聲幀處模板匹配的殘留誤差。在圖3的視圖88中，確定當(dāng)前運動跟蹤的 殘留誤差具有17. 5的值。該值指示運動跟蹤的精確度，可以在校準(zhǔn)程序中使用該值，以避 免包括跟蹤結(jié)果出現(xiàn)在可接受范圍之外(即，對應(yīng)于不精確的跟蹤結(jié)果)的幀。另外，使用式(1)的符號，對于基于圖像的跟蹤，針頂端位置是P1，并且基于定位器 的跟蹤，針頂端位置是1\?？梢詾槊總€超聲圖像幀自動計算一個這樣的點對，這允許采集 成千上萬的點對，其導(dǎo)致與手動方法相比明顯更高的精確度。對于在每個所采集幀內(nèi)對P1 的手動識別，點的數(shù)目典型局限于10-50的范圍。由于對針頂端精確的3D手動識別耗時在 30-60秒量級，所以每個點對節(jié)約的時間在1000倍的量級。根據(jù)另一個實施例，雖然參照3D超聲校準(zhǔn)對超聲校準(zhǔn)方法進行描述時，但該方法 還可應(yīng)用于2D超聲校準(zhǔn)。對于2D超聲校準(zhǔn)，該方法還包括將針的運動限制在2D超聲換能 器的成像平面，例如，使用針導(dǎo)向件或者用于將針的運動限制在成像平面的其它合適器件。根據(jù)另一個實施例，基于圖像的算法對針和換能器之間的相對運動進行檢測。在 該實施例中，針在固定位置，并且超聲換能器相對于針移動。根據(jù)另一個實施例，可以使用適合于在超聲圖像中生成穩(wěn)定特征的任何工具代替 針。另外，在另一個實施例中，圖像處理算法通過將各個超聲圖像中的特征進行分割對穩(wěn)定 特征的位置進行定位。圖像分割是指將數(shù)字圖像劃分到多個區(qū)域(或者像素集)的過程。 一個區(qū)域一般對應(yīng)于一個對象。合適工具的示例可以包括球體、立方體、或者可以在超聲圖 像中被精確定位的任何其它工具。此外，圖像處理算法可以跟蹤組織運動和工具運動。本公開的該實施例可以應(yīng)用 于圖像引導(dǎo)的外科手術(shù)領(lǐng)域，特別是需要超聲圖像引導(dǎo)和融合的外科手術(shù)介入領(lǐng)域。至此，將意識到，用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的方法包含對定位器進行配置以(i)跟 蹤超聲換能器在定位器空間內(nèi)的位置和取向并且(ii)跟蹤校準(zhǔn)特征在定位器空間內(nèi)的位 置和取向。提供了適合于傳輸超聲的超聲體積，其中，超聲體積位于定位器空間內(nèi)。校準(zhǔn)特 征置于超聲體積中，并且隨著超聲換能器與校準(zhǔn)特征相對定位和取向的改變，采用超聲探 頭采集超聲體積的一系列超聲圖像。該方法利用圖像處理確定校準(zhǔn)特征在該系列超聲圖像 的每個幀內(nèi)基于圖像的位置和取向。該方法還包括，根據(jù)(i)校準(zhǔn)特征在該系列超聲圖像 內(nèi)基于圖像的位置和取向；(ii)對于該系列超聲圖像的每個所選幀，定位器跟蹤的超聲換 能器的相應(yīng)位置和取向；以及(iii)對于該系列超聲圖像的每個幀，定位器跟蹤的校準(zhǔn)特 征的相應(yīng)位置和取向，來計算跟蹤超聲校準(zhǔn)的變換參數(shù)，其中，該變換參數(shù)將定位器坐標(biāo)空 間與超聲圖像空間進行空間關(guān)聯(lián)。根據(jù)一個實施例，定位器配置用于(i)對超聲換能器在定位器空間內(nèi)的位置和 取向進行跟蹤；以及(ii)對校準(zhǔn)特征在定位器空間內(nèi)的位置和取向進行跟蹤。在一個實施 例中，超聲換能器包括耦合至換能器的跟蹤器，其中，定位器在定位器空間內(nèi)對跟蹤器進行跟蹤。另外，校準(zhǔn)特征包含適合于在超聲圖像中生成至少一個穩(wěn)定特征的任何工具。在另 一個實施例中，校準(zhǔn)特征包含針，其中，圖像處理確定針的頂端在該系列超聲圖像的每個圖 像內(nèi)的位置和取向。根據(jù)另一個實施例，該方法使用適合于傳輸超聲的超聲體積，其中，超聲體積位于 定位器空間內(nèi)。例如，超聲體積可以包括倉，所述倉包含從由膠體和水所組成的組選擇的至 少一種。 在超聲體積內(nèi)放置校準(zhǔn)特征可以包括通過移動校準(zhǔn)特征通過超聲體積在超聲體 積內(nèi)來放置校準(zhǔn)特征。在一個實施例中，移動校準(zhǔn)特征包括使用具有三個平移接頭的機器 手臂來移動校準(zhǔn)特征通過超聲體積。在一個實施例中，隨著超聲換能器和校準(zhǔn)特征相對位置和取向的改變，用超聲探 頭采集超聲體積的一系列超聲圖像的步驟包括其中，該系列超聲圖像包括N個幀，N大于 或者等于3(N>3)。在一個實施例中，超聲圖像包含3D圖像。在另一個實施例中，超聲圖 像包括2D圖像，其中，該方法還包括將校準(zhǔn)特征通過超聲體積的運動限制在2D圖像的成像 平面中。例如，對運動進行限制包括使用將運動限制在2D成像平面的導(dǎo)向件。在另一個實 施例中，通過維持超聲換能器固定同時移動校準(zhǔn)特征通過超聲體積來改變超聲換能器和校 準(zhǔn)特征的相對位置和取向。在另一個實施例中，使用圖像處理來確定校準(zhǔn)特征在該系列超聲圖像的每個幀內(nèi) 基于圖像的位置和取向可以包括通過對超聲圖像的處理以確定校準(zhǔn)特征的圖像位置和圖 像取向來確定對于每個幀校準(zhǔn)特征的基于圖像的位置和取向。該步驟還可以包括其中，確 定校準(zhǔn)特征的圖像位置和圖像取向包括在該系列超聲圖像的每幀圖像中將校準(zhǔn)特征的模 板與校準(zhǔn)特征的當(dāng)前圖像進行匹配。在另一個實施例中，計算跟蹤超聲校準(zhǔn)的變換參數(shù)包括根據(jù)(i)校準(zhǔn)特征在該 系列超聲圖像內(nèi)基于圖像的位置和取向；(ii)對于該系列超聲圖像的每個幀，定位器跟蹤 的超聲換能器的相應(yīng)位置和取向；以及(iii)對于該系列超聲圖像的每個幀，定位器跟蹤 的校準(zhǔn)特征的相應(yīng)位置和取向，來進行計算，其中，變換參數(shù)將定位器坐標(biāo)空間與超聲圖像 空間進行空間關(guān)聯(lián)。計算可以包括使用奇異值分解(SVD)求解變換參數(shù)。另外，計算還可 以包括為每個超聲圖像幀自動計算點對，點對包括(i)校準(zhǔn)特征的可識別部分的基于圖像 的跟蹤點P1以及(ii)超聲換能器的基于定位器的跟蹤點1\。在另一個實施例中，校準(zhǔn)特 征包括針并且針的可識別部分包括針的頂端。在又一個實施例中，將校準(zhǔn)特征的運動配置為連續(xù)運動，其中，該方法還包括通過 參數(shù)化變換對校準(zhǔn)特征的運動進行建模。在該實施例中，使用一個超聲圖像幀的運動參數(shù) 對后續(xù)超聲圖像幀中的校準(zhǔn)特征的運動進行估計。另外，對運動建模包括使用數(shù)值優(yōu)化來 解決在每個單獨的超聲圖像幀的局部圖像配準(zhǔn)問題。另外，本公開的實施例包括診斷超聲成像系統(tǒng)，其配置用于根據(jù)這里所公開的方 法，實現(xiàn)跟蹤超聲的自動校準(zhǔn)。雖然上面僅對一些示例性實施例進行了詳細(xì)描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容 易意識到，對示例性實施例可能進行許多修改，而不本質(zhì)上脫離本公開實施例的新穎教導(dǎo) 內(nèi)容和優(yōu)點。例如，本公開的實施例可以應(yīng)用于與定位器集成在一起的任何超聲掃描儀。因 此，本發(fā)明旨在將所有這些修改包括在隨附權(quán)利要求所限定的本公開實施例的范圍內(nèi)。在權(quán)利要求中，裝置加功能權(quán)項是想要在履行所敘述的功能時覆蓋這里所描述的結(jié)構(gòu)，并且不僅是結(jié)構(gòu)上等同，而且還是等同的結(jié)構(gòu)。 另外，不應(yīng)該將在一個或多個權(quán)利要求中放置在圓括號中的任何參考標(biāo)號理解為 限制權(quán)利要求。單詞“包含”和“包括”等不排除存在除了權(quán)利要求或者說明書中作為整體 所列出的那些元件或者步驟之外的元件或者步驟。對元件的單數(shù)指代不排除對這些元件的 復(fù)數(shù)指代，并且反之亦然?？梢酝ㄟ^包含若干不同元件的硬件的方式以及/或者通過恰當(dāng) 編程的計算機的方式來實現(xiàn)一個或多個實施例。在列出若干裝置的設(shè)備權(quán)利要求中，可以 將這些裝置中的一些以一個并且是同一個硬件項來體現(xiàn)。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中陳 述某些措施的僅有事實并不表示不可以使用這些措施的組合進行改進。
權(quán)利要求
一種用于跟蹤超聲自動校準(zhǔn)的方法，包括對定位器(16)進行配置，以(i)跟蹤超聲換能器(12)在定位器空間(38)內(nèi)的位置和取向并且(ii)跟蹤校準(zhǔn)特征(18)在所述定位器空間內(nèi)的位置和取向；提供適合于傳輸超聲的超聲體積(20)，其中，所述超聲體積位于所述定位器空間內(nèi)；將所述校準(zhǔn)特征(18)置于所述超聲體積(20)中；隨著所述超聲換能器(12)和所述校準(zhǔn)特征(18)的相對定位和取向的改變，采用所述超聲探頭采集所述超聲體積的一系列超聲圖像(52、54、56、58)；利用圖像處理(62、64、66、68)確定所述校準(zhǔn)特征在所述系列超聲圖像的每個幀內(nèi)的基于圖像的位置和取向；以及根據(jù)(i)所述校準(zhǔn)特征(18)在所述系列超聲圖像的每個內(nèi)的基于圖像的位置和取向；(ii)對于所述系列超聲圖像中的每個所選幀(52、54、56、68)，所述定位器跟蹤的超聲換能器(12)的相應(yīng)位置和取向；以及(iii)對于所述系列超聲圖像的每個幀，所述定位器跟蹤的校準(zhǔn)特征(18)的相應(yīng)位置和取向，來計算跟蹤的超聲校準(zhǔn)的變換參數(shù)，其中，所述變換參數(shù)將所述定位器坐標(biāo)空間(L)與所述超聲圖像空間(I)進行空間關(guān)聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述超聲換能器(12)包括耦合至所述換能器的跟 蹤器(14)，并且其中，所述定位器在所述定位器空間內(nèi)跟蹤所述跟蹤器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)特征(18)包括適合于在超聲圖像中生成 至少一個穩(wěn)定特征的任何工具。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)特征(18)還包括針，其中，所述圖像處理 確定所述針的頂端(19)在所述系列超聲圖像的每個圖像內(nèi)的位置和取向。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述超聲體積(20)包括倉，所述倉包含從由膠體和 水組成的組中選擇的至少一種。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述校準(zhǔn)特征(18)置于所述超聲體積(20)中包 括移動所述校準(zhǔn)特征通過所述超聲體積。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，移動所述校準(zhǔn)特征(18)包括使用具有三個平移接 頭的機械手臂來移動所述校準(zhǔn)特征通過所述超聲體積。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述系列超聲圖像包括N個幀，其中，N大于或者等 于3 (N彡3)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述超聲圖像包含3D圖像。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述超聲圖像包含2D圖像，所述方法還包括將所述校準(zhǔn)特征通過所述超聲體積的運動限制在所述2D圖像的成像平面中。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，限制所述運動包括使用將所述運動限制在所述 2D成像平面的引導(dǎo)件。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過維持所述超聲換能器固定而移動所述校準(zhǔn)特 征通過所述超聲體積來改變所述超聲換能器(12)和校準(zhǔn)特征(18)的相對定位和取向。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述校準(zhǔn)特征(18)的所述基于圖像的位置和 取向包括對于每個幀(52、54、56、58)對所述超聲圖像進行處理，以確定所述校準(zhǔn)特征的圖 像位置和圖像取向。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述校準(zhǔn)特征的圖像位置和圖像取向還包括將所述校準(zhǔn)特征的模板(62、64、66、68)與所述系列超聲圖像的每幀圖像中的所述校準(zhǔn)特 征的當(dāng)前圖像進行匹配。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，計算包括使用奇異值分解(SVD)來求解所述變換參數(shù)。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，計算還包括自動計算對于每個超聲圖像幀的點 對，所述點對包括(i)所述校準(zhǔn)特征的可識別部分的基于圖像的跟蹤點h以及(ii)所述 超聲換能器的基于定位器的跟蹤點&。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)特征(18)包含針，并且所述針的可識別 部分包括所述針的頂端(19)。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述校準(zhǔn)特征(18)的運動是連續(xù)的，所述方法還 包括通過參數(shù)化變換對所述校準(zhǔn)特征的所述運動建模，其中，使用一個超聲圖像幀的運動 參數(shù)來估計后續(xù)超聲圖像幀中所述校準(zhǔn)特征的運動。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，對所述運動建模包括使用數(shù)值優(yōu)化解決在每個 單獨的超聲圖像幀的局部圖像配準(zhǔn)問題。
20.一種診斷超聲成像系統(tǒng)(10)，其配置用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法實現(xiàn)跟蹤超 聲的自動校準(zhǔn)。
全文摘要
采用空間定位器(16)跟蹤超聲換能器或者探頭(12)的系統(tǒng)和方法以對早期系統(tǒng)所需最小的硬件附加實現(xiàn)自動校準(zhǔn)?；趫D像的跟蹤算法對圖像空間(I)中的控制點進行定位。隨后，可以為超聲校準(zhǔn)使用無限數(shù)目的點，其允許高校準(zhǔn)精度。所提出的校準(zhǔn)系統(tǒng)(10)是簡單和低成本的。校準(zhǔn)是快速的并且可以自動執(zhí)行。
文檔編號G01S7/52GK101861526SQ200880116124
公開日2010年10月13日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者J·克呂克爾, S·徐 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司