專利名稱：一種基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法
技術領域：
本發明屬于醫學超聲波的圖像處理和圖像顯示技術領域，特別涉及一種基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法。
背景技術：
醫學超聲診斷是現代影像醫學的重要組成部分，在人身體很多組織(比如心臟、肝臟、神經血管等)的病理診斷中有很大的價值。其中三維超聲成像技術因其圖像顯示直觀、診斷精確性高等特點在超聲診斷中得到越來越多的應用。目前，醫學三維超聲成像中常用的掃描方法有機械定位平行掃描、扇形掃描、旋轉掃描和自由臂(Free-Hand)掃描四種方式。對原始超聲圖像序列進行三維重建之前，需要確定超聲探頭與原始二維超聲圖像之間的位置關系，才能準確的重建出三維對象，因此必須對超聲探頭做一個位置標定。在自由臂 掃描方法中已經出現比較多的位置標定方法，比如交叉線掃描方法、單個反射面掃描方法等。而對于線性掃描方式的位置標定，目前大多是通過掃描一排均勻排列小球來做位置標定。制作這樣的標定仿體較為復雜，因此，設計一種既能夠減小醫學超聲三維成像中線性掃描位置標定的復雜度，同時還能保證三維成像準確性的位置標定方法極具實際意義。

發明內容
本發明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，該方法既能夠減小醫學超聲三維成像中線性掃描位置標定的復雜度，同時還能夠提高三維成像的準確性。本發明的目的通過以下的技術方案實現一種基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，首先為線性掃描用的線性滑軌建立一個線性滑軌坐標系，然后將一個測試用的、已知尺寸大小的長方體置于該線性滑軌坐標系中，并保證線性滑軌和長方體的一條邊相互平行放置，以長方體一個頂點為原點建立世界坐標系，確定該世界坐標系下每個頂點的坐標；假定超聲探頭與線性滑軌之間存在一個旋轉角度，將世界坐標系下的每個頂點坐標轉換到原始超聲圖像平面坐標系中；再假定超聲探頭與線性滑軌之間不存在坐標轉換，再將原始超聲圖像平面坐標系下的頂點坐標轉換到線性滑軌坐標系中得到這些頂點新的坐標；根據各個頂點的轉換坐標計算出每兩條邊的夾角與超聲探頭和線性滑軌之間的旋轉角度的關系，得出線性掃描方式下探頭位置標定公式；然后線性掃描并測量重建長方體形變量，根據標定公式計算出超聲探頭與線性滑軌之間的旋轉角度，即為位置標定結果。具體包括以下步驟(I)初始化為線性掃描用的線性滑軌建立一個線性滑軌坐標系，一個位置傳感器與線性滑軌固定相連，并可以通過機械驅動或手動產生移動；將測試用的、已知尺寸的長方體置于該線性滑軌坐標系中，并保證線性滑軌和長方體的一條邊相互平行放置；根據長方體的位置，建立世界坐標系，根據其尺寸標注每一個頂點在世界坐標系中的坐標；線性滑軌坐標系與世界坐標系之間僅有平移關系，而沒有旋轉關系。
(2)推導長方體形變量與超聲探頭與線性滑軌之間旋轉角度的數學關系式將超聲探頭與位置傳感器綁定，一起連接在線性滑軌之上，根據超聲探頭的位置，建立原始超聲圖像平面坐標系；假定超聲探頭產生的原始超聲圖像平面與線性滑軌的坐標系之間存在旋轉角度，使用坐標轉換公式將長方體各個頂點坐標從世界坐標系中反推到原始超聲圖像平面坐標系中；然后在假定原始超聲圖像平面與線性滑軌之間不存在旋轉角度的情況下，對原始超聲圖像進行三維重建，即將原始超聲圖像平面坐標系中長方體各頂點坐標轉換到線性滑軌坐標系中，因為假定原始超聲圖像平面與線性滑軌坐標系之間不存在旋轉角度的變換通常是不成立的，因此此時計算得到各個頂點在線性滑軌坐標系中的坐標與其在世界坐標系中的坐標點之間產生扭曲，這種扭曲使重建后的長方體的相鄰邊之間不再保持90度直角關系，這包含了超聲探頭與線性滑軌之間的旋轉角度信息；根據這些轉換得到的線性滑軌坐標系下各個頂點坐標重新計算長方體相鄰兩條邊的角度，則可以在理論上推導得到長方體形變量與超聲探頭與線性滑軌之間旋 轉角度的數學關系式；(3)線性掃描并測量重建長方體形變量采用線性掃描方式對標準長方體進行掃描，得到原始二維超聲圖像序列，假定超聲探頭與線性滑軌之間不存在坐標轉換關系，對原始超聲圖像進行三維重建，在重建后的三維圖像中測量長方體各個頂點在線性滑軌坐標系下的重建坐標，進而計算長方體相鄰邊之間夾角變化，即長方體形變量。超聲探頭與線性滑軌之間實際上是存在旋轉角度的，實際上線性掃描得到的原始二維超聲圖像序列也是在探頭與線性滑軌之間存在旋轉角度的情況下得到的，而在步驟(2)中，推導得到的數學關系式，是在假定線性滑軌與超聲探頭之間不存在坐標轉換的情況下得到的，因此這一步中在對二維超聲圖像序列進行重建時假定線性滑軌與探頭不存在坐標轉換關系，計算出重建長方體的形變量，代入步驟(2)推導出的公式，可以最終確定超聲探頭與線性滑軌的旋轉角度。(4)標定結果計算將步驟(3)中測量得到的長方體形變量代入到步驟(2)中推導出的長方體形變量與超聲探頭與線性滑軌之間旋轉角度的數學關系式，計算出超聲探頭與線性滑軌之間的旋轉角度，即為系統的位置標定結果。優選的，所述步驟(I)中，采用平行度測試儀來保證線性滑軌掃描方向與長方體上表面的一條邊相互平行。作為另一種優選方案，所述步驟(I)中，為保證線性滑軌掃描方向與長方體上表面的一條邊相互平行，采用如下方法將長方體和線性滑軌置于水平桌面上，然后調節線性滑軌的高度使其與長方體等高，接著調整線性滑軌的方向使其平行于長方體上表面的一條邊，最后再調節線性滑軌的高度到合適高度。在實際應用中，任何其他可行的方法都可以用來測量這兩者的平行度。優選的，所述步驟(I)中，長方體的某個頂點位于建立的世界坐標系的原點位置，從而根據長方體已知的尺寸，確定長方體其他頂點在世界坐標系中的坐標，設長方體AB⑶HEFG的頂點A位于世界坐標系的原點位置，長方體的三條邊AE、AD和AB分別位于坐標系的三條坐標軸上,三條邊的邊長分別為Xe、Yd、Zb，則長方體中A、B、D、E四個頂點的坐標分別為cXa= (O, O, O), cXb= (O, O, Zb), cXd= (O, Yd, O), cXe= (Xe, O, O) (I)優選的，所述步驟(2)中，首先將長方體各個頂點坐標從世界坐標系中轉換到原始超聲圖像平面坐標系中，具體步驟如下將超聲探頭連接在線性滑軌之上，假定超聲探頭與線性滑軌之間存在一個旋轉角度，根據超聲探頭的位置，建立原始超聲圖像平面坐標系，然后將世界坐標系下長方體各個頂點坐標轉換到原始超聲圖像平面坐標系中，坐標轉換公式如下cX=cT11TppX(2)將公式(2 )做變換得pX= (1Tp)(cT1)(cX) ；(3)其中PX、cX分別表示原始超聲圖像平面坐標系和世界坐標系中長方體各個頂點的頂點位置Jtp表示從原始超聲圖像平面坐標系到線性滑軌坐標系的轉換表達式^t1表示從線性滑軌坐標系到世界坐標系的轉換表達式。坐標轉換矩陣表達式如下
權利要求
1.一種基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，首先為線性掃描用的線性滑軌建立線性滑軌坐標系，然后將一個測試用的、已知尺寸大小的長方體置于該線性滑軌坐標系中，并保證線性滑軌和長方體的一條邊相互平行放置，以長方體一個頂點為原點建立世界坐標系，確定該世界坐標系下每個頂點的坐標；假定超聲探頭與線性滑軌之間存在一個旋轉角度，將世界坐標系下的每個頂點坐標轉換到原始超聲圖像平面坐標系中；再假定超聲探頭與線性滑軌之間不存在坐標轉換，再將原始超聲圖像平面坐標系下的頂點坐標轉換到線性滑軌坐標系中得到這些頂點新的坐標；根據各個頂點的轉換坐標計算出每兩條邊的夾角與超聲探頭和線性滑軌之間的旋轉角度的關系，得出線性掃描方式下探頭位置標定公式；然后線性掃描并測量重建長方體形變量，根據標定公式計算出超聲探頭與線性滑軌之間的旋轉角度，即為位置標定結果。
2.根據權利要求1所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)初始化為線性掃描用的線性滑軌建立一個線性滑軌坐標系，一個位置傳感器與線性滑軌固定相連，并可以通過機械驅動或手動產生移動；將測試用的、已知尺寸的長方體置于該線性滑軌坐標系中，并保證線性滑軌和長方體的一條邊相互平行放置；根據長方體的位置，建立世界坐標系，根據其尺寸標注每一個頂點在世界坐標系中的坐標； (2)推導長方體形變量與超聲探頭與線性滑軌之間旋轉角度的數學關系式將超聲探頭與位置傳感器綁定，一起連接在線性滑軌之上，根據超聲探頭的位置，建立原始超聲圖像平面坐標系；假定超聲探頭產生的原始超聲圖像平面與線性滑軌的坐標系之間存在旋轉角度，使用坐標轉換公式將長方體各個頂點坐標從世界坐標系中反推到原始超聲圖像平面坐標系中；然后在假定原始超聲圖像平面與線性滑軌之間不存在旋轉角度的情況下，對原始超聲圖像進行三維重建，即將原始超聲圖像平面坐標系中長方體各頂點坐標轉換到線性滑軌坐標系中；根據轉換得到的線性滑軌坐標系下各個頂點坐標重新計算長方體相鄰兩條邊的角度，則在理論上推導得到長方體形變量與超聲探頭與線性滑軌之間旋轉角度的數學關系式; (3)線性掃描并測量重建長方體形變量采用線性掃描方式對標準長方體進行掃描，得到原始二維超聲圖像序列，假定超聲探頭與線性滑軌之間不存在坐標轉換關系，對原始超聲圖像進行三維重建，在重建后的三維圖像中測量長方體各個頂點在線性滑軌坐標系下的重建坐標，進而計算長方體相鄰邊之間夾角變化，即長方體形變量； (4)標定結果計算將步驟(3)中測量得到的長方體形變量代入到步驟(2)中推導出的長方體形變量與超聲探頭與線性滑軌之間旋轉角度的數學關系式，計算出超聲探頭與線性滑軌之間的旋轉角度，即為系統的位置標定結果。
3.根據權利要求2所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(I)中，采用平行度測試儀來保證線性滑軌掃描方向與長方體上表面的一條邊相互平行。
4.根據權利要求2所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(I)中，為保證線性滑軌掃描方向與長方體上表面的一條邊相互平行，采用如下方法將長方體和線性滑軌置于水平桌面上，然后調節線性滑軌的高度使其與長方體等高，接著調整線性滑軌的方向使其平行于長方體上表面的一條邊，最后再調節線性滑軌的高度到合適高度。
5.根據權利要求3或4所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(I)中，長方體的某個頂點位于建立的世界坐標系的原點位置，從而根據長方體已知的尺寸，確定長方體其他頂點在世界坐標系中的坐標，設長方體ABCDHEFG的頂點A位于世界坐標系的原點位置,長方體的三條邊AE、AD和AB分別位于坐標系的三條坐標軸上，三條邊的邊長分別為36、￥(1、213，則長方體中4、8、03四個頂點的坐標分別為cXa= (O, O, O)，cXb= (O, O, Zb)，cXd= (O, Yd, O)，cXe= (Xe, 0,0)。(I)
6.根據權利要求5所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(2)中，首先將長方體各個頂點坐標從世界坐標系中轉換到原始超聲圖像平面坐標系中，具體步驟如下將超聲探頭連接在線性滑軌之上，假定超聲探頭與線性滑軌之間存在一個旋轉角度，根據超聲探頭的位置，建立原始超聲圖像平面坐標系，然后將世界坐標系下長方體各個頂點坐標轉換到原始超聲圖像平面坐標系中，坐標轉換公式如下 cX=cT11TppX(2) 將公式(2)做變換得 pX= (1Tp)-1 (cT1)-1 (cX) ；(3) 其中PX、cI分別表示原始超聲圖像平面坐標系和世界坐標系中長方體各個頂點的頂點位置^Tp表示從原始超聲圖像平面坐標系到線性滑軌坐標系的轉換表達式^1\表示從線性滑軌坐標系到世界坐標系的轉換表達式，其中坐標轉換矩陣表達式如下
7.根據權利要求6所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(2)中，設線性滑軌坐標系與原始超聲圖像平面坐標系之間在三個坐標軸X、Y、Z上的旋轉角度為a、P、Y，且均為0，使用坐標轉換公式將原始超聲圖像平面坐標系下長方體各個頂點坐標轉換到線性滑軌坐標系中，原始超聲圖像與線性滑軌之間的坐標轉換關系式為 cX' =1V pX ；(9) 其中Y表示線性滑軌坐標系下長方體各頂點的坐標，pX表示原始超聲圖像平面坐標系中長方體各個頂點的頂點位置Jt/表示從原始超聲圖像平面坐標系到線性滑軌坐標系的轉換表達式，其具體表達式為
8.根據權利要求7所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(2)中，根據公式(11)中各個頂點在線性滑軌坐標系中的坐標得出長方體的相鄰兩條邊的邊長為
9.根據權利要求1所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(3)中，采用線性掃描方式掃描已知長方體，并對采集得到的原始超聲圖像序列進行三維重建，測量重建長方體中四個頂點Α’、B’、D’、Ε’坐標，并使用余弦定理計算頂點Α’處每兩條邊的夾角ZB’A’D’、ΖΒ’Α’Ε’和ZD’A’E’。
10.根據權利要求8所述的基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法，其特征在于，所述步驟(4)中，將步驟(3)中測量得到的長方體形變量，即相鄰邊之間夾角ZB’A’D’、ZB’A’E’和ZD’A’E’代入到步驟(2)中推導出的長方體形變量與線性滑軌和超聲探頭之間旋轉角度的數學關系式(14)中，得到如下表達式
全文摘要
本發明公開了一種基于線性掃描的醫學超聲三維成像的位置標定方法。使用已知尺寸的長方體作為掃描對象，在假定原始超聲圖像平面與線性滑軌之間不存在角度變換關系的情況下對二維圖像進行三維重建，則可計算出原始超聲圖像平面與線性滑軌之間實際存在的角度與重建長方體形變量之間的數學關系；實際標定過程中，以線性掃描方式掃描長方體，對超聲圖像序列進行三維重建，將重建長方體的形變量代入數學關系式計算出原始超聲圖像平面(即超聲探頭的位置)與線性滑軌之間的旋轉角度，即為線性掃描方式下探頭位置標定結果。本發明簡單易懂、可操作性強，試驗簡單、標定方便準確，可用于基于自由臂線性掃描或者機械驅動線性掃描方式的三維超聲成像系統。
文檔編號A61B8/00GK103006263SQ20121055571
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者黃慶華, 胡偉 申請人:華南理工大學