專利名稱：超聲三維快速成像方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種成像方法與裝置，尤其是涉及一種超聲三維成 像方法與裝置。
背景技術：
超聲三維成像現(xiàn)在最普遍的應用是在產(chǎn)科對于胎兒的成像，臨 床上可以直觀的觀察肚中胎兒是否有裂唇、臍帶繞脖等現(xiàn)象。另外， 還可以用于觀察膽嚢、膀胱等部位的成像。這類三維成像的特點是 成像組織運動相對較慢，對時間分辨率要求不高。這類組織可以直
接使用普通的1D探頭使用自由臂掃描或者使用機械探頭由馬達帶動 探頭掃描來實現(xiàn)成像，使用機械探頭的成像速度一般是在2-4幀/秒。 高級的超聲三維成像主要是2D探頭的高速三維成像，這類成像主要 針對心臟這類高速運動的組織器官。由于使用的是2D探頭可以高速 獲得所需數(shù)據(jù)，因此可以達到很高的時間分辨率， 一般可以達到20 幀/秒。
三維成像技術主要包括三個部分， 一是數(shù)據(jù)的采集，二是數(shù)據(jù) 處理，三是成像方法。
數(shù)據(jù)的采集主要是如何得到三維成像所需的體積數(shù)據(jù)，使用自 由臂為例，體積數(shù)據(jù)就是1D探頭沿著與探頭厚度方向(Elevation Direction)勻速運動掃描得到的序列圖像數(shù)據(jù)，這部分數(shù)據(jù)包含了 探頭掃過部分的三維信息，從而可以用于三維成像。機械探頭使用 的是由馬達帶動探頭繞著某一支軸扇掃的方式獲得所需要的體積數(shù) 據(jù)。數(shù)據(jù)采集得到的是一系列的掃描線數(shù)據(jù)，也可以看作是一系列 坐標變換前的圖像序列。這些數(shù)據(jù)的每個點都代表了所掃的三維空 間上的某個點，稱為體素(Voxel)。
9數(shù)據(jù)處理是在成像前對采集的數(shù)據(jù)處理的過程， 一般包括了重 構(gòu)過程。主要是將得到的極坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺藬?shù)據(jù)，從而對 采集的數(shù)據(jù)進行坐標變換得到與真實空間 一致的體數(shù)據(jù)。這時體素 的相對位置與真實空間 一致。
有了體數(shù)據(jù)， 一般的成像方法使用的是光線跟蹤方法。通過在 虛擬的三維空間中添加視點，視平面以及體數(shù)據(jù)，使用視點與視平 面上的像素的連線作為光線方向?qū)w數(shù)據(jù)進行重采樣。對于重采樣 的數(shù)據(jù)，使用光線數(shù)學模型進行結(jié)合得到一個結(jié)果值，該值就是對 應的視平面像素的灰度。當所有的像素位置都得到了結(jié)果值，那么 也就完成了 一次對體數(shù)據(jù)的成Y象。
受讓人為 Aloka , 名稱為 "Ultrasound image processing apparatus and method of forming and displaying ultrasound images by the apparatus",專利號為5911691的美國專利詳細介紹 了使用光線跟蹤的方法進行三維成像。
如圖1所示，在數(shù)據(jù)采集方面，該專利提出按照視點位置進行 數(shù)據(jù)采集。對于ID的機械探頭而言就是探頭旋轉(zhuǎn)的半徑與探頭半徑 一致，那么得到的掃描線方向延長線就會聚集在同一個點。將該點 作為視點，那么光線的方向就會與掃描線方向一致。也就是說，每 條掃描線就可以對應一條視點與視平面像素的連線，這樣的設計將 大大降低運算量，因為
a) 不需要進行重構(gòu)；
b) 不需要對一個三維的數(shù)據(jù)按照光線方向計算入射點等參數(shù)以 及重采樣操作。
有了體數(shù)據(jù)，該專利的成像方法是常規(guī)的光線跟蹤方法。不同 的是，它只需要對于每一條掃描線進行計算就可以得到結(jié)果圖像。 如圖2所示，立方體代表了某條光線(在該專利就是掃描線)上的 體素，平行四邊形代表了視平面，就是結(jié)果圖像，該光線上的數(shù)據(jù) 合成得到的像素是P(x,y)。數(shù)據(jù)合成使用的是一個迭代的過程，該過程模擬了光線穿透不同的介質(zhì)(介質(zhì)屬性使用數(shù)據(jù)點值描述)被吸 收以及穿透的過程。每個體素根據(jù)其灰度的不同會有一個不透明度，
一般是正比于灰度值的單調(diào)曲線。不透明度標記為ai,體素灰度標記 為eia數(shù)據(jù)合成步驟為
i) 對于第一個體素1=1(^=0;
ii) C0UTi = (l-ai)*CINi + a^e" i=i+l， CINi = C,h;
iv) 如果§>,=1或者i超出了體素范圍，則輸出C^i;否則，
跳到ii)。
該技術方案的 一個問題是與探頭相關，因為其前提條件是視點、 探頭旋轉(zhuǎn)原點、探頭原點一致，這就要求使用的是二維探頭或者使 用特別設計的機械探頭。這是限制該技術的一個問題。另外， 一旦
視點固定，也就是說無法進行^:大縮小旋轉(zhuǎn)的操作，因為這些都使
得光線與掃描線方向不一致，從而無法達到本專利的一個關鍵-降 低計算量的目的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服現(xiàn)有方法的這些缺點，提供一種針對 常規(guī)的機械探頭的三維成像方法與裝置，來實現(xiàn)超聲三維的快速而 準確的成像。為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明所采取的技術方案如下。
按照本發(fā)明的第一方面，才是供一種超聲三維快速成像方法，包
括采集步驟，用于使用機械超聲探頭掃描和采集極坐標形式的體 數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；平滑步驟，用于對體數(shù)據(jù)進行平滑 處理；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從 直角坐標系坐標到極坐標系的變換關系，其中梯度表保存了極坐標
點(W/^a,/^)對應的(pl,p2,p3)，其中<formula>formula see original document page 11</formula>
投射步驟，用于確定采樣的起始點并給灰度、不透明度賦初始值， 通過投射獲得采樣點的直角坐標；查表步驟，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標，并且插值計算采樣點的灰度值；合成步 驟，用于對于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算該采樣點的梯 度，并計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，以及基于該內(nèi) 積計算累積的灰度和累積的不透明度，對于不滿足合成條件的情況， 則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于如果到了預定的結(jié)束條件， 則輸出當前累積的灰度作為結(jié)果圖像對應像素的結(jié)果值，否則，返 回到投射步驟。
按照本發(fā)明的第二方面，還是提供一種超聲三維快速成像方法， 包括采集步驟，用于使用機械超聲探頭掃描和采集極坐標形式的 體數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯 度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標系坐標到極坐標系的變換關系， 其中梯度表保存了極坐標點0"Aeto,;^)對應的(Pl,p2,p3)，其中
G=(pl,p2,p3)=f^，~^~,!);投射步驟，用于確定采樣的起始點
并給灰度、不透聽度賦初始值，通過投射獲得采樣點的直角坐標； 查表步驟，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標；平滑步 驟，用于對采樣點的體數(shù)據(jù)進行平滑處理，以獲取體數(shù)據(jù)在采樣點 坐標位置的平滑數(shù)據(jù)；合成步驟，用于對于滿足合成條件的灰度值， 查梯度表計算采樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位 向量內(nèi)積，以及基于該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度，對 于不滿足合成條件的情況，則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于 如果到了預定的結(jié)束條件，則車命出當前累積的灰度作為結(jié)果圖像對 應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射步驟。
可選地是，按照本發(fā)明第 一方面或第二方面的超聲三維快速成 像方法還包括截取步驟，用于通過界面設置感興趣區(qū)域，并從體 數(shù)據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并對所截取的數(shù)據(jù)進行平 滑步驟以及后續(xù)步驟的處理。
優(yōu)選地是，其中所述平滑處理為均值濾波或中值濾波處理，所述平滑處理是選擇當前點各個方向中最均勻的方向進行平滑。
其中在所述重構(gòu)表中，所述直角坐標系(X,乂Z)到極坐標系
0^/ eto，p/^)的變換關系為
= tan-1 (z / >>).
Aeto = tan一1 (;c /(pr — # + 其中所述重構(gòu)表包括(/，z)與(y ',/7力力的對應表，以及Cr， W)與 (r, Me")的對應表。當旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃 描角度發(fā)生變化時，則重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的 重構(gòu)表。所述查表步驟為通過/和z坐標查表得到,和然后 通過W和x坐標查表得到r和坐標。
所述查梯度表計算采樣點的梯度為，將直角坐標點PCr,/，z)變 換為極坐標點(r, Me", p力/)，通過(r,p力/)查梯度表得到 (pl,p2,p3),使用(pl,p2，p3)作為三個坐標軸的步長，按照下式計 算梯度6^《
GW = (O, G說她，G盧)
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中《因子用于控制步長，可以選擇為2。
其中給灰度和不透明度所賦的初始值為0。按照下式計算累積的 灰度/。 (和累積的不透明度《。 ,:
其中4和L為累積的灰度，《, 和"。 ,為累積的不透明度，c,.和a,.為當 前光線經(jīng)過的像素點灰度及不透明度，以及 ;為梯度單位向量與光線方向單4立向量內(nèi)積。
所述合成條件是針對當前采樣點的灰度而設置的 一 個閾值，如
果灰度低于該閾值，則認為該點為噪聲，于是不對該點進行合成； 根據(jù)不同的機器噪聲水平取該閾值為30。
其中所述結(jié)束條件設置為滿足如下條件之一
a) 。 ,<K,其中K《l;
b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點。
按照本發(fā)明的第三方面，^:供一種超聲三維快速成像裝置，包 括采集模塊，用于掃描和采集極坐標形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體 數(shù)據(jù)緩存中；平滑模塊，用于對體數(shù)據(jù)進行平滑處理；構(gòu)建模塊， 用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標系坐標到 極坐標系的變換關系，其中梯度表保存了極坐標點(r， Me&,/7力/)對
應的(pl,p2，p3)，其中G-(pl，p2,p3)-f！,！,！^投射模塊，
、艦加3/ /u.」
用于確定采樣的起始點并給灰度、不透明度賦初始值，通過投射獲
得采樣點的直角坐標；查表模塊，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表 得到其極坐標，并且插值計算采樣點的灰度值；合成模塊，用于對 于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算該采樣點的梯度，并計算 梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，以及基于該內(nèi)積計算累積 的灰度和累積的不透明度，對于不滿足合成條件的情況，則返回投 射步驟；以及輸出模塊，用于如果到了預定的結(jié)束條件，則輸出當 前累積的灰度作為結(jié)果圖像對應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射 模塊。
按照本發(fā)明的第四方面，還是提供一種超聲三維快速成像裝置， 包括采集模塊，用于掃描和采集極坐標形式的體數(shù)據(jù)，并保存在 體數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表 保存了從直角坐標系坐標到極坐標系的變換關系，其中梯度表保存 了極坐標點 (r, Me"，p力力對應的 (pl，p2，p3)，其中G"pl，p2，p3)^^,^^,!);投射模塊，用于確定采樣的起始點
、她加3盧:
并給灰度、不透明度賦初始值，通過投射獲得采樣點的直角坐標； 查表模塊，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標；平滑模 塊，用于對采樣點的體數(shù)據(jù)進行平滑處理，以獲取體數(shù)據(jù)在采樣點 坐標位置的平滑數(shù)據(jù);合成模塊，用于對于滿足合成條件的灰度值， 查梯度表計算采樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位 向量內(nèi)積，以及基于該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度，對 于不滿足合成條件的情況，則返回投射步驟；以及輸出模塊，用于 如果到了預定的結(jié)束條件，則輸出當前累積的灰度作為結(jié)果圖像對 應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。
可選地是，按照本發(fā)明第三方面或第四方面的超聲三維快速成 像裝置還包括截取模塊，用于通過界面設置感興趣區(qū)域，并從體 數(shù)據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并將所截取的數(shù)據(jù)傳輸給 平滑模塊以及后續(xù)模塊進行處理。
優(yōu)選地是，所述平滑模塊對體數(shù)據(jù)進行均值濾波或中值濾波處 理，所述平滑模塊選擇當前點各個方向中最均勻的方向進行平滑處 理。
在所構(gòu)建的重構(gòu)表中，所述直角坐標系(X,乂2)到極坐標系
C Aeto,; /2/)的變換關系為
/ /u' = tan一1 (z / _y).
r—^fl-pr- V(/"" -+ ")2 + - , = tarT1 (jc /(pr
其中所述重構(gòu)表包括(/,》與W'，/ 力/)的對應表，以及Cr， yr)與
(r, Me")的對應表。當旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度發(fā)生變化時，則重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的 重構(gòu)表。所述查表模塊通過/和z坐標查表得到F和p力/，然后通過 F和x坐標查表得到r和坐標。
所述合成模塊將直角坐標點P0r,/,z)變換為極坐標點 (r， f力e"， ，通過(r， ; 力/)查梯度表得到(pl， p2， p3)，使
用(pl, p2， p3)作為三個坐標軸的步長，按照下式計算梯度
二 (F(r +《，pi, &&a， p/u') — K(r —《.； l， A她,
A咖+《 p2， p/u') — W加 一 纟.p2， r(r, ^ze/fl， ； /z/ +《 />3) — r(r， A加，—《，p3))
其中《因子用于控制步長，可以選擇為2。
其中所述投射模塊給灰度和不透明度所賦的初始值為0。所述合
成模塊按照下式計算累積的灰度/。 ,和累積的不透明度:
其中4和L為累積的灰度， 和a。",為累積的不透明度，C,.和a,.為當 前光線經(jīng)過的像素點灰度及不透明度，以及7]為梯度單位向量與光線 方向單位向量內(nèi)積。
所述合成條件是針對當前采樣點的灰度而設置的 一 個閾值，如 果灰度低于該閾值，則認為該點為噪聲，于是不對該點進行合成； 根據(jù)不同的機器噪聲水平取該閾值為30。
其中所述結(jié)束條件設置為滿足如下條件之一
a) "。w〈K,其中K《1;
b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點。
本發(fā)明通過預處理以及構(gòu)建重構(gòu)表與梯度表，對于需要計算的 點才進行變換獲取，這樣可以避免大量的不必要的重構(gòu)計算。與現(xiàn) 有技術相比，本發(fā)明更加符合一般的情況，因為很難有探頭的旋轉(zhuǎn) 半徑與探頭半徑一致。
圖1~圖3為現(xiàn)有技術中的體數(shù)據(jù)采集和光線跟蹤方法的示意
圖4是按照本發(fā)明的超聲前端采集數(shù)據(jù)流程圖5是按照本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖6是說明當前點的四個方向dl-d4的示意圖7是極坐標系下的體數(shù)椐；
圖8是直角坐標系下的體數(shù)據(jù)；
圖9是兩個平面的圖像，其中(a)為YZ平面，(b)為RZ平面與 常規(guī)B圖平面一致；
圖10是通過結(jié)果圖像與視點0v的光線在體數(shù)據(jù)上重采樣； 圖ll是按照本發(fā)明的光線才更射流程圖12是按照本發(fā)明的光線合成方法，4和L'為累積值，"i"，"。"'
為累積的不透明度，C,，",'為當前光線經(jīng)過的像素點灰度及不透明度； 圖13是按照本發(fā)明的超聲三維快速成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖14是按照本發(fā)明的另外一種光線投射流程圖； 圖15是按照本發(fā)明的另外一種超聲三維快速成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
圖4所示為超聲前端體數(shù)據(jù)采集流程圖，探頭為機械探頭，探頭 在馬達的帶動下以 一定的速度進行旋轉(zhuǎn)掃描?？刂破骺刂瓢l(fā)射部分 進行脈沖發(fā)射，同時也控制探頭按照一定的速度進行旋轉(zhuǎn)。所有陣 元進行脈沖發(fā)射后，T/R轉(zhuǎn)換進行切換進入接收狀態(tài)。所有接收通道 的數(shù)據(jù)傳到接收部分進行波速合成以得到掃描線射頻數(shù)據(jù)，射頻數(shù) 據(jù)經(jīng)過檢測部分進行解調(diào)，二次采樣等步驟后得到了 一條掃描線數(shù) 據(jù)。掃描線數(shù)據(jù)被保存在體數(shù)據(jù)緩存中，這些掃描線是以極坐標的 形式進行保存的；當機械探頭按照指定角度掃描過后，得到的就是 沖及坐標形式的體數(shù)據(jù)，這時可以進入后面的處理過程。圖5所示為數(shù)據(jù)處理流程。對于體數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)，并不是所 有的數(shù)據(jù)都會用于三維成像。這時因為對于超聲三維而言，只對感
興趣區(qū)域(ROI)進行成像可以避免有用的數(shù)據(jù)被掩蓋。用戶通過界面 設置感興趣區(qū)域，從體數(shù)據(jù)緩存中截取ROI部分數(shù)據(jù)。
由于超聲的特性，聲波與聲波之間的互相作用會使得獲得的數(shù) 據(jù)圖像中有許多的斑點(Speckle)，這些斑點的存在會導致粗糙的物 體邊界從而影響成像的光滑性以及細膩性。為了得到更好的圖像， 本技術方案在獲取ROI數(shù)據(jù)后對其進行預處理，預處理的一個目的 就是平滑數(shù)據(jù)中的物體邊界，取出斑點以及噪聲。預處理可以有許 多的方法，包括均值濾波、中值濾波等等。我們方案中使用了方向 性的平滑方法，其基本思想是選擇當前點各個方向中最均勻的方向 進行平滑，這樣的好處在于在平滑邊界的同時不會降低邊界的對比 度。其中每個點的最均勻方向可以是圖6所示的當前點的四個方向 dl-d4中偏差最小的那個方向，通常是通過計算每個方向方差，最均 勻方向就是方差最小的那個方向。
構(gòu)建由控制器控制的查找表模塊，查找表包括重構(gòu)表和梯度表。 重構(gòu)表保存了從直角坐標系坐標(A/,z)到極坐標系(r， "e",^/) 之間的變換關系。圖7為極坐標系下的體數(shù)據(jù)，A-Me"坐標系描述 了正常的B圖的極坐標數(shù)據(jù)，R為深度方向，Me"為掃描線角度位置； p力/描述了探頭在馬達帶動下旋轉(zhuǎn)的角度。圖8為重構(gòu)后直角坐標系 下的體數(shù)據(jù)，O，點表示探頭半徑原點，O點表示XYZ坐標系的原點，X 軸與旋轉(zhuǎn)探頭的支柱方向一致。探頭旋轉(zhuǎn)時就是以OX軸為支軸，垂 直于YZ平面運動的。我們使用圖9描述兩個極坐標系的變換關系，圖 中假設P y，力為直角坐標系下的 一點，假設扇掃半徑長度為f r ， 探頭半徑為pr;圖中(a)為探頭旋轉(zhuǎn)面的切面圖，(b)為對應常規(guī)B圖 的切面圖。從圖中的(a)可以得到P點在(b)中的XR平面投影坐標為Cr, W),從而得到
<formula>formula see original document page 19</formula>從上面公式我們可以得到O,/, z)直角坐標系到(r, f力e"p力/) 極坐標系的變換，在常規(guī)的重構(gòu)中需要將整個直角坐標系下的體數(shù) 據(jù)重構(gòu)出來。但是，實際上，在使用光線跟蹤的時候需要使用到的 數(shù)據(jù)是非常少的。因此，我們通過保存重構(gòu)表來保存對應關系。重 構(gòu)表包括z)與W'， P力/)的對應表，d 與(r， Me&)的對應表。 在實際應用中，我們需要將R，坐標進行離散化，這樣才能在兩個重 構(gòu)表中對應，例如，使用3位保留小數(shù)點，這樣就可以使R，的精度 達到0.125。但光線跟蹤需要應用到直角坐標系上的某個點時，可以 先通過/和z坐標查表得到,和然后通過vT和^坐標查表得到 r和坐標，從而通過(r, f力e&,在極坐標體數(shù)據(jù)中插值得 到所需要的點數(shù)據(jù)。
除了重構(gòu)表，我們也構(gòu)造了梯度表。在后面的光線跟蹤算法中， 光線合成的時候我們使用了點的梯度。由于求某個點的梯度需要在 直角坐標系下進行，從而需要查表許多的點。假設計算一個點梯度 需要用到6個點(當前點相鄰的點)，那么需要查表6次，而且每個 點需要在極坐標使用8個點進4亍插值，從而，計算一個梯度點需要 用到的極坐標點數(shù)是48個點。本發(fā)明使用了查表方法計算近似梯度。 使用與推導重構(gòu)相反的方法，可以得到對于極坐標點 (r， f力e,s， :
對它們進行求導
<formula>formula see original document page 19</formula>對于每個 (r， Me&,如/) 有 這個偏導向量近似了在當前極坐標位置變換到直角坐標系下時的^立伸關系，我們可以將它們看作在該 (X， Z)位置下，直角坐標系行進一步對應在極坐標系下的方向與距 離。因此，我們構(gòu)建對應每個極坐標系點的梯度表以保存對應的
(pl，p2,p3),當需要計算直角坐標系下一點PCr，/，》的梯度時，將
P坐標變換為極坐標(r, Me", 。通過(r， Me"， p力/)查梯度表得
到(pl，p2，p3),使用(pl，p2，p3)作為三個坐標軸的步長計算梯度。
假設極坐標體數(shù)據(jù)為V，那么梯度fo^d可以計算如下 Grad ■■— (O， GVAeto， Q /u')
=(F(r +《 pi, A咖,盧)—F(r —《 // eto,盧')， F(r， +《 / 2，盧)—r(。幼e/a -《 / 2，盧)， A加，盧+《 ； 3) - F(r， —《./ 3))
其中《因子用于控制步長，可以選擇為2。
重構(gòu)表并不是對于每個新掃描的體數(shù)據(jù)都需妻重新建立。只要 旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度等構(gòu)建重構(gòu)表需要 的因素不發(fā)生變化，那么這個表是可以一直使用。當這些因素發(fā)生 變化時，控制器控制建表模塊重新按照新的環(huán)境建表。實際上，對 于新的重構(gòu)環(huán)境， 一般參數(shù)變化并不大，因此可以通過已有的重構(gòu) 表來加快建新表的速度。例如如果只是旋轉(zhuǎn)角度的變化，那么實 際上已有的重構(gòu)表以及梯度表是可以重用的，因為可以只計算多出 來的重構(gòu)部分(旋轉(zhuǎn)角度變大情況)或者刪除多余的變換部分(旋轉(zhuǎn) 角度變小情況)。也就是說，通過已有的(某個角度的)重構(gòu)表來加 快需要的(新角度的)重構(gòu)表的構(gòu)造。例如，如果舊角度是50度，新 角度是40度，那么可以考慮直接使用舊的重構(gòu)表插值得到新的重構(gòu) 表。如果幀間角度發(fā)生變化，那么就需要重新建表，這個時候可以 通過在現(xiàn)有表的基礎上進行插值得到需要的重構(gòu)表，這樣可以不需 要進行三角函數(shù)變換等的計算。
三維成像模塊使用了光線跟蹤的方法。如圖10所示，假設0v 為視點，P為結(jié)果圖像上一點，為了計算P的結(jié)果值，使用視點與P 點的連線作為光線方向。該光線穿過體數(shù)據(jù)，并對體數(shù)據(jù)進行采樣得到Rl ~ RN點。通過對這些點進行光線合成，從而得到P點的值。 對于每個體數(shù)據(jù)值而言，均可以有一個不透明度a， 《是灰度的
正比單調(diào)函數(shù)，取值可以是線性函數(shù)。
如圖11和圖12所示，可以知道光線投射流程具體步驟可以描
述如下
1 )初始值/," = 0, a,n - 0, i=l;
2 )根據(jù)采樣點Ri的直角坐標查表得到其極坐標； 3)插值得到Ri的灰度值Ci;
4 )查表并計算該點的梯度^ra《
5)計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積Ti;
6 )計算累積的灰度Iout以及、:
8)如果到了結(jié)束條件，那么輸出當前的/。w作為結(jié)果圖像對應 像素的結(jié)果值，否則i=i+l，并且跳到2)。
其中圖11中的合成條件是指，針對當前采樣點的灰度而設置的 一個閾值。如果灰度低于該閾值，那么我們認為該點為噪聲，于是 流程將不會對該點進行合成。才艮據(jù)不同的機器噪聲水平不一致，我 們一般取該閾值為30。
其中結(jié)束條件設置為滿足如下條件中的 一條
a) 。 ,<K, K為累積的不透明度，實際上累計不透明度到了 1就 說明后面的重采樣點已經(jīng)完全^皮前面的點遮蓋了，選擇K<1是為了 使得到的灰度僅僅是由表面的值的合成，不希望組織內(nèi)部的點也顯 示出來，并且可以減少光線投射結(jié)束的時間；
b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點。對于每個結(jié)果圖像的像素點，發(fā)射光線計算光線合成的結(jié)果灰 度，從而得到結(jié)果灰度圖像。
按照本發(fā)明的超聲三維快速成像裝置的結(jié)構(gòu)如圖13所示，包括 采集模塊、截取模塊、平滑模塊、構(gòu)建模塊、投射模塊、查表模塊、 合成模塊和輸出模塊。其中采集模塊用于掃描和采集極坐標形式的 體數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；截取模塊是可選的，其用于通過 界面設置感興趣區(qū)域，并從體^t據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù) 據(jù)，并將所截取的數(shù)據(jù)傳輸給平滑模塊以及后續(xù)模塊進行處理；平 滑模塊用于對體數(shù)據(jù)進行平滑處理；構(gòu)建模塊用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯 度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標系坐標到極坐標系的變換關系， 其中梯度表保存了極坐標點(r， Me",p力/)對應的(pl，p2,p3)，其中
G= (pl， p2， p3) =f:^,_^_，！)；投射模塊用于確定采樣的起始點并
、& 艦加3/ /n'J
給灰度、不透明度賦初始值，通過投射獲得采樣點的直角坐標；查 表模塊用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標，并且插值計 算采樣點的灰度值，滿足合成條件的采樣點在合成模塊中被進行合 成，而灰度值不滿足合成條件的采樣點則返回到投射模塊重新進行 采樣；合成模塊用于對滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算該采 樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，基于 該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度；以及輸出模塊用于如果 到了預定的結(jié)束條件，則輸出當前累積的灰度作為結(jié)果圖像對應像 素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。其中結(jié)束條件只是針對某條 射線的結(jié)束，輸出為結(jié)果圖象的一個象素。因此，進行若干次投射 才能形成一幀結(jié)果3D圖象進行輸出。如圖14所示，可以看到，許 多步驟都會去到投射模塊。構(gòu)建模塊后進入投射模塊，開始進行投 射，不滿足合成條件以及不滿足結(jié)束條件均進入投射模塊是為了選 擇下一個采樣點，輸出模塊輸出投射線合成的象素灰度后，如果還 有象素沒有進行投射，那么仍然轉(zhuǎn)入投射模塊進行下一個象素的投射采樣。
另外，本發(fā)明的平滑處理同樣可以在后面光線合成的時候進行， 也就是對于所采樣的需要的點才實時計算平滑處理的結(jié)果值，這樣 可以減少計算量，同時也可以達到近似效果。將平滑處理放在后面
光線合成時進行的光線投射流程圖如圖14所示，其他處理步驟與上 文所述步驟相同。將平滑處理》丈在后面光線合成時進行的超聲三維 快速成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示，該裝置的其他結(jié)構(gòu)與上文所 述結(jié)構(gòu)相同。
以上通過具體實施例對本發(fā)明做了說明，但本發(fā)明不限于此。 本領域的技術人員應該明白，還可以對本發(fā)明做的許多修改、變換、 等同替換等。但是，只要這些修改、變換、等同替換等未背離本發(fā) 明的精神和范圍，都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超聲三維快速成像方法，其特征在于，包括采集步驟，用于使用機械超聲探頭掃描和采集極坐標形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；平滑步驟，用于對體數(shù)據(jù)進行平滑處理；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直角坐標系坐標到極坐標系的變換關系，其中梯度表保存了極坐標點(r，theta，phi)對應的(p1，p2，p3)，其中<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mo>∂</mo> <mi>X</mi></mrow><mrow> <mo>∂</mo> <mi>r</mi></mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac><mrow> <mo>∂</mo> <mi>Y</mi></mrow><mrow> <mo>∂</mo> <mi>theta</mi></mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac><mrow> <mo>∂</mo> <mi>Z</mi></mrow><mrow> <mo>∂</mo> <mi>phi</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2007101031180002C1.tif" wi="65" he="11" top= "81" left = "99" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>投射步驟，用于確定采樣的起始點并給灰度、不透明度賦初始值，通過投射獲得采樣點的直角坐標；查表步驟，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標，并且插值計算采樣點的灰度值；合成步驟，用于對于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算采樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，以及基于該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度；對于不滿足合成條件的情況，則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于如果到了預定的結(jié)束條件，則輸出當前累積的灰度作為結(jié)果圖像對應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射步驟。
2.—種超聲三維快速成像方法，其特征在于，包括采集步驟，用于使用機械超聲探頭掃描和采集極坐標形式的體 數(shù)據(jù)，并保存在體數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建步驟，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直 角坐標系坐標到極坐標系的變換關系，其中梯度表保存了極坐標點(,'麵盧)對應的(pi，p2，p3)，其中G,，p2井〔蕓,^襲投射步驟，用于確定采樣的起始點并給灰度、不透明度賦初始 值，通過投射獲得采樣點的直角坐標；查表步驟，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標；平滑步驟，用于對采樣點的體數(shù)據(jù)進行平滑處理，以獲取體數(shù) 據(jù)在采樣點坐標位置的平滑數(shù)據(jù)；合成步驟，用于對于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算采 樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，以及 基于該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度；對于不滿足合成條 件的情況，則返回投射步驟；以及輸出步驟，用于如果到了預定的結(jié)束條件，則輸出當前累積的 灰度作為結(jié)果圖像對應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射步驟。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，還包括截取步驟，用于通過界面設置感興趣區(qū)域，并從體數(shù) 據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并對所截取的數(shù)據(jù)進行平滑 步驟以及后續(xù)步驟的處理。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于所述平滑處理為均值濾波或中值濾波處理。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于所述平滑處理是選擇當前點各個方向中最均勻的方向進行平滑。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，在所述重構(gòu)表中所述直角坐標系(x,乂z)到極坐標系(^/zeto,p/n')的 變換關系為<formula>formula see original document page 3</formula>其中所述重構(gòu)表包括(/,為與(r,p力/)的對應表，以及(Z， 7 ，)與 (r, Me")的對應表。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在于 當旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度發(fā)生變化時，則 重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的重構(gòu)表。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，所述查表步驟為通過7和^坐標查表得到W和P力7，然后通過 F和z坐標查表得到r和坐標。
9. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，所述查梯度表計算采樣點的梯度為，將直角坐標點P",/,z)變 換為極坐標點(r, Me&， p力/)，通過(r, Me "， 查梯度表得到 (pl,p2，p3),使用(pl，p2，p3)作為三個坐標軸的步長，按照下式計 算梯度fo^《=(F(/" +《 pi, — F(r —《.F(r， +《 p2, p/n') - F(r， -《 _p2,盧')，卩O, A加，+《./ 3) - 盧—《.p3))其中《因子用于控制步長，可選擇《為2。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在于給灰度和不透明度所賦的初始值為0。
11. 如權(quán)利要求1或2所迷的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，按照下式計算累積的灰度和累積的不透明度:L =4+(1-a加，=","'(1 —", ); 其中/, 和/。 ,為累積的灰度，《, 和"。 ,為累積的不透明度，C,.和a,.為當 前光線經(jīng)過的像素點灰度及不透明度，以及f為梯度單位向量與光線 方向單4立向量內(nèi)積。
12. 如權(quán)利要求1或2所迷的超聲三維快速成像方法，其特征在 于所述合成條件是針對當前采樣點的灰度而設置的一個閾值，如 果灰度低于該閾值，則認為該點為噪聲，于是不對該點進行合成；根據(jù)不同的機器噪聲水平取該閾值為30。
13. 如權(quán)利要求1或2所述的超聲三維快速成像方法，其特征在 于，所述結(jié)束條件設置為滿足如下條件之一a) "。w〈K，其中K《1;b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點。
14. 一種超聲三維快速成像裝置，包括采集模塊，用于掃描和采集極坐標形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體 數(shù)據(jù)緩存中；平滑模塊，用于對體數(shù)據(jù)進行平滑處理；構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直 角坐標系坐標到極坐標系的變換關系，其中梯度表保存了極坐標點(r,toa'盧)對應的(pl,p2,p3)，其中G吻l,p2,p3"f手，^^，^);、&微他印/ j投射模塊，用于確定采樣的起始點并給灰度、不透明度賦初始 值，通過投射獲得采樣點的直角坐標；查表模塊，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標，并 且插值計算采樣點的灰度值；合成模塊，用于對于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算采 樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，以及 基于該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度；對于不滿足合成條 件的情況，則返回投射步驟；以及輸出模塊，用于如果到了預定的結(jié)束條件，則輸出當前累積的 灰度作為結(jié)果圖像對應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。
15. —種超聲三維快速成像裝置，包括采集模塊，用于掃描和采集極坐標形式的體數(shù)據(jù)，并保存在體 數(shù)據(jù)緩存中；構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建重構(gòu)表和梯度表，其中重構(gòu)表保存了從直 角坐標系坐標到極坐標系的變換關系，其中梯度表保存了極坐標點<formula>formula see original document page 6</formula>對應的(pl,p2,p3)，其中G=(pl,p2,p3)=、艦加 <formula>formula see original document page 6</formula>投射模塊，用于確定采樣的起始點并給灰度、不透明度賦初始值，通過投射獲得采樣點的直角坐標；查表模塊，用于根據(jù)采樣點的直角坐標查表得到其極坐標；平滑模塊，用于對采樣點的體數(shù)據(jù)進行平滑處理，以獲取體數(shù) 據(jù)在采樣點坐標位置的平滑數(shù)4居；合成模塊，用于對于滿足合成條件的灰度值，查梯度表計算采 樣點的梯度，并計算梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積，以及 基于該內(nèi)積計算累積的灰度和累積的不透明度；對于不滿足合成條 件的情況，則返回投射步驟；以及輸出模塊，用于如果到了預定的結(jié)束條件，則輸出當前累積的 灰度作為結(jié)果圖像對應像素的結(jié)果值，否則，返回到投射模塊。
16. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，還包括截取模塊，用于通過界面設置感興趣區(qū)域，并從體 數(shù)據(jù)緩存中截取感興趣區(qū)域部分的數(shù)據(jù)，并將所截取的數(shù)據(jù)傳輸給 平滑模塊以及后續(xù)模塊進行處理。
17. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于所述平滑模塊對體數(shù)據(jù)進行均值濾波或中值濾波處理。
18. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于所述平滑模塊選擇當前點各個方向中最均勻的方向進行平滑 處理。
19. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，在所構(gòu)建的重樹表中，所述直角坐標系(x,乂z)到極坐標系 (^Aeto,; /u〕的變換關系為= tan-1 (x/(; r — + ; 其中所述重構(gòu)表包括(/，z)與W',p力/)的對應表，以及U， W)與 (r， Me&)的只十應表。
20. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征在 于當旋轉(zhuǎn)角度、幀間角度、B圖掃描深度、或掃描角度發(fā)生變化時， 則重新構(gòu)建重構(gòu)表；否則， 一直使用已構(gòu)建的重構(gòu)表。
21. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于所述查表模塊通過/和z坐標查表得到W和p力/,然后通過y ' 和,坐標查表得到r和f力e/13坐標。
22. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，所述合成模塊將直角坐標點P(x,/,z)變換為極坐標點 (r, Me"， ,通過(r， Me&， p/ /)查梯度表得到(pl, p2， p3),使 用(pl，p2，p3)作為三個坐標軸的步長，按照下式計算梯度=(F(r +《.pi, Aeto， p/n') — F(r —《 A加, F(。 ^ eto +《.p2，盧)—-《.； 2，盧)， 盧'+《./ 3) - F(/", Aeto，盧 一 纟 p3))其中《因子用于控制步長，可以選擇為2。
23. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征在于所述投射模塊給灰度和不透明度所賦的初始值為0。
24. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，所述合成模塊按照下式計算累積的灰度/。 ,和累積的不透明度"加,^",-^ + (1 —其中4和L為累積的灰度，", 和《。 ,為累積的不透明度，C,.和a,.為當 前光線經(jīng)過的像素點灰度及不透明度，以及7]為梯度單位向量與光線方向單位向量內(nèi)積。
25. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像方法，其特征 在于所述合成條件是針對當前采樣點的灰度而設置的一個闊值， 如果灰度低于該閾值，則認為該點為噪聲，于是不對該點進行合成； 根據(jù)不同的機器噪聲水平取該閾值為30。
26. 如權(quán)利要求14或15所述的超聲三維快速成像裝置，其特征 在于，所述結(jié)束條件設置為滿足如下條件之一a) 。 ,<K，其中K《l;b) 光線在體數(shù)據(jù)重采樣到了最后一點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲三維快速成像方法與裝置。所述方法包括采集步驟、截取步驟、平滑步驟、投射步驟、查表步驟、合成步驟、以及輸出步驟。所述裝置包括采集模塊、截取模塊、平滑模塊、投射模塊、查表模塊、合成模塊、以及輸出模塊。本發(fā)明通過平滑處理以及構(gòu)建重構(gòu)表與梯度表，對于需要計算的點才進行變換獲取，這樣可以避免大量的不必要的重構(gòu)計算。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明更加符合一般的情況，因為很難有探頭的旋轉(zhuǎn)半徑與探頭半徑一致。
文檔編號A61B8/13GK101292883SQ200710103118
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月23日
發(fā)明者斌 姚, 勇 田, 胡勤軍 申請人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司