專利名稱：一種三維成像超聲診斷探頭的定位裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學超聲診斷系統(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：
超聲診斷是利用超聲探測人體組織進行是否病變的圖像診斷技術，具有分辨率高，實時性好，安全無創(chuàng)等優(yōu)點，在臨床圖像診斷中得到廣泛應用，超聲圖像診斷技術不斷發(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據，對這些數據進行處理，得到更具真實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，有著重要的應用價值。三維超聲圖像是由多組ニ維平面信息經過三維重建得來，通過空間掃描獲取序列·ニ維圖像數據，測量并記錄它們之間的空間位置關系，利用這些已知的空間位置關系，運用一定的插值算法恢復三維的空間數據。對于ー維探頭，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現(xiàn)三維重建的關鍵因素?，F(xiàn)有的定位技術比如采用機械掃描方式，無論是平行掃描，扇形掃描還是旋轉掃描，定位系統(tǒng)的探頭只能沿著固定軌道移動，而且需有相應的傳動設備，對于醫(yī)生操作檢測并不靈巧方便。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構，輔助計算探頭的坐標，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，無線定位器會對醫(yī)療設備帶來一定的電磁干擾，所以必須引線，使用不便，優(yōu)點是價格便宜。此外還有主動發(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，需要復雜的調試和操作，易受到環(huán)境條件的影響。
發(fā)明內容
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，提出一種三維成像超聲診斷探頭的定位方法及裝置，能夠在不改變原有探頭結構的情況下，對探頭位置進行定位，使普通一維探頭可以用于實現(xiàn)較為精確的三維超聲成像。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(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，還包括有兩個激光散斑光學成像模塊、帶有坐標計算軟件的計算機和單片機，所述的激光散斑光學成像模塊包括ー個容器，容器內固定有激光二極管、兩個透鏡和感光陣列，使激光二極管發(fā)出的激光經過透鏡一照射到工作平面上，后被反射經過透鏡ニ入射到感光陣列，所述的兩個激光散斑光學成像模塊固定在所述的超聲探頭的兩側，將感光陣列采集到的圖像輸入進所述的計算機，通過坐標計算軟件計算出超聲探頭的位置坐標，所述的單片機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成像模塊得到超聲探頭的位置圖像信號，將此信號傳入計算機中，通過坐標計算軟件計算出超聲探頭的位置坐標，移動超聲探頭，同樣方法得到移動后超聲探頭的位置坐標，計算出超聲探頭的位置變化；當超聲探頭窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變時，兩個激光散斑光學成像模塊測定的距離改變不同，根據兩個激光散斑光學成像模塊測到超聲探頭移動前的位置坐標和移動后的位置坐標，計算出超聲探頭改變的角度；由此得到超聲探頭的掃查軌跡，將掃查軌跡結合探頭得到的超聲回波切面圖像，進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，所成圖象包含了當前的位置信息。散斑圖上每一點周圍的ー個像素單元為N*N的小圖像，稱為該點的子圖像。由于激光散斑場是隨機分布，某點子圖像的散斑分布與其他點的子圖像具有不同的統(tǒng)計特性，可以認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的統(tǒng)計特征，這樣如果散射平面產生面內微位移，散斑圖上每一點的子圖像也隨該點做相應的位移，比較前后兩幅圖象就能計算出位移信息。坐標計算步驟，參見圖3，假設移動前物面上的待測點10在移動后到了 12，則移動前散斑圖上10的子圖像11就與變形后散斑圖上12點的子圖像13相對應，兩者的相關性
最高而且相關系數C最大，因此位置f的改變可以通過子圖像的相關位移捜索來找出，相
關運算公式C(r) = ]](//(び +Γ) ,/2 び⑴
S
1 ■ > ' > > ·' >
_2] ψ{σ + Γ) = /(σ) · g(a + Γ)⑵式中，c是相關系數，s是相關子圖像，f和g分別為移動前后散斑場灰度強度函數。以開始檢測時的坐標為原點建立坐標系，選取圖像的ー個方向為X方向，另ー個垂直方向為Y方向，可實時得到激光散斑光學成像系統(tǒng)照射區(qū)域的位置坐標。同時考慮在掃查過程中，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成像系統(tǒng)以相對固定的距離安裝在超聲探頭上，當探頭聲窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變，激光散斑光學成像系統(tǒng)a和激光散斑光學成像系統(tǒng)b測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)點是本發(fā)明能夠在不改變原有探頭結構的情況下，對探頭位置進行的定位，使普通一維探頭可以用于實現(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。
圖I為應用本發(fā)明的超聲探頭掃查方式示意圖。圖2為本發(fā)明結構示意圖。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，還包括有兩個激光散斑光學成像模塊2、帶有坐標計算軟件的計算機8和單片機9，所述的激光散斑光學成像模塊2包括ー個容器，容器內固定有激光二極管3、兩個透鏡4和6和感光陣列5，使激光二極管3發(fā)出的激光經過透鏡一 4照射到工作平面7上，后被反射經過透鏡ニ 6入射到感光陣列5，所述的兩個激光散斑光學成像模塊2固定在所述的超聲探頭I的兩側，將感光陣列5采集到的圖像輸入進所述的計算機8，通過坐標計算軟件計算出超聲探頭I的位置坐標，所述的單片機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成像模塊2得到超聲探頭I的位置圖像信號，將此信號傳入計算機8中，通過坐標計算軟件計算出超聲探頭I的位置坐標，移動超聲探頭1，同樣方法得到移動后超聲探頭I的位置坐標，計算出超聲探頭I的位置變化；當超聲探頭I窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變時，兩個激光散斑光學成像模塊2測定的距離改變不同，根據兩個激光散斑光學成像模塊2測到超聲探頭I移動前的位置坐標和移動后的位置坐標，計算出超聲探頭I改變的角度；由此得到超聲探頭I的掃查軌跡，將掃查軌跡結合探頭得到的超聲回波切面圖像，進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，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，同步觸發(fā)激光散斑光學成像模塊2，讀取此時的位置坐標信號。如圖I所示，依次接收多幅ニ維切面圖象，同時得到每個切面圖象對應的坐標。圖2為本發(fā)明的結構示意圖。激光散斑光學成像模塊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，光源照射工作平面7，形成的散斑場經透鏡成像，像面位于感光陣列面上。如圖3，假設移動前物面上的待測點10在移動后到了 12，則移動前散斑圖上10的子圖像11就與變形后散斑圖上12點的子圖像13相對應,兩者的相關性最聞而
且相關系數C最大，因此位置f的改變可以通過子圖像的相關位移捜索來找出，相關運算
利用公式(1)，(2)進行。以開始檢測時的坐標為原點建立坐標系，選取圖像的ー個方向為X方向，另ー個垂直方向為Y方向，可實時得到激光散斑光學成像系統(tǒng)照射區(qū)域的位置坐標。同時考慮在掃查過程中，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成像模塊2以相對固定的距離安裝在超聲探頭1上，當超聲探頭1聲窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變，激光散斑光學成像系模塊a和激光散斑光學成像模塊b測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，通過數據采集處理模塊得到ニ維切面圖象，結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，選取初始探頭聲窗長軸方向為Y軸方向，參見圖5，如相鄰兩幀圖像的位置坐標分別為(xl，yl)和(x2，y2)，探頭聲窗長軸方向和坐標軸X的夾角都為Θ C1，將兩幀圖像平行的置入坐標系，若獲取第三幀圖像時，探頭方向改變Θ角度，則將第三幀圖像旋轉Θ角度置入坐標系，以此類推，確定ニ維圖像數據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據體。本方案不限于以上的實施實例，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激光散斑光學成像模塊、帶有坐標計算軟件的計算機和單片機，所述的激光散斑光學成像模塊包括ー個上下開ロ的容器，容器內固定有激光二極管、兩個透鏡和感光陣列，使激光二極管發(fā)出的激光經過透鏡一照射到工作平面上，后被反射經過透鏡ニ入射到感光陣列，所述的兩個激光散斑光學成像模塊固定在所述的超聲探頭的兩側，將感光陣列采集到的圖像輸入進所述的計算機，通過坐標計算軟件計算出超聲探頭的位置坐標，所述的單片機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觸發(fā)所述的激光二極管發(fā)射激光。
2.采用權利要求I所述的裝置進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成像模塊得到超聲探頭的位置圖像信號，將此信號傳入計算機中，通過坐標計算軟件計算出超聲探頭的位置坐標，移動超聲探頭，同樣方法得到移動后超聲探頭的位置坐標，計算出超聲探頭的位置變化；當超聲探頭窗長軸與掃查軌跡的角度發(fā)生改變時，兩個激光散斑光學成像模塊測定的距離改變不同，根據兩個激光散斑光學成像模塊測到超聲探頭移動前的位置坐標和移動后的位置坐標，計算出超聲探頭改變的角度；由此得到超聲探頭的掃查軌跡，將掃查軌跡結合探頭得到的超聲回波切面圖像，進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，能夠在不改變原有探頭結構的情況下，對探頭位置進行定位，實現(xiàn)三維超聲成像。所述定位裝置包括超聲探頭，兩個激光散斑光學成像模塊，用于采集位置信息；坐標計算模塊，用于根據激光散斑光學成像模塊采集的位移信息，計算探頭坐標；本發(fā)明操作方便，實現(xiàn)成本低，基本沒有空間電磁輻射。
文檔編號A61B8/00GK102846378SQ20121026900
公開日2013年1月2日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2012年7月31日
發(fā)明者張鑫, 翟暢 申請人:安徽皖儀科技股份有限公司