專利名稱：一種三維成像超聲診斷探頭的定位裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)超聲診斷系統(tǒng)，尤其涉及ー種三維超聲圖像的定位和重建中的超聲診斷探頭的定位方法及裝置。
背景技術(shù)：
超聲診斷是利用超聲探測(cè)人體組織進(jìn)行是否病變的圖像診斷技術(shù)，具有分辨率高，實(shí)時(shí)性好，安全無創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，在臨床圖像診斷中得到廣泛應(yīng)用，超聲圖像診斷技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新，近年來，三維超聲成像逐漸成為ー種重要的醫(yī)療診斷技木，通過探頭獲取人體組織器官的超聲數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到更具真實(shí)感的組織器官的三維超聲圖像，三維超聲具有直觀顯示、多角度觀察等新功能，優(yōu)于傳統(tǒng)的ニ維超聲，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。三維超聲圖像是由多組ニ維平面信息經(jīng)過三維重建得來，通過空間掃描獲取序列·ニ維圖像數(shù)據(jù)，測(cè)量并記錄它們之間的空間位置關(guān)系，利用這些已知的空間位置關(guān)系，運(yùn)用一定的插值算法恢復(fù)三維的空間數(shù)據(jù)。對(duì)于ー維探頭，每幅ニ維圖像的成像位置，即探頭掃查位置的定位是成功實(shí)現(xiàn)三維重建的關(guān)鍵因素。現(xiàn)有的定位技術(shù)比如采用機(jī)械掃描方式，無論是平行掃描，扇形掃描還是旋轉(zhuǎn)掃描，定位系統(tǒng)的探頭只能沿著固定軌道移動(dòng)，而且需有相應(yīng)的傳動(dòng)設(shè)備，對(duì)于醫(yī)生操作檢測(cè)并不靈巧方便。另外存在一種稱作自由手的探頭(freehand),傳感器固定在普通超聲探頭上，在周圍合適位置配套精確的接收定位機(jī)構(gòu)，輔助計(jì)算探頭的坐標(biāo)，常見的定位器如聲波式定位器，發(fā)射的聲波容易受到阻擋。電磁式定位器定位精度不高，無線定位器會(huì)對(duì)醫(yī)療設(shè)備帶來一定的電磁干擾，所以必須引線，使用不便，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。此外還有主動(dòng)發(fā)射光束的紅外線，使用并不方便。上述freehand的定位器都必須另外安裝，需要復(fù)雜的調(diào)試和操作，易受到環(huán)境條件的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有三維成像系統(tǒng)中超聲診斷探頭的定位方法及裝置集成度不高，操作不便等缺點(diǎn)，提出一種三維成像超聲診斷探頭的定位方法及裝置，能夠在不改變?cè)刑筋^結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)探頭位置進(jìn)行定位，使普通一維探頭可以用于實(shí)現(xiàn)較為精確的三維超聲成像。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種三維成像超聲診斷探頭的定位裝置，包括有超聲探頭，還包括有兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊、帶有坐標(biāo)計(jì)算軟件的計(jì)算機(jī)和單片機(jī)，所述的激光散斑光學(xué)成像模塊包括ー個(gè)容器，容器內(nèi)固定有激光二極管、兩個(gè)透鏡和感光陣列，使激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡一照射到工作平面上，后被反射經(jīng)過透鏡ニ入射到感光陣列，所述的兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊固定在所述的超聲探頭的兩側(cè)，將感光陣列采集到的圖像輸入進(jìn)所述的計(jì)算機(jī)，通過坐標(biāo)計(jì)算軟件計(jì)算出超聲探頭的位置坐標(biāo)，所述的單片機(jī)控制所述的超聲探頭發(fā)出超聲波脈沖和激光二極管發(fā)射激光，超聲探頭發(fā)出超聲波脈沖，并接收回波，得到一幅超聲切面圖像同時(shí)觸發(fā)所述的激光二極管發(fā)射激光。一種三維成像超聲診斷探頭的定位方法，通過單片機(jī)控制超聲探頭發(fā)出超聲波脈沖，并接收回波，得到一幅超聲切面圖像同時(shí)觸發(fā)所述的激光二極管發(fā)射激光，通過所述的激光散斑光學(xué)成像模塊得到超聲探頭的位置圖像信號(hào)，將此信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)中，通過坐標(biāo)計(jì)算軟件計(jì)算出超聲探頭的位置坐標(biāo)，移動(dòng)超聲探頭，同樣方法得到移動(dòng)后超聲探頭的位置坐標(biāo)，計(jì)算出超聲探頭的位置變化；當(dāng)超聲探頭窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變時(shí)，兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊測(cè)定的距離改變不同，根據(jù)兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊測(cè)到超聲探頭移動(dòng)前的位置坐標(biāo)和移動(dòng)后的位置坐標(biāo)，計(jì)算出超聲探頭改變的角度；由此得到超聲探頭的掃查軌跡，將掃查軌跡結(jié)合探頭得到的超聲回波切面圖像，進(jìn)行三維重建得到立體的超聲圖像。超聲探頭在人體表面上掃查，激光二極管發(fā)光照亮平面區(qū)域，形成的散斑場(chǎng)分別通過焦距很短的透鏡，成像于感光陣列，所成圖象包含了當(dāng)前的位置信息。散斑圖上每一點(diǎn)周圍的ー個(gè)像素單元為N*N的小圖像，稱為該點(diǎn)的子圖像。由于激光散斑場(chǎng)是隨機(jī)分布，某點(diǎn)子圖像的散斑分布與其他點(diǎn)的子圖像具有不同的統(tǒng)計(jì)特性，可以認(rèn)為微位移只改變散射·基元的空間位置而基本上不影響其散射特性，因而也基本上不影響散斑場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特征，這樣如果散射平面產(chǎn)生面內(nèi)微位移，散斑圖上每一點(diǎn)的子圖像也隨該點(diǎn)做相應(yīng)的位移，比較前后兩幅圖象就能計(jì)算出位移信息。坐標(biāo)計(jì)算步驟，參見圖3，假設(shè)移動(dòng)前物面上的待測(cè)點(diǎn)10在移動(dòng)后到了 12，則移動(dòng)前散斑圖上10的子圖像11就與變形后散斑圖上12點(diǎn)的子圖像13相對(duì)應(yīng)，兩者的相關(guān)性
最高而且相關(guān)系數(shù)C最大，因此位置f的改變可以通過子圖像的相關(guān)位移捜索來找出，相
關(guān)運(yùn)算公式C(r) = ]](//(び +Γ) ,/2 び⑴
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_2] ψ{σ + Γ) = /(σ) · g(a + Γ)⑵式中，c是相關(guān)系數(shù)，s是相關(guān)子圖像，f和g分別為移動(dòng)前后散斑場(chǎng)灰度強(qiáng)度函數(shù)。以開始檢測(cè)時(shí)的坐標(biāo)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，選取圖像的ー個(gè)方向?yàn)閄方向，另ー個(gè)垂直方向?yàn)閅方向，可實(shí)時(shí)得到激光散斑光學(xué)成像系統(tǒng)照射區(qū)域的位置坐標(biāo)。同時(shí)考慮在掃查過程中，超聲探頭聲窗長軸方向并非一直垂直于掃查軌跡，探頭長軸與掃查軌跡之間可能存在角度的變化，如圖4所示，使用兩套激光散斑光學(xué)成像系統(tǒng)以相對(duì)固定的距離安裝在超聲探頭上，當(dāng)探頭聲窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變，激光散斑光學(xué)成像系統(tǒng)a和激光散斑光學(xué)成像系統(tǒng)b測(cè)定到的距離改變不同，初始a與b的位置分別為(xal，yal)、(xbl, ybl)，移動(dòng)后的位置分別為(xa2，ya2)> (xbl，yb2)，通過下述公式可得到超聲探頭改變角度6> = argtan—~—-argtan—~—(3)
Xal~XblXal-Xb2本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明能夠在不改變?cè)刑筋^結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)探頭位置進(jìn)行的定位，使普通一維探頭可以用于實(shí)現(xiàn)較為精確的三維超聲成像，有成本低，裝置集成度高，操作方便，無空間電磁輻射的優(yōu)點(diǎn)。


圖I為應(yīng)用本發(fā)明的超聲探頭掃查方式示意圖。圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖3、圖4、圖5為定位方法示意圖。圖6為本發(fā)明的工作原理框圖。
具體實(shí)施方式

如圖2所示，一種三維成像超聲診斷探頭的定位裝置，包括有超聲探頭1，還包括有兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊2、帶有坐標(biāo)計(jì)算軟件的計(jì)算機(jī)8和單片機(jī)9，所述的激光散斑光學(xué)成像模塊2包括ー個(gè)容器，容器內(nèi)固定有激光二極管3、兩個(gè)透鏡4和6和感光陣列5，使激光二極管3發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡一 4照射到工作平面7上，后被反射經(jīng)過透鏡ニ 6入射到感光陣列5，所述的兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊2固定在所述的超聲探頭I的兩側(cè)，將感光陣列5采集到的圖像輸入進(jìn)所述的計(jì)算機(jī)8，通過坐標(biāo)計(jì)算軟件計(jì)算出超聲探頭I的位置坐標(biāo)，所述的單片機(jī)9控制所述的超聲探頭I發(fā)出超聲波脈沖和激光二極管3發(fā)射激光，超聲探頭I發(fā)出超聲波脈沖，并接收回波，得到一幅超聲切面圖像同時(shí)觸發(fā)所述的激光ニ極管3發(fā)射激光。一種三維成像超聲診斷探頭的定位方法，通過單片機(jī)9控制超聲探頭I發(fā)出超聲波脈沖，并接收回波，得到一幅超聲切面圖像同時(shí)觸發(fā)所述的激光二極管3發(fā)射激光，通過所述的激光散斑光學(xué)成像模塊2得到超聲探頭I的位置圖像信號(hào)，將此信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)8中，通過坐標(biāo)計(jì)算軟件計(jì)算出超聲探頭I的位置坐標(biāo)，移動(dòng)超聲探頭1，同樣方法得到移動(dòng)后超聲探頭I的位置坐標(biāo)，計(jì)算出超聲探頭I的位置變化；當(dāng)超聲探頭I窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變時(shí)，兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊2測(cè)定的距離改變不同，根據(jù)兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊2測(cè)到超聲探頭I移動(dòng)前的位置坐標(biāo)和移動(dòng)后的位置坐標(biāo)，計(jì)算出超聲探頭I改變的角度；由此得到超聲探頭I的掃查軌跡，將掃查軌跡結(jié)合探頭得到的超聲回波切面圖像，進(jìn)行三維重建得到立體的超聲圖像。使用者控制超聲探頭緊貼人體表面掃查，與此同時(shí)，超聲探頭I發(fā)射超聲波脈沖，并接收回波，在接收一幅ニ維切面圖象時(shí)，同步觸發(fā)激光散斑光學(xué)成像模塊2，讀取此時(shí)的位置坐標(biāo)信號(hào)。如圖I所示，依次接收多幅ニ維切面圖象，同時(shí)得到每個(gè)切面圖象對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。激光散斑光學(xué)成像模塊2緊貼工作平面，激光二極管3光源以及透鏡4和6固定在裝置內(nèi)，光源照射工作平面7，形成的散斑場(chǎng)經(jīng)透鏡成像，像面位于感光陣列面上。如圖3，假設(shè)移動(dòng)前物面上的待測(cè)點(diǎn)10在移動(dòng)后到了 12，則移動(dòng)前散斑圖上10的子圖像11就與變形后散斑圖上12點(diǎn)的子圖像13相對(duì)應(yīng),兩者的相關(guān)性最聞而
且相關(guān)系數(shù)C最大，因此位置f的改變可以通過子圖像的相關(guān)位移捜索來找出，相關(guān)運(yùn)算
利用公式(1)，(2)進(jìn)行。以開始檢測(cè)時(shí)的坐標(biāo)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，選取圖像的ー個(gè)方向?yàn)閄方向，另ー個(gè)垂直方向?yàn)閅方向，可實(shí)時(shí)得到激光散斑光學(xué)成像系統(tǒng)照射區(qū)域的位置坐標(biāo)。同時(shí)考慮在掃查過程中，超聲探頭聲窗長軸方向并非一直垂直于掃查軌跡，與掃查軌跡之間可能存在角度的變化，如圖4所示，使用兩套激光散斑光學(xué)成像模塊2以相對(duì)固定的距離安裝在超聲探頭1上，當(dāng)超聲探頭1聲窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變，激光散斑光學(xué)成像系模塊a和激光散斑光學(xué)成像模塊b測(cè)定到的距離改變不同，初始a與b的位置分別為(xal，yal)、(xbl, ybl),移動(dòng)后的位置分別為(xa2，ya2)、(xbl，yb2)，通過上述公式(3)得到超聲探頭改變角度Θ。探頭采集超聲回波信息，通過數(shù)據(jù)采集處理模塊得到ニ維切面圖象，結(jié)合圖像解析模塊輸出的探頭位移和角度信息，以初始幀圖像的位置作為原點(diǎn)，選取初始探頭聲窗長軸方向?yàn)閅軸方向，參見圖5，如相鄰兩幀圖像的位置坐標(biāo)分別為(xl，yl)和(x2，y2)，探頭聲窗長軸方向和坐標(biāo)軸X的夾角都為Θ C1，將兩幀圖像平行的置入坐標(biāo)系，若獲取第三幀圖像時(shí)，探頭方向改變?chǔ)ń嵌龋瑒t將第三幀圖像旋轉(zhuǎn)Θ角度置入坐標(biāo)系，以此類推，確定ニ維圖像數(shù)據(jù)序列在空間上的位置，利用通用的圖像重建方法，將采集的超聲圖像序列合成三維的數(shù)據(jù)體。本方案不限于以上的實(shí)施實(shí)例，超聲探頭可用平面或凸面探頭，也可使用相控陣探頭。激光散斑光學(xué)成像模塊既可做為附件固定在探頭上，也可以和探頭做成一體。
權(quán)利要求
1.一種三維成像超聲診斷探頭的定位裝置，包括有超聲探頭，其特征在于還包括有兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊、帶有坐標(biāo)計(jì)算軟件的計(jì)算機(jī)和單片機(jī)，所述的激光散斑光學(xué)成像模塊包括ー個(gè)上下開ロ的容器，容器內(nèi)固定有激光二極管、兩個(gè)透鏡和感光陣列，使激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡一照射到工作平面上，后被反射經(jīng)過透鏡ニ入射到感光陣列，所述的兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊固定在所述的超聲探頭的兩側(cè)，將感光陣列采集到的圖像輸入進(jìn)所述的計(jì)算機(jī)，通過坐標(biāo)計(jì)算軟件計(jì)算出超聲探頭的位置坐標(biāo)，所述的單片機(jī)控制所述的超聲探頭發(fā)出超聲波脈沖和激光二極管發(fā)射激光，超聲探頭發(fā)出超聲波脈沖，并接收回波，得到一幅超聲切面圖像同時(shí)觸發(fā)所述的激光二極管發(fā)射激光。
2.采用權(quán)利要求I所述的裝置進(jìn)行ー種三維成像超聲診斷探頭的定位方法，其特征在干通過單片機(jī)控制超聲探頭發(fā)出超聲波脈沖，并接收回波，得到一幅超聲切面圖像同時(shí)觸發(fā)所述的激光二極管發(fā)射激光，通過所述的激光散斑光學(xué)成像模塊得到超聲探頭的位置圖像信號(hào)，將此信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)中，通過坐標(biāo)計(jì)算軟件計(jì)算出超聲探頭的位置坐標(biāo)，移動(dòng)超聲探頭，同樣方法得到移動(dòng)后超聲探頭的位置坐標(biāo)，計(jì)算出超聲探頭的位置變化；當(dāng)超聲探頭窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變時(shí)，兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊測(cè)定的距離改變不同，根據(jù)兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊測(cè)到超聲探頭移動(dòng)前的位置坐標(biāo)和移動(dòng)后的位置坐標(biāo)，計(jì)算出超聲探頭改變的角度；由此得到超聲探頭的掃查軌跡，將掃查軌跡結(jié)合探頭得到的超聲回波切面圖像，進(jìn)行三維重建得到立體的超聲圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維成像超聲診斷探頭的定位裝置及方法，能夠在不改變?cè)刑筋^結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)探頭位置進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)三維超聲成像。所述定位裝置包括超聲探頭，兩個(gè)激光散斑光學(xué)成像模塊，用于采集位置信息；坐標(biāo)計(jì)算模塊，用于根據(jù)激光散斑光學(xué)成像模塊采集的位移信息，計(jì)算探頭坐標(biāo)；本發(fā)明操作方便，實(shí)現(xiàn)成本低，基本沒有空間電磁輻射。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102846378SQ20121026900
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者張?chǎng)? 翟暢 申請(qǐng)人:安徽皖儀科技股份有限公司