一種三維超聲成像裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維超聲成像裝置，其中，所述成像裝置包括至少兩個探頭，其中至少一個為用于三維空間掃描的探頭A，其中至少一個為用于運動位移估計的探頭B，所述至少兩個探頭固定連接，且成一定角度；所述探頭A沿平面1對空間進行三維掃查，所述探頭B始終維持在平面2里對不同部位進行掃查。對探頭B獲得相鄰幀圖像進行類似寬景成像中的位移估計，準確估計出探頭A相鄰兩幀之間的運動方式和距離，從而實現(xiàn)了探頭A掃描的每一幀二維圖像的空間坐標估計，并進一步獲得空間無失真的三維體數(shù)據(jù)，保證了后續(xù)三維可視化處理獲得更好的圖像效果。
【專利說明】
一種三維超聲成像裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及三維超聲成像，尤其是一種三維超聲成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的三維超聲成像方法包括自由臂3D、機械扇掃3D、面陣電子掃描3D等方法。其中自由臂3D是操作者手握一個二維掃描探頭，探頭做平掃或者扇掃獲得一系列的二維圖像，人工輸入探頭平掃的移動速度或者扇掃的轉(zhuǎn)動角速度，計算機就根據(jù)這個估計的速度將一系列連續(xù)的二維圖像設(shè)置相應(yīng)的空間坐標，然后進行三維的掃描轉(zhuǎn)換獲得三維的體數(shù)據(jù)，再基于這些三維的體數(shù)據(jù)進行三維可視化的處理，比如表面成像獲得胎兒的面部輪廓、極大值成像獲得胎兒的脊椎圖像等等。由于手工運動的速度并不均勻，而且估算的運動速度也很難準確，因此獲得的三維圖像可能存在畸變的問題。
[0003]傳統(tǒng)的自由臂3D成像有畸變，探頭運動要求接近勻速，對操作者要求高。為了解決掃描不勻速的問題，機械扇掃3D利用機械馬達勻速帶動探頭做扇形掃描。為了獲得更好的三維空間掃描線的聚焦，面陣電子掃描3D采用了面陣探頭實現(xiàn)了三維的電子掃描。
[0004]無論是機械扇掃3D還是面陣電子掃描3D，在解決了幾何失真，提高了三維成像質(zhì)量的同時，讓系統(tǒng)的控制變得更加復(fù)雜，軟硬件的成本也急劇提高，成本也隨之增加，不利于三維成像的普及。此外，無論是扇掃還是面陣掃描都是把探頭固定在一個位置，做局部的小范圍的成像。對于較長的血管或者像胎兒全身的掃描成像都無法實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種操作便利、估值準確的三維超聲成像裝置，具體為:
[0006]—種三維超聲成像裝置，其中，所述成像裝置包括至少兩個探頭，其中至少一個為用于三維空間掃描的探頭A，其中至少一個為用于運動位移估計的探頭B，所述至少兩個探頭固定連接，且成一定角度;所述探頭A沿平面I對空間進行三維掃查，所述探頭B始終維持在平面2里對不同部位進行掃查。
[0007]優(yōu)選的，所述探頭A和所述探頭B相互垂直，所述探頭A和所述探頭B分別進行成像的平面I和平面2也相互垂直。
[0008]優(yōu)選的，所述探頭B移動過程中的三幀連續(xù)掃描的圖像分別記為時刻tl、t2、t3，相鄰兩次的位移分別為dl和d2，由于所述探頭A和所述探頭B固定連接，所述探頭A相鄰兩次的位移分別為dl和d2;tl和t2時刻探頭B采集到的相鄰兩幀圖像分別為第(i)幀圖像和第(i+I)幀圖像，以所述第(i)幀圖像為模板，設(shè)置圖像上的特征點的范圍，在所述第(i+Ι)幀圖像上尋找與所述特征點匹配的圖像，所述匹配的特征點與所述模板上的特征點的相對位移為所述dl的估計值。通過SAD算法可估計出，所述探頭A采集到的相鄰兩幀圖像分別為第(i’)幀圖像和第(i ’ +1)幀圖像之間的距離為dl。
[0009]優(yōu)選的，所述探頭A掃描的二維圖像上縱向和橫向兩個點之間的距離分別為Dy和Dx，相鄰兩幀之間的距離為Dz，利用三維的數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換分別沿X/Y/Z坐標軸進行插值，使得插值后的三維體數(shù)據(jù)沿每個方向上的兩點之間的距離相等。假設(shè)Dx = Dy=I，Dz = 2，為了讓三維空間的每個圖像點與相鄰的三個方向上的點的間距都統(tǒng)一為I，根據(jù)線性插值算法，需要在在Dz = 2的兩幀之間插入一幀。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用了一個至少包含兩個平面的探頭，即一個探頭上有兩個平面探頭A和探頭B，其中探頭A依然用于空間的三維掃描和后續(xù)的三維重建，而探頭B則維持在同一個平面內(nèi)平移或者轉(zhuǎn)動，通過對探頭B獲得相鄰幀圖像進行類似寬景成像中的位移估計，準確估計出探頭A相鄰兩幀之間的運動方式和距離，從而實現(xiàn)了探頭A掃描的每一幀二維圖像的空間坐標估計，并進一步獲得空間無失真的三維體數(shù)據(jù)，保證了后續(xù)三維可視化處理獲得更好的圖像效果。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為現(xiàn)有的自由臂3D進行平移掃描和轉(zhuǎn)動掃描成像示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明實施例所述探頭A和探頭B的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為本發(fā)明實施例所述探頭B進行圖像掃描的位移示意圖；
[0014]圖4為本發(fā)明實施例圖像掃描后的運動距離數(shù)值估計示意圖；
[0015]圖5為本發(fā)明實施例所述探頭B進行旋轉(zhuǎn)掃描的示意圖；
[0016]圖6為本發(fā)明實施例所述探頭A進行三維數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換插值的示意圖；
[0017]圖7為本發(fā)明實施例所述探頭A采集到的圖像上相同(x，y)平面坐標點的幅度值和經(jīng)過三維數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換線性插值后的幅度值的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0019]圖1包括左側(cè)的探頭平移成像示意圖和右側(cè)的探頭轉(zhuǎn)動成像示意圖。如圖1所示，傳統(tǒng)的自由臂3D成像過程通常包括以下幾步:通過對一個普通的B-mode成像探頭(如普通的線陣或者凸陣探頭)進行平移或者轉(zhuǎn)動實現(xiàn)一個三維空間的掃描，掃描過程中采集一系列的B-mode的二維圖像;然后根據(jù)估計的平移或者轉(zhuǎn)動速度，對獲得的一系列二維圖像空間位置進行標記，根據(jù)標記的空間坐標信息重建出一個空間直角坐標系下的體數(shù)據(jù);在獲得空間直角坐標系下的三維體數(shù)據(jù)之后就可以采用常規(guī)的各項三維可視化技術(shù)進行三維轉(zhuǎn)二維顯示了。
[0020]常用的三維可視化方式包括表面成像、極大值成像、極小值成像等，在不同的部位顯示的時候需要采用不同的顯示可視化顯示方式，比如胎兒臉部的顯示就采用表面成像方式，胎j L脊椎由于反射信號較強，就采用極大值成像方式。
[0021]自由臂3D成像中很關(guān)鍵的一步就是探頭手工平移或者轉(zhuǎn)動的速度估計，在現(xiàn)有的實際系統(tǒng)中，首先用戶需要選擇是平移還是轉(zhuǎn)動的運動方式;然后根據(jù)運動方式設(shè)置運動的速度或者角速度:如果是平移則設(shè)置平移的速度，即獲得相鄰兩幀二維圖像之間的距離；如果是轉(zhuǎn)動則設(shè)置轉(zhuǎn)動的角速度，即獲得相鄰兩幀二維圖像的之間的角度間隔。
[0022]在手工操作探頭的時候，存在兩個明顯的問題:1、很難保證探頭平移或者轉(zhuǎn)動的勻速的；2、探頭可能在平移的同時發(fā)生了轉(zhuǎn)動。因此設(shè)置了固定的運動模式和運動速度或角速度后，空間三維掃描獲得的這些二維圖像中一些幀的實際空間位置和估計的空間位置可能就相差較大，導(dǎo)致重建的三維體數(shù)據(jù)幾何失真，基于失真的體數(shù)據(jù)獲得的可視化的圖像也就容易發(fā)生畸變。
[0023]為了克服上述缺點，本發(fā)明提出通過至少增加另外一個平面的探頭進行二維的掃描，這個新增的探頭的掃查平面與上述用于三維體數(shù)據(jù)掃描的二維平面不重疊或不平行，這兩個平面也可以相互垂直。如圖2所示，探頭A和探頭B相互垂直，兩個探頭各自進行的成像的平面I和平面2也是相互垂直，其中，探頭A用于三維空間掃描，探頭B用于運動位移估計。不失一般性在本實施例中探頭沿著箭頭方向做平移。在探頭A沿平面I對空間進行三維掃查的同時，探頭B始終維持在平面2里的不同部位的掃查。探頭B掃查的相鄰兩幀的圖像由于存在重疊的掃查區(qū)域，相同的圖像特征將會出現(xiàn)在兩幀圖像的不同位置，從而可以根據(jù)這些相同特征在兩幀圖像上的相對位移估算出探頭的運動信息。
[0024]本發(fā)明實施例中的雙平面探頭的兩個平面是垂直的，也可以是不垂直，只要是保證兩個探頭平面不平行，且在探頭運動的過程中其中一個探頭的掃描維持在一個平面內(nèi)即可。另外，本實施例中，圖2所示中的雙平面探頭，探頭A用于三維空間掃描，探頭B用于運動位移估計，探頭A與探頭B的作用也可以互換，即探頭B用于三維空間掃描，探頭A用于運動位移估計。
[0025]圖3包括了左、中、右3幅圖，如圖3(左)所示，探頭B移動過程中的三幀連續(xù)掃描的圖像分別記為時刻tl、t2、t3，圓形表示為某個特征組織，該特征組織物理位置固定，但由于探頭B的移動，導(dǎo)致該特征組織在不同幀圖像中的相對位置發(fā)生了變化。如圖3(中)所示，這連續(xù)三幀圖像對應(yīng)的掃描的空間位置。如圖3(右)示出了超聲系統(tǒng)數(shù)據(jù)對齊存儲后的情況，可見固定目標的相對位置在不同幀的圖像上發(fā)生了位移，相鄰兩次的位移分別為dl和d2所示。由于探頭A與探頭B是一體的，所以在探頭B移動的同時，探頭A同步發(fā)生了移動，因此可以通過估計出的探頭B的相鄰三幀的移動距離分別為dl和d2，就可以估計出同時采集到的探頭A的三幀圖像的間隔也為dl和d2。由于探頭的運動，導(dǎo)致靜止的目標在相鄰幀圖像上發(fā)生的位移。圖像處理技術(shù)中有很多方法用于運動位移的估計，本實施例中采用的方法是:先從圖像中利用統(tǒng)計特性或者邊緣信息提取出一些結(jié)構(gòu)特征點，然后在相鄰幀的該結(jié)構(gòu)特征點對應(yīng)的位置附近通過互相關(guān)運算尋找到最匹配的點，該匹配點的位置和原始結(jié)構(gòu)特征點的位置的距離就是該目標的位移。
[0026]實際實施的時候由于互相關(guān)運算計算量較大，所以往往采用絕對值和最小計算方法(sum of absolute difference,簡稱SAD)。該算法如圖4所示，假設(shè)tl和t2時刻探頭B采集到的相鄰兩幀圖像第(i)幀圖像和第(i+Ι)幀圖像，兩幀圖像均經(jīng)過了一次二維的數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換(DSC)，即圖像上左右兩點的間距和上下兩點的間距代表了同樣的物理距離，同樣的二維DSC處理被用于探頭A采集到的相鄰幀圖像。由于不同時刻采集到的圖像包含有不一樣的噪聲，因此往往相同的特征點具有不一樣的數(shù)值。以第(i)幀圖像為模板，首先尋找特征點，例如只對圖像灰度大于20的點作為特征點，所獲得的特征點圖像如圖中特征圖像所示，只在左邊保留了 3*3的一個有效的圖像區(qū)域。然后以該特征圖像為模板，在第(i + Ι)幀圖像上尋找匹配的圖像。在匹配運算的時候，對特征圖像上下和左右移動若干像素點后，與第(i+ 1)幀圖像進行逐點的減法運算，相減后求絕對值之和，即獲得SAD的結(jié)果。本實施例中特征圖像移動的范圍為[_3，3]，即上下和左右各7個點的范圍的搜索。SAD的運算結(jié)果為一個7*7的矩陣，矩陣第i行表示特征圖像往下移動(1-3)行，第j列表示特征圖像往右移動第(j-3)列。通過觀察SAD的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)(4，5)這個元素的數(shù)值最小，即表示估計出的圖像位移為往下移動了 I個像素，往右移動了2個像素。通過肉眼觀察第(i + Ι)幀圖像，可見估計的結(jié)果是正確的。由于探頭A和探頭B的固定在一起的，因此探頭A此時獲得第(i+Ι)幀圖像和第(i)幀圖像的間距dl就等于2個像素，但由于位移中還包含了 I個像素的向下移動，因此為了讓第(i+Ι)幀圖像和第(i)幀圖像在深度上對齊，就需要對第(i+Ι)幀圖像在最上面補一行O像素，或者是把第(i)幀圖像的第一行像素刪除。經(jīng)過這樣深度對齊處理后即可獲得如圖6所示的三維空間。由于同樣的二維DSC被用于探頭A和探頭B獲得圖像，因此圖中Dx = Dy,不妨假設(shè)Dx = Dy = I,則Dz為上述估計獲得的兩幀之間的距離，即Dz = 2。因此為了讓三維空間的每個圖像點與相鄰的三個方向上的點的間距都統(tǒng)一為I，就需要在在Dz = 2的兩幀之間插入一幀，簡單的處理方式就是利用線性插值獲得這兩幀圖像的均值，插入這兩幀圖像之間的位置。這就是一個簡單的三維數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換(3D DSC)過程。由于探頭平移的速度可能存在差異，相鄰兩幀之間的距離Dz可能也會不同，因此在3D DSC的時候，就需要采用不同的插值系數(shù)進行插值。如圖7所示，虛線和空心圓點給出了相鄰10幀探頭A采集到的圖像上相同(X，Y)坐標點的幅度值，由于這10幀圖像兩兩之間的Dz不相同，因此這些點在Z軸上的分布是不均勻的。在3D DSC的時候，我們可以通過線性插值獲得Z坐標為整數(shù)時候的幅度值，如圖7中實心方塊點所示。
[0027]對于平移運動，圖像中所有特征點估計出來的位移是一樣的，但若發(fā)生了轉(zhuǎn)動則不同深度的特征點估計出的位移會不同。圖5所示是探頭B發(fā)生轉(zhuǎn)動時候的示意圖，圖中填充橢圓、填充矩形和圓形分別對應(yīng)圖像不同區(qū)域的特征點。這些特征點在相鄰幀的運動距離是不相同的。需要對所有的這些目標進行運動距離的估計(如用上述的SAD方法)，然后利用這些特征點的運動距離估計值對整幅圖像的運動擬合出旋轉(zhuǎn)的圓心位置和旋轉(zhuǎn)的角度。在自由臂3D空間掃描的過程中，可能會出現(xiàn)平移和轉(zhuǎn)動，只要像旋轉(zhuǎn)運動時候一樣，對圖像上的不同特征點分別求運動距離，然后對這些運動距離進行擬合。當(dāng)不同特征點擬合的運動距離基本一致的時候，就可以認為相鄰兩幀做了平移運動;而當(dāng)不同特征點擬合的結(jié)果更接近旋轉(zhuǎn)運動的時候，就可以認為相鄰兩幀做了旋轉(zhuǎn)運動。因此，可以對逐幀的運動進行識別和位置校正，準確還原相鄰兩幀之間的運動方式和運動距離，從而大大降低了因為運動估計不準確導(dǎo)致的重建圖像的畸變。
[0028]如圖6所示，探頭A掃描的二維圖像上縱向和橫向兩個點之間的距離根據(jù)成像的深度和掃描線的間距可以計算獲得，分別為Dy和Dx，相鄰兩幀之間的距離則根據(jù)探頭B的圖像估計出Dz，不失一般性這里的探頭運動依然是假設(shè)平移，即不同深度的相鄰兩幀圖像之間的間隔都是Dz(當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)動的時候，只需要把不同深度的位移代替上述恒定的Dz即可)，通常這三個間距值都不相等，為了獲得不畸變的圖像，就需要通過在直角坐標系下的插值，插值后的數(shù)據(jù)三個方向的點間距相等，該過程就是常說的三維掃描轉(zhuǎn)換(3D DigitaI ScanConvers1n，簡稱3D DSC)。本實施例中，插值就用快速的線性插值，若對插值后圖像質(zhì)量要求更高，也可以采用樣條插值等更復(fù)雜的處理方法。
[0029]本實施例所述的自由臂三維超聲成像裝置，所用的探頭至少由兩個不同平面的探頭組成，其中一個平面的探頭(探頭A)用于三維空間掃描，另外一個平面的探頭(探頭B)維持在平面內(nèi)掃描用于相鄰兩幀圖像的位移估計。具體成像的方法包括如下步驟:
[0030]I)超聲成像系統(tǒng)啟動自由臂三維成像模式；
[0031]2)將所述探頭A和探頭B在待成像組織上做平移或者轉(zhuǎn)動運動，在探頭運動的過程中始終保持其中一個平面的探頭B只在其成像平面內(nèi)進行平移或者轉(zhuǎn)動，而另外一個平面的探頭A則每次對組織的不同切面進行掃描成像。在探頭運動的過程中，超聲成像系統(tǒng)對兩個探頭進行實時的二維成像，每次采集的二維圖像都在內(nèi)存中存儲起來。
[0032]3)完成三維掃查時，停止超聲系統(tǒng)的圖像采集，并進入圖像分析和處理環(huán)節(jié)。
[0033]A)讀取第一幀的探頭B的二維圖像，作為空間坐標的初始位置；
[0034]B)讀取第二幀的探頭B的二維圖像，將該圖像與上述第一幀的圖像做空間匹配處理，完成匹配處理后，獲得第二幀圖像相對第一幀圖像的位移(平移距離或者轉(zhuǎn)動角度)，將所述位移用于標記第二幀探頭A的二維圖像；
[0035]C)依次對后續(xù)每一幀的探頭B的二維圖像與前一幀圖像做空間匹配處理，并將估計出的位移用于標記相應(yīng)幀的探頭A的二維圖像；
[0036]D)當(dāng)對存儲區(qū)內(nèi)所有的探頭A的二維圖像完成了空間位置的標記后，對這些二維圖像進行空間的插值(3D DSC)，獲得在直角坐標系下三個方向上空間點間距相等的三維體數(shù)據(jù)；
[0037]E)基于上述三維體數(shù)據(jù)，進行三維可視化處理(表面成像、極大值成像等)獲得可用于可視化顯示的圖像，并輸出到超聲成像系統(tǒng)的顯示器上進行顯示。
[0038]隨著計算機性能的不斷提升，其中采集得到的探頭B的二維圖像也可以在獲得第二幀起的每一幀圖像的時候就與上一幀圖像進行實時的空間匹配處理，無需等到所有的圖像都采集完成后再啟動。這些只是用于減少成像輸出顯示的等待時間，不對實際成像效果產(chǎn)生影響。
[0039]與傳統(tǒng)的自由臂3D只利用一個平面的探頭A進行成像不同，本發(fā)明采用了一個至少包含兩個平面的探頭，即一個探頭上有兩個平面探頭A和探頭B，其中探頭A依然用于空間的三維掃描和后續(xù)的三維重建，而探頭B則維持在同一個平面內(nèi)平移或者轉(zhuǎn)動，通過對探頭B獲得相鄰幀圖像進行類似寬景成像中的位移估計，準確估計出探頭A相鄰兩幀之間的運動方式和距離，從而實現(xiàn)了探頭A掃描的每一幀二維圖像的空間坐標估計，并進一步獲得空間無失真的三維體數(shù)據(jù)，保證了后續(xù)三維可視化處理獲得更好的圖像效果。
【主權(quán)項】
1.一種三維超聲成像裝置，其特征在于，所述成像裝置包括至少兩個探頭，其中至少一個為用于三維空間掃描的探頭A，其中至少一個為用于運動位移估計的探頭B，所述至少兩個探頭固定連接，且成一定角度;所述探頭A沿平面I對空間進行三維掃查，所述探頭B始終維持在平面2里對不同部位進行掃查。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像裝置，其特征在于，所述探頭A和所述探頭B相互垂直，所述探頭A和所述探頭B分別進行成像的平面I和平面2也相互垂直。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像裝置，其特征在于，所述探頭B移動過程中的三幀連續(xù)掃描的圖像分別記為時刻tl、t2、t3，相鄰兩次的位移分別為dl和d2，由于所述探頭A和所述探頭B固定連接，所述探頭A相鄰兩次的位移分別為dl和d2;tl和t2時刻探頭B采集到的相鄰兩幀圖像分別為第(i)幀圖像和第(i+Ι)幀圖像，以所述第(i)幀圖像為模板，設(shè)置圖像上的特征點的范圍，在所述第(i+Ι)幀圖像上尋找與所述特征點匹配的圖像，所述匹配的特征點與所述模板上的特征點的相對位移為所述dl的估計值。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像裝置，其特征在于，所述探頭A掃描的二維圖像上縱向和橫向兩個點之間的距離分別為Dy和Dx，相鄰兩幀之間的距離為Dz，利用三維的數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換分別沿X/Y/Z坐標軸進行插值，使得插值后的三維體數(shù)據(jù)沿每個方向上的兩點之間的距離相等。
【文檔編號】A61B8/08GK105997151SQ201610465729
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】張羽
【申請人】北京智影技術(shù)有限公司