專利名稱：超聲三維快速成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像方法與裝置，尤其是涉及一種超聲三維成 像方法與裝置。
背景技術(shù)：
超聲三維成像現(xiàn)在最普遍的應(yīng)用是在產(chǎn)科對(duì)于胎兒的成像，臨 床上可以直觀的觀察肚中胎兒是否有裂唇、臍帶繞脖等現(xiàn)象。另外， 還可以用于觀察膽嚢、膀胱等部位的成像。這類(lèi)三維成像的特點(diǎn)是 成像組織運(yùn)動(dòng)相對(duì)較慢，對(duì)時(shí)間分辨率要求不高。這類(lèi)組織可以直
接使用普通的1D探頭使用自由臂掃描或者使用機(jī)械探頭由馬達(dá)帶動(dòng) 探頭掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，使用機(jī)械探頭的成像速度一般是在2-4幀/秒。 高級(jí)的超聲三維成像主要是2D探頭的高速三維成像，這類(lèi)成像主要 針對(duì)心臟這類(lèi)高速運(yùn)動(dòng)的組織器官。由于使用的是2D探頭可以高速 獲得所需數(shù)據(jù)，因此可以達(dá)到很高的時(shí)間分辨率， 一般可以達(dá)到20 幀/秒。
三維成像技術(shù)主要包括三個(gè)部分， 一是數(shù)據(jù)的采集，二是數(shù)據(jù) 處理，三是成像方法。
數(shù)據(jù)的采集主要是如何得到三維成像所需的體積數(shù)據(jù)，使用自 由臂為例，體積數(shù)據(jù)就是1D探頭沿著與探頭厚度方向(Elevation Direction)勻速運(yùn)動(dòng)掃描得到的序列圖像數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)包含了 探頭掃過(guò)部分的三維信息，從而可以用于三維成像。機(jī)械探頭使用 的是由馬達(dá)帶動(dòng)探頭繞著某一支軸扇掃的方式獲得所需要的體積數(shù) 據(jù)。數(shù)據(jù)采集得到的是一系列的掃描線數(shù)據(jù)，也可以看作是一系列 坐標(biāo)變換前的圖像序列。這些數(shù)據(jù)的每個(gè)點(diǎn)都代表了所掃的三維空 間上的某個(gè)點(diǎn)，稱為體素(Voxel)。
9數(shù)據(jù)處理是在成像前對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理的過(guò)程， 一般包括了重 構(gòu)過(guò)程。主要是將得到的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)數(shù)據(jù)，從而對(duì) 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到與真實(shí)空間 一致的體數(shù)據(jù)。這時(shí)體素 的相對(duì)位置與真實(shí)空間 一致。
有了體數(shù)據(jù)， 一般的成像方法使用的是光線跟蹤方法。通過(guò)在 虛擬的三維空間中添加視點(diǎn)，視平面以及體數(shù)據(jù)，使用視點(diǎn)與視平 面上的像素的連線作為光線方向?qū)w數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。對(duì)于重采樣 的數(shù)據(jù)，使用光線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)合得到一個(gè)結(jié)果值，該值就是對(duì) 應(yīng)的視平面像素的灰度。當(dāng)所有的像素位置都得到了結(jié)果值，那么 也就完成了 一次對(duì)體數(shù)據(jù)的成Y象。
受讓人為 Aloka , 名稱為 "Ultrasound image processing apparatus and method of forming and displaying ultrasound images by the apparatus",專利號(hào)為5911691的美國(guó)專利詳細(xì)介紹 了使用光線跟蹤的方法進(jìn)行三維成像。
如圖1所示，在數(shù)據(jù)采集方面，該專利提出按照視點(diǎn)位置進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集。對(duì)于ID的機(jī)械探頭而言就是探頭旋轉(zhuǎn)的半徑與探頭半徑 一致，那么得到的掃描線方向延長(zhǎng)線就會(huì)聚集在同一個(gè)點(diǎn)。將該點(diǎn) 作為視點(diǎn)，那么光線的方向就會(huì)與掃描線方向一致。也就是說(shuō)，每 條掃描線就可以對(duì)應(yīng)一條視點(diǎn)與視平面像素的連線，這樣的設(shè)計(jì)將 大大降低運(yùn)算量，因?yàn)?br> a) 不需要進(jìn)行重構(gòu)；
b) 不需要對(duì)一個(gè)三維的數(shù)據(jù)按照光線方向計(jì)算入射點(diǎn)等參數(shù)以 及重采樣操作。
有了體數(shù)據(jù)，該專利的成像方法是常規(guī)的光線跟蹤方法。不同 的是，它只需要對(duì)于每一條掃描線進(jìn)行計(jì)算就可以得到結(jié)果圖像。 如圖2所示，立方體代表了某條光線(在該專利就是掃描線)上的 體素，平行四邊形代表了視平面，就是結(jié)果圖像，該光線上的數(shù)據(jù) 合成得到的像素是P(x,y)。數(shù)據(jù)合成使用的是一個(gè)迭代的過(guò)程，該過(guò)程模擬了光線穿透不同的介質(zhì)(介質(zhì)屬性使用數(shù)據(jù)點(diǎn)值描述)被吸 收以及穿透的過(guò)程。每個(gè)體素根據(jù)其灰度的不同會(huì)有一個(gè)不透明度，
一般是正比于灰度值的單調(diào)曲線。不透明度標(biāo)記為ai,體素灰度標(biāo)記 為eia數(shù)據(jù)合成步驟為
i) 對(duì)于第一個(gè)體素1=1(^=0;
ii) C0UTi = (l-ai)*CINi + a^e" i=i+l， CINi = C,h;
iv) 如果§>,=1或者i超出了體素范圍，則輸出C^i;否則，
跳到ii)。
該技術(shù)方案的 一個(gè)問(wèn)題是與探頭相關(guān)，因?yàn)槠淝疤釛l件是視點(diǎn)、 探頭旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)、探頭原點(diǎn)一致，這就要求使用的是二維探頭或者使 用特別設(shè)計(jì)的機(jī)械探頭。這是限制該技術(shù)的一個(gè)問(wèn)題。另外， 一旦
視點(diǎn)固定，也就是說(shuō)無(wú)法進(jìn)行^:大縮小旋轉(zhuǎn)的操作，因?yàn)檫@些都使
得光線與掃描線方向不一致，從而無(wú)法達(dá)到本專利的一個(gè)關(guān)鍵-降 低計(jì)算量的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服現(xiàn)有方法的這些缺點(diǎn)，提供一種針對(duì) 常規(guī)的機(jī)械探頭的三維成像方法與裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲三維的快速而 準(zhǔn)確的成像。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。
按照本發(fā)明的第一方面，才是供一種超聲三維快速成像方法，包
括采集步驟，用于使用機(jī)械超聲探頭掃描和采集極坐標(biāo)形式的體 數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；平滑步驟，用于對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑 處理；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從 直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存了極坐標(biāo)
點(diǎn)(W/^a,/^)對(duì)應(yīng)的(pl,p2,p3)，其中<formula>formula see original document page 11</formula>
投射步驟，用于確定采樣的起始點(diǎn)并給灰度、不透明度賦初始值， 通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查表步驟，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)，并且插值計(jì)算采樣點(diǎn)的灰度值；合成步 驟，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算該采樣點(diǎn)的梯 度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，以及基于該內(nèi) 積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度，對(duì)于不滿足合成條件的情況， 則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于如果到了預(yù)定的結(jié)束條件， 則輸出當(dāng)前累積的灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返 回到投射步驟。
按照本發(fā)明的第二方面，還是提供一種超聲三維快速成像方法， 包括采集步驟，用于使用機(jī)械超聲探頭掃描和采集極坐標(biāo)形式的 體數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯 度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系， 其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)0"Aeto,;^)對(duì)應(yīng)的(Pl,p2,p3)，其中
G=(pl,p2,p3)=f^，~^~,!);投射步驟，用于確定采樣的起始點(diǎn)
并給灰度、不透聽(tīng)度賦初始值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)； 查表步驟，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)；平滑步 驟，用于對(duì)采樣點(diǎn)的體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以獲取體數(shù)據(jù)在采樣點(diǎn) 坐標(biāo)位置的平滑數(shù)據(jù)；合成步驟，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值， 查梯度表計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位 向量?jī)?nèi)積，以及基于該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度，對(duì) 于不滿足合成條件的情況，則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于 如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則車(chē)命出當(dāng)前累積的灰度作為結(jié)果圖像對(duì) 應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射步驟。
可選地是，按照本發(fā)明第 一方面或第二方面的超聲三維快速成 像方法還包括截取步驟，用于通過(guò)界面設(shè)置感興趣區(qū)域，并從體 數(shù)據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并對(duì)所截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行平 滑步驟以及后續(xù)步驟的處理。
優(yōu)選地是，其中所述平滑處理為均值濾波或中值濾波處理，所述平滑處理是選擇當(dāng)前點(diǎn)各個(gè)方向中最均勻的方向進(jìn)行平滑。
其中在所述重構(gòu)表中，所述直角坐標(biāo)系(X,乂Z)到極坐標(biāo)系
0^/ eto，p/^)的變換關(guān)系為
= tan-1 (z / >>).
Aeto = tan一1 (;c /(pr — # + 其中所述重構(gòu)表包括(/，z)與(y ',/7力力的對(duì)應(yīng)表，以及Cr， W)與 (r, Me")的對(duì)應(yīng)表。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃 描角度發(fā)生變化時(shí)，則重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的 重構(gòu)表。所述查表步驟為通過(guò)/和z坐標(biāo)查表得到,和然后 通過(guò)W和x坐標(biāo)查表得到r和坐標(biāo)。
所述查梯度表計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度為，將直角坐標(biāo)點(diǎn)PCr,/，z)變 換為極坐標(biāo)點(diǎn)(r, Me", p力/)，通過(guò)(r,p力/)查梯度表得到 (pl,p2,p3),使用(pl,p2，p3)作為三個(gè)坐標(biāo)軸的步長(zhǎng)，按照下式計(jì) 算梯度6^《
GW = (O, G說(shuō)她，G盧)
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中《因子用于控制步長(zhǎng)，可以選擇為2。
其中給灰度和不透明度所賦的初始值為0。按照下式計(jì)算累積的 灰度/。 (和累積的不透明度《。 ,:
其中4和L為累積的灰度，《, 和"。 ,為累積的不透明度，c,.和a,.為當(dāng) 前光線經(jīng)過(guò)的像素點(diǎn)灰度及不透明度，以及 ;為梯度單位向量與光線方向單4立向量?jī)?nèi)積。
所述合成條件是針對(duì)當(dāng)前采樣點(diǎn)的灰度而設(shè)置的 一 個(gè)閾值，如
果灰度低于該閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲，于是不對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行合成； 根據(jù)不同的機(jī)器噪聲水平取該閾值為30。
其中所述結(jié)束條件設(shè)置為滿足如下條件之一
a) 。 ,<K,其中K《l;
b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點(diǎn)。
按照本發(fā)明的第三方面，^:供一種超聲三維快速成像裝置，包 括采集模塊，用于掃描和采集極坐標(biāo)形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體 數(shù)據(jù)緩存中；平滑模塊，用于對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；構(gòu)建模塊， 用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到 極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)(r， Me&,/7力/)對(duì)
應(yīng)的(pl,p2，p3)，其中G-(pl，p2,p3)-f！,！,！^投射模塊，
、艦加3/ /u.」
用于確定采樣的起始點(diǎn)并給灰度、不透明度賦初始值，通過(guò)投射獲
得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查表模塊，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表 得到其極坐標(biāo)，并且插值計(jì)算采樣點(diǎn)的灰度值；合成模塊，用于對(duì) 于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算該采樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算 梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，以及基于該內(nèi)積計(jì)算累積 的灰度和累積的不透明度，對(duì)于不滿足合成條件的情況，則返回投 射步驟；以及輸出模塊，用于如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng) 前累積的灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射 模塊。
按照本發(fā)明的第四方面，還是提供一種超聲三維快速成像裝置， 包括采集模塊，用于掃描和采集極坐標(biāo)形式的體數(shù)據(jù)，并保存在 體數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表 保存了從直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存 了極坐標(biāo)點(diǎn) (r, Me"，p力力對(duì)應(yīng)的 (pl，p2，p3)，其中G"pl，p2，p3)^^,^^,!);投射模塊，用于確定采樣的起始點(diǎn)
、她加3盧:
并給灰度、不透明度賦初始值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)； 查表模塊，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)；平滑模 塊，用于對(duì)采樣點(diǎn)的體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以獲取體數(shù)據(jù)在采樣點(diǎn) 坐標(biāo)位置的平滑數(shù)據(jù);合成模塊，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值， 查梯度表計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位 向量?jī)?nèi)積，以及基于該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度，對(duì) 于不滿足合成條件的情況，則返回投射步驟；以及輸出模塊，用于 如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng)前累積的灰度作為結(jié)果圖像對(duì) 應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。
可選地是，按照本發(fā)明第三方面或第四方面的超聲三維快速成 像裝置還包括截取模塊，用于通過(guò)界面設(shè)置感興趣區(qū)域，并從體 數(shù)據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并將所截取的數(shù)據(jù)傳輸給 平滑模塊以及后續(xù)模塊進(jìn)行處理。
優(yōu)選地是，所述平滑模塊對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波或中值濾波處 理，所述平滑模塊選擇當(dāng)前點(diǎn)各個(gè)方向中最均勻的方向進(jìn)行平滑處 理。
在所構(gòu)建的重構(gòu)表中，所述直角坐標(biāo)系(X,乂2)到極坐標(biāo)系
C Aeto,; /2/)的變換關(guān)系為
/ /u' = tan一1 (z / _y).
r—^fl-pr- V(/"" -+ ")2 + - , = tarT1 (jc /(pr
其中所述重構(gòu)表包括(/,》與W'，/ 力/)的對(duì)應(yīng)表，以及Cr， yr)與
(r, Me")的對(duì)應(yīng)表。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度發(fā)生變化時(shí)，則重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的 重構(gòu)表。所述查表模塊通過(guò)/和z坐標(biāo)查表得到F和p力/，然后通過(guò) F和x坐標(biāo)查表得到r和坐標(biāo)。
所述合成模塊將直角坐標(biāo)點(diǎn)P0r,/,z)變換為極坐標(biāo)點(diǎn) (r， f力e"， ，通過(guò)(r， ; 力/)查梯度表得到(pl， p2， p3)，使
用(pl, p2， p3)作為三個(gè)坐標(biāo)軸的步長(zhǎng)，按照下式計(jì)算梯度
二 (F(r +《，pi, &&a， p/u') — K(r —《.； l， A她,
A咖+《 p2， p/u') — W加 一 纟.p2， r(r, ^ze/fl， ； /z/ +《 />3) — r(r， A加，—《，p3))
其中《因子用于控制步長(zhǎng)，可以選擇為2。
其中所述投射模塊給灰度和不透明度所賦的初始值為0。所述合
成模塊按照下式計(jì)算累積的灰度/。 ,和累積的不透明度:
其中4和L為累積的灰度， 和a。",為累積的不透明度，C,.和a,.為當(dāng) 前光線經(jīng)過(guò)的像素點(diǎn)灰度及不透明度，以及7]為梯度單位向量與光線 方向單位向量?jī)?nèi)積。
所述合成條件是針對(duì)當(dāng)前采樣點(diǎn)的灰度而設(shè)置的 一 個(gè)閾值，如 果灰度低于該閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲，于是不對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行合成； 根據(jù)不同的機(jī)器噪聲水平取該閾值為30。
其中所述結(jié)束條件設(shè)置為滿足如下條件之一
a) "。w〈K,其中K《1;
b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點(diǎn)。
本發(fā)明通過(guò)預(yù)處理以及構(gòu)建重構(gòu)表與梯度表，對(duì)于需要計(jì)算的 點(diǎn)才進(jìn)行變換獲取，這樣可以避免大量的不必要的重構(gòu)計(jì)算。與現(xiàn) 有技術(shù)相比，本發(fā)明更加符合一般的情況，因?yàn)楹茈y有探頭的旋轉(zhuǎn) 半徑與探頭半徑一致。


圖1~圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的體數(shù)據(jù)采集和光線跟蹤方法的示意
圖4是按照本發(fā)明的超聲前端采集數(shù)據(jù)流程圖5是按照本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖6是說(shuō)明當(dāng)前點(diǎn)的四個(gè)方向dl-d4的示意圖7是極坐標(biāo)系下的體數(shù)椐；
圖8是直角坐標(biāo)系下的體數(shù)據(jù)；
圖9是兩個(gè)平面的圖像，其中(a)為YZ平面，(b)為RZ平面與 常規(guī)B圖平面一致；
圖10是通過(guò)結(jié)果圖像與視點(diǎn)0v的光線在體數(shù)據(jù)上重采樣； 圖ll是按照本發(fā)明的光線才更射流程圖12是按照本發(fā)明的光線合成方法，4和L'為累積值，"i"，"。"'
為累積的不透明度，C,，",'為當(dāng)前光線經(jīng)過(guò)的像素點(diǎn)灰度及不透明度； 圖13是按照本發(fā)明的超聲三維快速成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖14是按照本發(fā)明的另外一種光線投射流程圖； 圖15是按照本發(fā)明的另外一種超聲三維快速成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
圖4所示為超聲前端體數(shù)據(jù)采集流程圖，探頭為機(jī)械探頭，探頭 在馬達(dá)的帶動(dòng)下以 一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描?？刂破骺刂瓢l(fā)射部分 進(jìn)行脈沖發(fā)射，同時(shí)也控制探頭按照一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所有陣 元進(jìn)行脈沖發(fā)射后，T/R轉(zhuǎn)換進(jìn)行切換進(jìn)入接收狀態(tài)。所有接收通道 的數(shù)據(jù)傳到接收部分進(jìn)行波速合成以得到掃描線射頻數(shù)據(jù)，射頻數(shù) 據(jù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)部分進(jìn)行解調(diào)，二次采樣等步驟后得到了 一條掃描線數(shù) 據(jù)。掃描線數(shù)據(jù)被保存在體數(shù)據(jù)緩存中，這些掃描線是以極坐標(biāo)的 形式進(jìn)行保存的；當(dāng)機(jī)械探頭按照指定角度掃描過(guò)后，得到的就是 沖及坐標(biāo)形式的體數(shù)據(jù)，這時(shí)可以進(jìn)入后面的處理過(guò)程。圖5所示為數(shù)據(jù)處理流程。對(duì)于體數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)，并不是所 有的數(shù)據(jù)都會(huì)用于三維成像。這時(shí)因?yàn)閷?duì)于超聲三維而言，只對(duì)感
興趣區(qū)域(ROI)進(jìn)行成像可以避免有用的數(shù)據(jù)被掩蓋。用戶通過(guò)界面 設(shè)置感興趣區(qū)域，從體數(shù)據(jù)緩存中截取ROI部分?jǐn)?shù)據(jù)。
由于超聲的特性，聲波與聲波之間的互相作用會(huì)使得獲得的數(shù) 據(jù)圖像中有許多的斑點(diǎn)(Speckle)，這些斑點(diǎn)的存在會(huì)導(dǎo)致粗糙的物 體邊界從而影響成像的光滑性以及細(xì)膩性。為了得到更好的圖像， 本技術(shù)方案在獲取ROI數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的一個(gè)目的 就是平滑數(shù)據(jù)中的物體邊界，取出斑點(diǎn)以及噪聲。預(yù)處理可以有許 多的方法，包括均值濾波、中值濾波等等。我們方案中使用了方向 性的平滑方法，其基本思想是選擇當(dāng)前點(diǎn)各個(gè)方向中最均勻的方向 進(jìn)行平滑，這樣的好處在于在平滑邊界的同時(shí)不會(huì)降低邊界的對(duì)比 度。其中每個(gè)點(diǎn)的最均勻方向可以是圖6所示的當(dāng)前點(diǎn)的四個(gè)方向 dl-d4中偏差最小的那個(gè)方向，通常是通過(guò)計(jì)算每個(gè)方向方差，最均 勻方向就是方差最小的那個(gè)方向。
構(gòu)建由控制器控制的查找表模塊，查找表包括重構(gòu)表和梯度表。 重構(gòu)表保存了從直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(A/,z)到極坐標(biāo)系(r， "e",^/) 之間的變換關(guān)系。圖7為極坐標(biāo)系下的體數(shù)據(jù)，A-Me"坐標(biāo)系描述 了正常的B圖的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，R為深度方向，Me"為掃描線角度位置； p力/描述了探頭在馬達(dá)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)的角度。圖8為重構(gòu)后直角坐標(biāo)系 下的體數(shù)據(jù)，O，點(diǎn)表示探頭半徑原點(diǎn)，O點(diǎn)表示XYZ坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X 軸與旋轉(zhuǎn)探頭的支柱方向一致。探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)就是以O(shè)X軸為支軸，垂 直于YZ平面運(yùn)動(dòng)的。我們使用圖9描述兩個(gè)極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，圖 中假設(shè)P y，力為直角坐標(biāo)系下的 一點(diǎn)，假設(shè)扇掃半徑長(zhǎng)度為f r ， 探頭半徑為pr;圖中(a)為探頭旋轉(zhuǎn)面的切面圖，(b)為對(duì)應(yīng)常規(guī)B圖 的切面圖。從圖中的(a)可以得到P點(diǎn)在(b)中的XR平面投影坐標(biāo)為Cr, W),從而得到
<formula>formula see original document page 19</formula>從上面公式我們可以得到O,/, z)直角坐標(biāo)系到(r, f力e"p力/) 極坐標(biāo)系的變換，在常規(guī)的重構(gòu)中需要將整個(gè)直角坐標(biāo)系下的體數(shù) 據(jù)重構(gòu)出來(lái)。但是，實(shí)際上，在使用光線跟蹤的時(shí)候需要使用到的 數(shù)據(jù)是非常少的。因此，我們通過(guò)保存重構(gòu)表來(lái)保存對(duì)應(yīng)關(guān)系。重 構(gòu)表包括z)與W'， P力/)的對(duì)應(yīng)表，d 與(r， Me&)的對(duì)應(yīng)表。 在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要將R，坐標(biāo)進(jìn)行離散化，這樣才能在兩個(gè)重 構(gòu)表中對(duì)應(yīng)，例如，使用3位保留小數(shù)點(diǎn)，這樣就可以使R，的精度 達(dá)到0.125。但光線跟蹤需要應(yīng)用到直角坐標(biāo)系上的某個(gè)點(diǎn)時(shí)，可以 先通過(guò)/和z坐標(biāo)查表得到,和然后通過(guò)vT和^坐標(biāo)查表得到 r和坐標(biāo)，從而通過(guò)(r, f力e&,在極坐標(biāo)體數(shù)據(jù)中插值得 到所需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)。
除了重構(gòu)表，我們也構(gòu)造了梯度表。在后面的光線跟蹤算法中， 光線合成的時(shí)候我們使用了點(diǎn)的梯度。由于求某個(gè)點(diǎn)的梯度需要在 直角坐標(biāo)系下進(jìn)行，從而需要查表許多的點(diǎn)。假設(shè)計(jì)算一個(gè)點(diǎn)梯度 需要用到6個(gè)點(diǎn)(當(dāng)前點(diǎn)相鄰的點(diǎn))，那么需要查表6次，而且每個(gè) 點(diǎn)需要在極坐標(biāo)使用8個(gè)點(diǎn)進(jìn)4亍插值，從而，計(jì)算一個(gè)梯度點(diǎn)需要 用到的極坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)是48個(gè)點(diǎn)。本發(fā)明使用了查表方法計(jì)算近似梯度。 使用與推導(dǎo)重構(gòu)相反的方法，可以得到對(duì)于極坐標(biāo)點(diǎn) (r， f力e,s， :
對(duì)它們進(jìn)行求導(dǎo)
<formula>formula see original document page 19</formula>對(duì)于每個(gè) (r， Me&,如/) 有 這個(gè)偏導(dǎo)向量近似了在當(dāng)前極坐標(biāo)位置變換到直角坐標(biāo)系下時(shí)的^立伸關(guān)系，我們可以將它們看作在該 (X， Z)位置下，直角坐標(biāo)系行進(jìn)一步對(duì)應(yīng)在極坐標(biāo)系下的方向與距 離。因此，我們構(gòu)建對(duì)應(yīng)每個(gè)極坐標(biāo)系點(diǎn)的梯度表以保存對(duì)應(yīng)的
(pl，p2,p3),當(dāng)需要計(jì)算直角坐標(biāo)系下一點(diǎn)PCr，/，》的梯度時(shí)，將
P坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)(r, Me", 。通過(guò)(r， Me"， p力/)查梯度表得
到(pl，p2，p3),使用(pl，p2，p3)作為三個(gè)坐標(biāo)軸的步長(zhǎng)計(jì)算梯度。
假設(shè)極坐標(biāo)體數(shù)據(jù)為V，那么梯度f(wàn)o^d可以計(jì)算如下 Grad ■■— (O， GVAeto， Q /u')
=(F(r +《 pi, A咖,盧)—F(r —《 // eto,盧')， F(r， +《 / 2，盧)—r(。幼e/a -《 / 2，盧)， A加，盧+《 ； 3) - F(r， —《./ 3))
其中《因子用于控制步長(zhǎng)，可以選擇為2。
重構(gòu)表并不是對(duì)于每個(gè)新掃描的體數(shù)據(jù)都需妻重新建立。只要 旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度等構(gòu)建重構(gòu)表需要 的因素不發(fā)生變化，那么這個(gè)表是可以一直使用。當(dāng)這些因素發(fā)生 變化時(shí)，控制器控制建表模塊重新按照新的環(huán)境建表。實(shí)際上，對(duì) 于新的重構(gòu)環(huán)境， 一般參數(shù)變化并不大，因此可以通過(guò)已有的重構(gòu) 表來(lái)加快建新表的速度。例如如果只是旋轉(zhuǎn)角度的變化，那么實(shí) 際上已有的重構(gòu)表以及梯度表是可以重用的，因?yàn)榭梢灾挥?jì)算多出 來(lái)的重構(gòu)部分(旋轉(zhuǎn)角度變大情況)或者刪除多余的變換部分(旋轉(zhuǎn) 角度變小情況)。也就是說(shuō)，通過(guò)已有的(某個(gè)角度的)重構(gòu)表來(lái)加 快需要的(新角度的)重構(gòu)表的構(gòu)造。例如，如果舊角度是50度，新 角度是40度，那么可以考慮直接使用舊的重構(gòu)表插值得到新的重構(gòu) 表。如果幀間角度發(fā)生變化，那么就需要重新建表，這個(gè)時(shí)候可以 通過(guò)在現(xiàn)有表的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值得到需要的重構(gòu)表，這樣可以不需 要進(jìn)行三角函數(shù)變換等的計(jì)算。
三維成像模塊使用了光線跟蹤的方法。如圖10所示，假設(shè)0v 為視點(diǎn)，P為結(jié)果圖像上一點(diǎn)，為了計(jì)算P的結(jié)果值，使用視點(diǎn)與P 點(diǎn)的連線作為光線方向。該光線穿過(guò)體數(shù)據(jù)，并對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣得到Rl ~ RN點(diǎn)。通過(guò)對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行光線合成，從而得到P點(diǎn)的值。 對(duì)于每個(gè)體數(shù)據(jù)值而言，均可以有一個(gè)不透明度a， 《是灰度的
正比單調(diào)函數(shù)，取值可以是線性函數(shù)。
如圖11和圖12所示，可以知道光線投射流程具體步驟可以描
述如下
1 )初始值/," = 0, a,n - 0, i=l;
2 )根據(jù)采樣點(diǎn)Ri的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)； 3)插值得到Ri的灰度值Ci;
4 )查表并計(jì)算該點(diǎn)的梯度^ra《
5)計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積Ti;
6 )計(jì)算累積的灰度Iout以及、:
8)如果到了結(jié)束條件，那么輸出當(dāng)前的/。w作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng) 像素的結(jié)果值，否則i=i+l，并且跳到2)。
其中圖11中的合成條件是指，針對(duì)當(dāng)前采樣點(diǎn)的灰度而設(shè)置的 一個(gè)閾值。如果灰度低于該閾值，那么我們認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲，于是 流程將不會(huì)對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行合成。才艮據(jù)不同的機(jī)器噪聲水平不一致，我 們一般取該閾值為30。
其中結(jié)束條件設(shè)置為滿足如下條件中的 一條
a) 。 ,<K, K為累積的不透明度，實(shí)際上累計(jì)不透明度到了 1就 說(shuō)明后面的重采樣點(diǎn)已經(jīng)完全^皮前面的點(diǎn)遮蓋了，選擇K<1是為了 使得到的灰度僅僅是由表面的值的合成，不希望組織內(nèi)部的點(diǎn)也顯 示出來(lái)，并且可以減少光線投射結(jié)束的時(shí)間；
b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)結(jié)果圖像的像素點(diǎn)，發(fā)射光線計(jì)算光線合成的結(jié)果灰 度，從而得到結(jié)果灰度圖像。
按照本發(fā)明的超聲三維快速成像裝置的結(jié)構(gòu)如圖13所示，包括 采集模塊、截取模塊、平滑模塊、構(gòu)建模塊、投射模塊、查表模塊、 合成模塊和輸出模塊。其中采集模塊用于掃描和采集極坐標(biāo)形式的 體數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；截取模塊是可選的，其用于通過(guò) 界面設(shè)置感興趣區(qū)域，并從體^t據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù) 據(jù)，并將所截取的數(shù)據(jù)傳輸給平滑模塊以及后續(xù)模塊進(jìn)行處理；平 滑模塊用于對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；構(gòu)建模塊用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯 度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系， 其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)(r， Me",p力/)對(duì)應(yīng)的(pl，p2,p3)，其中
G= (pl， p2， p3) =f:^,_^_，！)；投射模塊用于確定采樣的起始點(diǎn)并
、& 艦加3/ /n'J
給灰度、不透明度賦初始值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查 表模塊用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)，并且插值計(jì) 算采樣點(diǎn)的灰度值，滿足合成條件的采樣點(diǎn)在合成模塊中被進(jìn)行合 成，而灰度值不滿足合成條件的采樣點(diǎn)則返回到投射模塊重新進(jìn)行 采樣；合成模塊用于對(duì)滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算該采 樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，基于 該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度；以及輸出模塊用于如果 到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng)前累積的灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像 素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。其中結(jié)束條件只是針對(duì)某條 射線的結(jié)束，輸出為結(jié)果圖象的一個(gè)象素。因此，進(jìn)行若干次投射 才能形成一幀結(jié)果3D圖象進(jìn)行輸出。如圖14所示，可以看到，許 多步驟都會(huì)去到投射模塊。構(gòu)建模塊后進(jìn)入投射模塊，開(kāi)始進(jìn)行投 射，不滿足合成條件以及不滿足結(jié)束條件均進(jìn)入投射模塊是為了選 擇下一個(gè)采樣點(diǎn)，輸出模塊輸出投射線合成的象素灰度后，如果還 有象素沒(méi)有進(jìn)行投射，那么仍然轉(zhuǎn)入投射模塊進(jìn)行下一個(gè)象素的投射采樣。
另外，本發(fā)明的平滑處理同樣可以在后面光線合成的時(shí)候進(jìn)行， 也就是對(duì)于所采樣的需要的點(diǎn)才實(shí)時(shí)計(jì)算平滑處理的結(jié)果值，這樣 可以減少計(jì)算量，同時(shí)也可以達(dá)到近似效果。將平滑處理放在后面
光線合成時(shí)進(jìn)行的光線投射流程圖如圖14所示，其他處理步驟與上 文所述步驟相同。將平滑處理》丈在后面光線合成時(shí)進(jìn)行的超聲三維 快速成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示，該裝置的其他結(jié)構(gòu)與上文所 述結(jié)構(gòu)相同。
以上通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于此。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對(duì)本發(fā)明做的許多修改、變換、 等同替換等。但是，只要這些修改、變換、等同替換等未背離本發(fā) 明的精神和范圍，都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超聲三維快速成像方法，其特征在于，包括采集步驟，用于使用機(jī)械超聲探頭掃描和采集極坐標(biāo)形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；平滑步驟，用于對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)(r，theta，phi)對(duì)應(yīng)的(p1，p2，p3)，其中<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>X</mi></mrow><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>r</mi></mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>Y</mi></mrow><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>theta</mi></mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>Z</mi></mrow><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>phi</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2007101031180002C1.tif" wi="65" he="11" top= "81" left = "99" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>投射步驟，用于確定采樣的起始點(diǎn)并給灰度、不透明度賦初始值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查表步驟，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)，并且插值計(jì)算采樣點(diǎn)的灰度值；合成步驟，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，以及基于該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度；對(duì)于不滿足合成條件的情況，則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng)前累積的灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射步驟。
2.—種超聲三維快速成像方法，其特征在于，包括采集步驟，用于使用機(jī)械超聲探頭掃描和采集極坐標(biāo)形式的體 數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直 角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)(,'麵盧)對(duì)應(yīng)的(pi，p2，p3)，其中G,，p2井〔蕓,^襲投射步驟，用于確定采樣的起始點(diǎn)并給灰度、不透明度賦初始 值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查表步驟，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)；平滑步驟，用于對(duì)采樣點(diǎn)的體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以獲取體數(shù) 據(jù)在采樣點(diǎn)坐標(biāo)位置的平滑數(shù)據(jù)；合成步驟，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算采 樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，以及 基于該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度；對(duì)于不滿足合成條 件的情況，則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng)前累積的 灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射步驟。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，還包括截取步驟，用于通過(guò)界面設(shè)置感興趣區(qū)域，并從體數(shù) 據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并對(duì)所截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑 步驟以及后續(xù)步驟的處理。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于所述平滑處理為均值濾波或中值濾波處理。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于所述平滑處理是選擇當(dāng)前點(diǎn)各個(gè)方向中最均勻的方向進(jìn)行平滑。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，在所述重構(gòu)表中所述直角坐標(biāo)系(x,乂z)到極坐標(biāo)系(^/zeto,p/n')的 變換關(guān)系為<formula>formula see original document page 3</formula>其中所述重構(gòu)表包括(/,為與(r,p力/)的對(duì)應(yīng)表，以及(Z， 7 ，)與 (r, Me")的對(duì)應(yīng)表。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在于 當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度發(fā)生變化時(shí)，則 重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的重構(gòu)表。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，所述查表步驟為通過(guò)7和^坐標(biāo)查表得到W和P力7，然后通過(guò) F和z坐標(biāo)查表得到r和坐標(biāo)。
9. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，所述查梯度表計(jì)算采樣點(diǎn)的梯度為，將直角坐標(biāo)點(diǎn)P",/,z)變 換為極坐標(biāo)點(diǎn)(r, Me&， p力/)，通過(guò)(r, Me "， 查梯度表得到 (pl,p2，p3),使用(pl，p2，p3)作為三個(gè)坐標(biāo)軸的步長(zhǎng)，按照下式計(jì) 算梯度f(wàn)o^《=(F(/" +《 pi, — F(r —《.F(r， +《 p2, p/n') - F(r， -《 _p2,盧')，卩O, A加，+《./ 3) - 盧—《.p3))其中《因子用于控制步長(zhǎng)，可選擇《為2。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在于給灰度和不透明度所賦的初始值為0。
11. 如權(quán)利要求1或2所迷的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，按照下式計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度:L =4+(1-a加，=","'(1 —", ); 其中/, 和/。 ,為累積的灰度，《, 和"。 ,為累積的不透明度，C,.和a,.為當(dāng) 前光線經(jīng)過(guò)的像素點(diǎn)灰度及不透明度，以及f為梯度單位向量與光線 方向單4立向量?jī)?nèi)積。
12. 如權(quán)利要求1或2所迷的超聲三維快速成像方法，其特征在 于所述合成條件是針對(duì)當(dāng)前采樣點(diǎn)的灰度而設(shè)置的一個(gè)閾值，如 果灰度低于該閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲，于是不對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行合成；根據(jù)不同的機(jī)器噪聲水平取該閾值為30。
13. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，所述結(jié)束條件設(shè)置為滿足如下條件之一a) "。w〈K，其中K《1;b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點(diǎn)。
14. 一種超聲三維快速成像裝置，包括采集模塊，用于掃描和采集極坐標(biāo)形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體 數(shù)據(jù)緩存中；平滑模塊，用于對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直 角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)(r,toa'盧)對(duì)應(yīng)的(pl,p2,p3)，其中G吻l,p2,p3"f手，^^，^);、&微他印/ j投射模塊，用于確定采樣的起始點(diǎn)并給灰度、不透明度賦初始 值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查表模塊，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)，并 且插值計(jì)算采樣點(diǎn)的灰度值；合成模塊，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算采 樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，以及 基于該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度；對(duì)于不滿足合成條 件的情況，則返回投射步驟；以及輸出模塊，用于如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng)前累積的 灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。
15. —種超聲三維快速成像裝置，包括采集模塊，用于掃描和采集極坐標(biāo)形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體 數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直 角坐標(biāo)系坐標(biāo)到極坐標(biāo)系的變換關(guān)系，其中梯度表保存了極坐標(biāo)點(diǎn)<formula>formula see original document page 6</formula>對(duì)應(yīng)的(pl,p2,p3)，其中G=(pl,p2,p3)=、艦加 <formula>formula see original document page 6</formula>投射模塊，用于確定采樣的起始點(diǎn)并給灰度、不透明度賦初始值，通過(guò)投射獲得采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)；查表模塊，用于根據(jù)采樣點(diǎn)的直角坐標(biāo)查表得到其極坐標(biāo)；平滑模塊，用于對(duì)采樣點(diǎn)的體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以獲取體數(shù) 據(jù)在采樣點(diǎn)坐標(biāo)位置的平滑數(shù)4居；合成模塊，用于對(duì)于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計(jì)算采 樣點(diǎn)的梯度，并計(jì)算梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積，以及 基于該內(nèi)積計(jì)算累積的灰度和累積的不透明度；對(duì)于不滿足合成條 件的情況，則返回投射步驟；以及輸出模塊，用于如果到了預(yù)定的結(jié)束條件，則輸出當(dāng)前累積的 灰度作為結(jié)果圖像對(duì)應(yīng)像素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，還包括截取模塊，用于通過(guò)界面設(shè)置感興趣區(qū)域，并從體 數(shù)據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并將所截取的數(shù)據(jù)傳輸給 平滑模塊以及后續(xù)模塊進(jìn)行處理。
17. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于所述平滑模塊對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波或中值濾波處理。
18. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于所述平滑模塊選擇當(dāng)前點(diǎn)各個(gè)方向中最均勻的方向進(jìn)行平滑 處理。
19. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，在所構(gòu)建的重樹(shù)表中，所述直角坐標(biāo)系(x,乂z)到極坐標(biāo)系 (^Aeto,; /u〕的變換關(guān)系為= tan-1 (x/(; r — + ; 其中所述重構(gòu)表包括(/，z)與W',p力/)的對(duì)應(yīng)表，以及U， W)與 (r， Me&)的只十應(yīng)表。
20. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征在 于當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度發(fā)生變化時(shí)， 則重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的重構(gòu)表。
21. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于所述查表模塊通過(guò)/和z坐標(biāo)查表得到W和p力/,然后通過(guò)y ' 和,坐標(biāo)查表得到r和f力e/13坐標(biāo)。
22. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，所述合成模塊將直角坐標(biāo)點(diǎn)P(x,/,z)變換為極坐標(biāo)點(diǎn) (r, Me"， ,通過(guò)(r， Me&， p/ /)查梯度表得到(pl, p2， p3),使 用(pl，p2，p3)作為三個(gè)坐標(biāo)軸的步長(zhǎng)，按照下式計(jì)算梯度=(F(r +《.pi, Aeto， p/n') — F(r —《 A加, F(。 ^ eto +《.p2，盧)—-《.； 2，盧)， 盧'+《./ 3) - F(/", Aeto，盧 一 纟 p3))其中《因子用于控制步長(zhǎng)，可以選擇為2。
23. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征在于所述投射模塊給灰度和不透明度所賦的初始值為0。
24. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，所述合成模塊按照下式計(jì)算累積的灰度/。 ,和累積的不透明度"加,^",-^ + (1 —其中4和L為累積的灰度，", 和《。 ,為累積的不透明度，C,.和a,.為當(dāng) 前光線經(jīng)過(guò)的像素點(diǎn)灰度及不透明度，以及7]為梯度單位向量與光線方向單位向量?jī)?nèi)積。
25. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像方法，其特征 在于所述合成條件是針對(duì)當(dāng)前采樣點(diǎn)的灰度而設(shè)置的一個(gè)闊值， 如果灰度低于該閾值，則認(rèn)為該點(diǎn)為噪聲，于是不對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行合成； 根據(jù)不同的機(jī)器噪聲水平取該閾值為30。
26. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，所述結(jié)束條件設(shè)置為滿足如下條件之一a) 。 ,<K，其中K《l;b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲三維快速成像方法與裝置。所述方法包括采集步驟、截取步驟、平滑步驟、投射步驟、查表步驟、合成步驟、以及輸出步驟。所述裝置包括采集模塊、截取模塊、平滑模塊、投射模塊、查表模塊、合成模塊、以及輸出模塊。本發(fā)明通過(guò)平滑處理以及構(gòu)建重構(gòu)表與梯度表，對(duì)于需要計(jì)算的點(diǎn)才進(jìn)行變換獲取，這樣可以避免大量的不必要的重構(gòu)計(jì)算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明更加符合一般的情況，因?yàn)楹茈y有探頭的旋轉(zhuǎn)半徑與探頭半徑一致。
文檔編號(hào)A61B8/13GK101292883SQ200710103118
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月23日
發(fā)明者斌 姚, 勇 田, 胡勤軍 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司