專利名稱：基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及醫(yī)學(xué)超聲波的圖像處理和圖像顯示的方法。
背景技術(shù)：
超聲成像方法以使用方便、無創(chuàng)傷、無痛苦、無電離輻射及低成本等優(yōu)點(diǎn)，在臨床中得到廣泛應(yīng)用。其中三維超聲成像技術(shù)因其圖像顯示直觀、診斷精確性高等特點(diǎn)在超聲診斷中得到越來越多的應(yīng)用。目前，醫(yī)學(xué)三維超聲成像中常用的掃描方法有機(jī)械定位平行掃描、扇形掃描、旋轉(zhuǎn)掃描和自由臂(Free-Hand)掃描四種方式。其中，機(jī)械定位平行掃描、扇形掃描和旋轉(zhuǎn)掃描，是利用現(xiàn)有的二維超聲診斷設(shè)備(探頭)結(jié)合某種定位機(jī)械獲取一系列空間位置已知的二維超聲圖像，進(jìn)而使用各種重建算法重建三維物體。這種方法重建算法簡單快速，但是掃描方式受到很大的規(guī)則限制，使得其應(yīng)用范圍比較狹小。而自由臂掃描 可以任意位置任意方向掃描，給操作者提供了較大的靈活性，但這種掃描方法得到的二維圖像序列的空間位置不是規(guī)則排列，且數(shù)據(jù)量可能會很大，不僅增大了三維重建算法的復(fù)雜度，也會增加了整個重建過程的時間，這對于臨床實(shí)時性要求較高的超聲三維成像技術(shù)來說是一個比較大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種加速處理超聲圖像序列的速度，從而提高三維超聲圖像數(shù)據(jù)重建與成像速度的方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，包括下述步驟SI、創(chuàng)建任務(wù)池，根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)讀取圖像數(shù)據(jù)并構(gòu)建任務(wù)池；S2、劃分子任務(wù)，采用域劃分的方法將采集的超聲圖像序列按照定義好的粒度大小劃分成多個子任務(wù)，每個子任務(wù)是要完成S幀相鄰圖像的插值；S3、分配子任務(wù)，把子任務(wù)分配給不同的處理器；S4、計算子任務(wù)，各個處理器之間相互協(xié)同、并行地執(zhí)行子任務(wù)；S5、全局插值，將各個處理器重建得到的子任務(wù)結(jié)果進(jìn)行全局插值，得到三維圖像；S6、圖像顯示，顯示重建后的三維圖像。優(yōu)選的，步驟S2具體為設(shè)圖像序列的總數(shù)N，處理器個數(shù)P，圖像重建最少要求有一幀圖像，最小的任務(wù)粒度大小是一幀圖像，定義每個子任務(wù)的粒度大小S是S=max{N/(2*P), 1}成像是在圖像采集完成之后，使用上式定義的S來劃分超聲圖像序列，得到N/S個圖像塊，也就是N/S個子任務(wù)；
如果成像是在實(shí)時采集過程中，圖像序列的總數(shù)N是未知的，用一定時間間隔T采集的圖像數(shù)代替N，則有S=max {(R*T)/P，I}其中，R是圖像采樣率，如果成像是在實(shí)時采集過程中，使用上式定義的S來劃分子任務(wù)，一旦獲得S幀圖像，就產(chǎn)生ー個新的子任務(wù)。優(yōu)選的，每個新的子任務(wù)首先將S幀原始ニ維圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換公式轉(zhuǎn)換到三維重建坐標(biāo)系中對應(yīng)體素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如下cX = cTttTeeTppX其中pX表示原始ニ維圖像坐標(biāo)系中像素點(diǎn)坐標(biāo)；KTP表示原始ニ維圖像坐標(biāo)系到位置傳感器坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式；tTk表示位置傳感器坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式；cTt表示世界坐標(biāo)系到三維重建坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式；而eX則表示對應(yīng)于ニ維圖像坐標(biāo)系下像素點(diǎn)在三維重建坐標(biāo)系下的體素坐標(biāo)，而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式用兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)軸之間的旋轉(zhuǎn)角度y )及位移(X，y, z)表示
權(quán)利要求
1.一種基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，包括下述步驟 51、創(chuàng)建任務(wù)池，根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)讀取圖像數(shù)據(jù)并構(gòu)建任務(wù)池； 52、劃分子任務(wù)，采用域劃分的方法將采集的超聲圖像序列按照定義好的粒度大小劃分成多個子任務(wù)，每個子任務(wù)是要完成S幀相鄰圖像的插值； 53、分配子任務(wù)，把子任務(wù)分配給不同的處理器； 54、計算子任務(wù)，各個處理器之間相互協(xié)同、并行地執(zhí)行子任務(wù)； 55、全局插值，將各個處理器重建得到的子任務(wù)結(jié)果進(jìn)行全局插值，得到三維圖像； 56、圖像顯示，顯示重建后的三維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，步驟S2具體為 設(shè)圖像序列的總數(shù)N，處理器個數(shù)P，圖像重建最少要求有一幀圖像，最小的任務(wù)粒度大小是一幀圖像，定義每個子任務(wù)的粒度大小S是S=max{N/(2*P)，1} 成像是在圖像采集完成之后，使用上式定義的S來劃分超聲圖像序列，得到N/S個圖像塊，也就是N/S個子任務(wù)； 如果成像是在實(shí)時采集過程中，圖像序列的總數(shù)N是未知的，用一定時間間隔T采集的圖像數(shù)代替N，則有S=max{(R*T)/P， 1} 其中，R是圖像采樣率，如果成像是在實(shí)時采集過程中，使用上式定義的S來劃分子任務(wù)，一旦獲得S幀圖像，就產(chǎn)生一個新的子任務(wù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，每個新的子任務(wù)首先將S幀原始二維圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換公式轉(zhuǎn)換到三維重建坐標(biāo)系中對應(yīng)體素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如下 cX=cTttTeeTppX 其中pX表示原始二維圖像坐標(biāo)系中像素點(diǎn)坐標(biāo)；KTP表示原始二維圖像坐標(biāo)系到位置傳感器坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式/!^表示位置傳感器坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式；°1\表示世界坐標(biāo)系到三維重建坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式；而eX則表示對應(yīng)于二維圖像坐標(biāo)系下像素點(diǎn)在三維重建坐標(biāo)系下的體素坐標(biāo)，而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式用兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)軸之間的旋轉(zhuǎn)角度(α，β，γ )及位移(X，y, z)表示 ^COSflrcos/^ coscrsin^sin/- sin^cos/ cosc!rsin/ cosy-I sinasin/ λ'’ sin cos/ sin sin/ sin;/+cos cos7s i η a s i η / cos;/ - cosor si η;/yT1 --sin/ cos/ sin;/cos/ cos/z、000Ij 其中I、J為兩個坐標(biāo)系，X、y、z分別對應(yīng)兩個坐標(biāo)系在X軸，y軸和z軸方向上的位移，α、β、Y分別為兩個坐標(biāo)系沿著X軸，y軸和z軸的旋轉(zhuǎn)角；然后通過插值算法計算體素灰度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，選用平方距離加權(quán)算法SDW或距離加權(quán)算法DW進(jìn)行圖像插值運(yùn)算；所述SDW算法是通過對體素局部鄰域內(nèi)的所有像素灰度的加權(quán)平均來計算體素灰度，加權(quán)系數(shù)為像素與體素距離平方的倒數(shù)，算法表示為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，步驟S3中，所述分配子任務(wù)是采用任務(wù)池方法將子任務(wù)分配給不同的處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，所述任務(wù)池方法具體為 有一個集中的任務(wù)池，一個master進(jìn)程和多個worker進(jìn)程；master進(jìn)程負(fù)責(zé)管理任務(wù)池、發(fā)送任務(wù)、結(jié)果收集和全局插值，每個worker進(jìn)程重復(fù)下面的操作請求任務(wù)、接收任務(wù)、圖像插值計算、返回計算結(jié)果，所有的worker進(jìn)程并發(fā)地執(zhí)行子任務(wù)，當(dāng)任務(wù)池里的任務(wù)都執(zhí)行完成后，worker進(jìn)程請求任務(wù)并收到ー個有退出命令的任務(wù)，當(dāng)所有的worker進(jìn)程退出后，master進(jìn)程退出任務(wù)分配和結(jié)果收集循環(huán)；所述Master進(jìn)程運(yùn)行在主節(jié)點(diǎn)處理器上，而worker進(jìn)程運(yùn)行在其他的計算節(jié)點(diǎn)的處理器上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，步驟S5中主進(jìn)程進(jìn)行全局插值，每個子任務(wù)的計算結(jié)果是由ー個任務(wù)粒度大小，即S幀ニ維圖像經(jīng)過插值得到的重建結(jié)果，而對于采集到的原始ニ維圖像序列中的相鄰兩幀圖像，可能會被分到不同的子任務(wù)中；而相鄰兩幀圖像中的像素點(diǎn)可能會被映射到體空間中相同的體素點(diǎn)，則需要在全局插值中將這些映射到體空間中相同體素點(diǎn)的子任務(wù)計算結(jié)果進(jìn)行合并。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，其特征在于，步驟S5中，主進(jìn)程進(jìn)行全局插值的具體步驟是 Master進(jìn)程中除了主線程外創(chuàng)建ー個數(shù)據(jù)讀取線程，實(shí)時采集時，數(shù)據(jù)讀取線程根據(jù)用戶參數(shù)構(gòu)建任務(wù)池，從圖像采集卡讀取圖像數(shù)據(jù)，將圖像數(shù)據(jù)劃分成一個個小任務(wù)放入任務(wù)池；當(dāng)成像是圖像采集完成后，數(shù)據(jù)讀取線程根據(jù)用戶參數(shù)構(gòu)建任務(wù)池，將從磁盤讀取的圖像數(shù)據(jù)劃分成一個個小任務(wù)放入任務(wù)池，圖像拼接線程創(chuàng)建之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到主線程接收到worker進(jìn)程的插值結(jié)果信息后被喚醒，進(jìn)行全局圖像插值，主線程負(fù)責(zé)與worker進(jìn)程通信發(fā)送任務(wù)和數(shù)據(jù)，接收計算結(jié)果，接收退出命令，還負(fù)責(zé)通知數(shù)據(jù)讀取線程，在master進(jìn)程里進(jìn)行全局圖像插值；采用基于計算機(jī)集群的并行計算技術(shù)，將采集的超聲圖像序列的圖像插值任務(wù)劃分成多個子任務(wù)，在集群上創(chuàng)建worker進(jìn)程，把子任務(wù)分配給不同的worker進(jìn)程，各個處理器worker進(jìn)程并發(fā)地執(zhí)行子任務(wù)，從而加速超聲圖像三維重建的速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于并行計算機(jī)的醫(yī)學(xué)超聲三維成像方法，包括S1、創(chuàng)建任務(wù)池，根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)讀取圖像數(shù)據(jù)并構(gòu)建任務(wù)池；S2、劃分子任務(wù)，采用域劃分的方法將采集的超聲圖像序列按照定義好的粒度大小劃分成多個子任務(wù)，每個子任務(wù)是要完成S幀相鄰圖像的插值；S3、分配子任務(wù)，把子任務(wù)分配給不同的處理器；S4、計算子任務(wù)，各個處理器之間相互協(xié)同、并行地執(zhí)行子任務(wù)；S5、全局插值，將各個處理器重建得到的子任務(wù)結(jié)果進(jìn)行全局插值，得到三維圖像；S6、圖像顯示，顯示重建后的三維圖像。本發(fā)明解決了超聲三維成像耗時長的問題，另外本發(fā)明使用廉價的計算機(jī)構(gòu)建并行計算環(huán)境，可以充分利用計算資源，成本也較低。
文檔編號G06T17/00GK102835974SQ20121030179
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月23日
發(fā)明者黃慶華, 胡偉 申請人:華南理工大學(xué)