專利名稱：三維超聲系統(tǒng)及其目標(biāo)點(diǎn)的定位方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維超聲系統(tǒng)，尤其涉及三維超聲系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)的定位方法和裝置。
背景技術(shù)：
三維超聲系統(tǒng)在融合成像、手術(shù)導(dǎo)航、活檢和消融等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，它比二維超聲圖像更直觀，并且包含更多的時(shí)間空間形狀信息?；谧杂杀?freehand)的三維超聲系統(tǒng)比機(jī)械式的三維超聲系統(tǒng)更加靈活，具有任意角度掃描，移動(dòng)空間不受限制等優(yōu)點(diǎn)。常用的自由臂三維超聲系統(tǒng)有基于電磁傳感器的自由臂三維超聲系統(tǒng)；基于主動(dòng)光/被動(dòng)光傳感器的自由臂三維超聲系統(tǒng)。三維標(biāo)定是自由臂三維超聲系統(tǒng)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是指通過某種方法或裝置，確定三維超聲系統(tǒng)中各個(gè)空間坐標(biāo)之間的變換關(guān)系。知道各個(gè)空間坐標(biāo)之間的變換關(guān)系，用超聲掃描定位目標(biāo)點(diǎn)，超聲平面的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)變換，從超聲掃描空間變換到位置傳感器空間，再變換到世界空間，從而知道目標(biāo)點(diǎn)在世界空間的位置，為超聲融合成像、手術(shù)導(dǎo)航等提供位置信息。在超聲融合成像中重要的一步是將超聲圖像上的點(diǎn)與另一模態(tài)數(shù)據(jù)的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)配準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是將目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的位置與另一模態(tài)數(shù)據(jù)中目標(biāo)點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)起來，精確獲得目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的位置對(duì)提高配準(zhǔn)精度有很大影響。與三維超聲系統(tǒng)相關(guān)的聲束在三個(gè)方向具有誤差軸向誤差，側(cè)向誤差，厚度誤差。軸向誤差(axial):超聲束軸線上的誤差，理論上與波長有關(guān)，只有當(dāng)兩點(diǎn)距離大于波長的1/2時(shí)，超聲才能分別產(chǎn)生兩個(gè)回聲，等于超聲束軸線上能分辨兩點(diǎn)間的最小距離。側(cè)向誤差(lateral):又稱橫向誤差，與軸向方向垂直的誤差，它與焦點(diǎn)位置，軸向深度，孔徑，超聲束直徑，多波束合成有關(guān)。橫向方向垂直于軸向方向，與軸向同在超聲掃描平面內(nèi)。厚度誤差(elevational, thickness):超聲平面厚度方向上的誤差，它與探頭晶振，聲透鏡的幾何形狀，軸向深度有關(guān)。厚度方向和軸向方向，側(cè)向方向相互垂直。目前技術(shù)忽略了超聲聲場(chǎng)的厚度，將超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換看做是Xusz = O的2D平面到3D空間的變換，這里的Xusz指的超聲成像空間厚度方向(可表示為Z軸)的坐標(biāo)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于超聲束本身有一定的厚度，同時(shí)超聲束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散性的特點(diǎn)使得超聲成像不是反映一個(gè)無限薄截面的情況而是有一定厚度并逐漸發(fā)散的平面，嚴(yán)格意義上，因忽略超聲聲場(chǎng)的厚度而引起定位的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響超聲融合成像和手術(shù)導(dǎo)航的精度。超聲掃描時(shí)，由于探頭的物理特性決定超聲各個(gè)方向的誤差不相同。軸向和側(cè)向誤差較小，厚度方向誤差較大。在二維超聲系統(tǒng)中，主要關(guān)注的是軸向和側(cè)向誤差，對(duì)軸向和側(cè)向誤差的優(yōu)化較多，對(duì)厚度方向誤差關(guān)注較少，優(yōu)化也較少或沒有優(yōu)化。目前的自由臂三維超聲系統(tǒng)中大都沒有考慮聲場(chǎng)厚度因素，但是在三維超聲系統(tǒng)中厚度誤差的影響比軸向和側(cè)向誤差大很多。有些技術(shù)雖然考慮了聲場(chǎng)厚度因素，但其通過特殊裝置來減小厚度誤差帶來的影響，使用很不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的主要技術(shù)問題是，提供一種三維超聲系統(tǒng)及其目標(biāo)點(diǎn)的定位方法和裝置，將聲場(chǎng)厚度因素考慮進(jìn)去，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，提高目標(biāo)點(diǎn)的定位精度。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種三維超聲系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)定位方法，包括獲取超聲探頭從不同方向多次對(duì)同一目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)該目標(biāo)點(diǎn)在各超聲掃描空間的坐標(biāo)；
選擇一個(gè)超聲掃描空間作為參考空間，將多次掃描后得到的所有超聲掃描空間坐標(biāo)向該參考空間投影，得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣；根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重；根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)；利用預(yù)先獲得的從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)空間。在一種實(shí)施例中，所述根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重時(shí)按照以下規(guī)則權(quán)重在軸向方向、側(cè)向方向或厚度方向上的分量，根據(jù)相對(duì)應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)測(cè)度在該方向上的投影大小確定，為相關(guān)測(cè)度投影大的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較小權(quán)重，為相關(guān)測(cè)度投影小的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較大權(quán)重。目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)采用以下公式計(jì)算
NX —f = Σ aJ ^usref USj ' ^usj )
；=1其中，X' usraf是目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)，N為對(duì)同一目標(biāo)點(diǎn)的掃描次數(shù)，α」是第j次掃描數(shù)據(jù)的權(quán)重向量，Tusred _是第j次超聲掃描空間到參考空間的變換矩陣，Xusj是目標(biāo)點(diǎn)在第j次超聲掃描空間中的原始坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種三維超聲系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)定位裝置，用于將目標(biāo)點(diǎn)從超聲掃描空間變換到世界坐標(biāo)空間，所述裝置包括原始坐標(biāo)獲得單元，用于在超聲探頭從不同方向?qū)ν荒繕?biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)從每次掃描的超聲圖像中獲取該目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)；投影單元，用于選擇一個(gè)超聲掃描空間作為參考空間，將多次掃描后得到的所有超聲掃描空間坐標(biāo)向該參考空間投影，得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣；權(quán)重分配單元，用于根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重；坐標(biāo)修正單元，用于根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)；坐標(biāo)變換單元，用于利用預(yù)先獲得的從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)空間。 本發(fā)明同時(shí)還提供一種三維超聲系統(tǒng)，包括超聲探頭，用于向被檢查者目標(biāo)部位發(fā)射超聲波；超聲處理模塊，用于將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，并獲得目標(biāo)部位的超聲圖像；標(biāo)定裝置，用于檢測(cè)超聲探頭的定位數(shù)據(jù)，并將超聲圖像和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，得到從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣；數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，用于將標(biāo)定好的數(shù)據(jù)重建或者同其它模態(tài)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，并輸出目標(biāo)部位的超聲圖像和/或數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)計(jì)算模塊包括上述目標(biāo)點(diǎn)定位裝置；顯示模塊，用于將目標(biāo)部位的超聲圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。本發(fā)明通過超聲掃描不同方向相關(guān)測(cè)度在參考空間上的投影，分配不同的權(quán)重，用超聲掃描空間精度較高的軸向和側(cè)向誤差來彌補(bǔ)精度低的厚度誤差，從而提高目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的定位精度。


圖I為本發(fā)明一種實(shí)施例中三維超聲系統(tǒng)的框圖；圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例中自由臂三維超聲系統(tǒng)的空間變換關(guān)系；
圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例中目標(biāo)點(diǎn)定位裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例中目標(biāo)點(diǎn)的定位流程圖；圖5為本發(fā)明一種實(shí)施例中多次掃描目標(biāo)點(diǎn)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。在本申請(qǐng)的實(shí)施例中，將聲場(chǎng)厚度因素考慮進(jìn)去，同時(shí)綜合超聲軸向和側(cè)向誤差，通過多次測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)，賦予不同的權(quán)重，得到目標(biāo)點(diǎn)的精確世界空間坐標(biāo)。在定位目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，超聲探頭對(duì)同一目標(biāo)點(diǎn)從多個(gè)方向進(jìn)行多次掃描，并得到每次掃描后該目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)和不同坐標(biāo)空間之間的變換矩陣。將其它超聲掃描空間坐標(biāo)向其中一個(gè)超聲掃描空間投影(或者將所有的超聲掃描空間向一個(gè)新的空間投影)，根據(jù)測(cè)量精度相關(guān)的測(cè)度(簡稱“相關(guān)測(cè)度”)，賦給不同的權(quán)重，加權(quán)求和后得到修正后目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)值。再將修正后的參考空間坐標(biāo)值變換到世界坐標(biāo)，從而用超聲掃描空間精度較高的軸向和側(cè)向誤差來彌補(bǔ)精度低的厚度誤差，降低了聲場(chǎng)厚度方向的誤差，得到的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)也更精確，提高了后續(xù)的超聲融合成像中點(diǎn)對(duì)配準(zhǔn)精度。一種實(shí)施例中，自由臂三維超聲系統(tǒng)的框圖如圖I所示三維超聲系統(tǒng)包括超聲探頭101、超聲處理模塊104、標(biāo)定裝置100、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊106和顯示模塊107。超聲探頭101用于向被檢查者目標(biāo)部位發(fā)射超聲波；超聲處理模塊104用于將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，并獲得目標(biāo)部位的超聲圖像；標(biāo)定裝置100用于進(jìn)行三維標(biāo)定，即通過某種方法或裝置，確定三維超聲系統(tǒng)中各個(gè)空間坐標(biāo)之間的變換關(guān)系。在一種實(shí)施例中，標(biāo)定裝置100包括位置探測(cè)器、定位控制器和標(biāo)定模塊，位置探測(cè)器用于探測(cè)超聲探頭的位置信息，例如通過磁或光來探測(cè)超聲探頭101空間位置的位置傳感器102。在一種實(shí)施例中，位置傳感器102包括一發(fā)射器和一接收器，其中位置傳感器102的接收器固定在探頭101上，而位置傳感器102的發(fā)射器則固定在成像部位(診斷部位)附近，并隨著探頭的移動(dòng)，通過測(cè)得的接收器與發(fā)射器之間的相對(duì)方位不斷提供位置信息。定位控制器103用于根據(jù)超聲探頭的位置信息得到超聲探頭的空間位置；標(biāo)定模塊105用于將超聲圖像和定位器數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。空間坐標(biāo)之間的變換關(guān)系包括從超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換關(guān)系，從位置傳感器空間到世界坐標(biāo)空間之間的變換關(guān)系，如圖2所示的自由臂三維超聲系統(tǒng)的空間變換關(guān)系?？臻g坐標(biāo)變換關(guān)系為
Xw = TwsUus -------------------------------(I)其中Xus是點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)，Xw是點(diǎn)在世界坐標(biāo)空間的坐標(biāo)，Ts us是超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換矩陣，Tws是位置傳感器空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣。位置傳感器固定在探頭上不動(dòng)、超聲參數(shù)不變時(shí)，Ts us固定不變。Tw s由定位控制器和位置傳感器獲得，隨著探頭的移動(dòng)，Tw s不斷變化。當(dāng)知道各個(gè)空間坐標(biāo)之間的變換關(guān)系后，即可用超聲掃描定位目標(biāo)點(diǎn)，超聲平面的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過坐標(biāo)變換，從超聲掃描空間變換到位置傳感器空間，再變換到世界空間，從而知道目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)空間的位置。
數(shù)據(jù)計(jì)算模塊106即用于將超聲掃描得到的目標(biāo)點(diǎn)從超聲掃描空間變換到世界坐標(biāo)空間，用于將標(biāo)定好的數(shù)據(jù)重建或者同其它模態(tài)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，并輸出目標(biāo)部位的超聲圖像和數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)計(jì)算模塊106得到的目標(biāo)部位的超聲圖像和數(shù)據(jù)以及一些功能參數(shù)輸出到顯示模塊107進(jìn)行顯示。在本發(fā)明實(shí)施例中，數(shù)據(jù)計(jì)算模塊106包括目標(biāo)點(diǎn)定位裝置，目標(biāo)點(diǎn)定位裝置用于更精確地定位目標(biāo)點(diǎn)，從而更精確地將目標(biāo)點(diǎn)從超聲掃描空間變換到世界坐標(biāo)空間。現(xiàn)有技術(shù)中，在定標(biāo)過程中沒有考慮超聲聲場(chǎng)的厚度，XusS在一定的誤差，為使獲得的目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)更準(zhǔn)確，在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，如圖3所示，目標(biāo)點(diǎn)定位裝置包括原始坐標(biāo)獲得單元301、投影單元302、權(quán)重分配單元303、坐標(biāo)修正單元304和坐標(biāo)變換單元305。原始坐標(biāo)獲得單元301用于在超聲探頭從不同方向?qū)δ繕?biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)從超聲圖像中獲取目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)；投影單元302用于選擇一個(gè)超聲掃描空間作為參考空間，將多次掃描后得到的所有超聲掃描空間坐標(biāo)向該參考空間投影，得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣；權(quán)重分配單元303用于根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重，在一種實(shí)施例中，按照以下規(guī)則分配權(quán)重權(quán)重在某一方向(例如，軸向方向、側(cè)向方向或厚度方向)上的分量，根據(jù)相對(duì)應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)相關(guān)測(cè)度在該方向上的投影大小確定，為相關(guān)測(cè)度投影大的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較小權(quán)重，為相關(guān)測(cè)度小的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較大權(quán)重。坐標(biāo)修正單兀304用于根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)；坐標(biāo)變換單元305利用預(yù)先獲得的超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換矩陣Ts us，和由標(biāo)定裝置100預(yù)先獲得的從位置傳感器空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣Tw s，將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)空間。在一種實(shí)施例中，目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)采用以下公式計(jì)算
NKsref =Σα;(?！? usj 'xUSj)^ 2 )
；=1其中，X' USMf是目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)，N為掃描總數(shù)，^是第j次掃描數(shù)據(jù)的權(quán)重向量，Tusref usj是第j次超聲掃描空間到參考空間的變換矩陣，是目標(biāo)點(diǎn)在第j次超聲掃描空間中的原始坐標(biāo)。其中，參考空間可以是任意一個(gè)超聲掃描空間，例如可以是某次掃描的超聲掃描空間，也可以是與掃描方向無關(guān)的一個(gè)新的空間?；谏鲜鋈S超聲系統(tǒng)和目標(biāo)點(diǎn)定位裝置的三維超聲系統(tǒng)，在一種實(shí)施例中，目標(biāo)點(diǎn)定位方法如圖4所示，包括以下步驟步驟SI,從不同方向，多次掃描同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn),每個(gè)掃描方向即構(gòu)成一個(gè)超聲掃描空間，每次掃描后得到目標(biāo)點(diǎn)在該超聲掃描空間的坐標(biāo)，同時(shí)標(biāo)定裝置100得到各個(gè)坐標(biāo)空間之間的變換矩陣，例如超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換矩陣，位置傳感器空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣。例如進(jìn)行N次掃描，N為大于I的整數(shù)。掃描方式可以是兩次掃描，兩次掃描方向盡量垂直；也可以是多次多個(gè)方向掃描，每個(gè)掃描方向至少掃描一次；掃描方向可以是盡量均分，也可以是任意方向不均分的超聲掃描。步驟S2，在N次掃描中選擇其中一次(例如第i次)超聲掃描空間作為參考空間，將其它N-I次掃描坐標(biāo)向第i次超聲掃描空間投影，并得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣，其中，N是掃描次數(shù)，i是被投影的超聲掃描空間的序號(hào)，I < i ( N。步驟S3，根據(jù)各掃描方向上的與測(cè)量精度相關(guān)的測(cè)度(簡稱相關(guān)測(cè)度)對(duì)每次掃描數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重。不同的超聲掃描空間中，不同方向上具有不同的測(cè)量精度，這是由儀器的精度決定的，相關(guān)測(cè)度可以是以下物理量誤差、方差或分辨率，當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以根據(jù)需要將其他的與測(cè)量精度相關(guān)的物理量定義為相關(guān)測(cè)度 。根據(jù)相關(guān)測(cè)度對(duì)掃描數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，如果相關(guān)測(cè)度在該方向較大，則應(yīng)使該方向?qū)ψ罱K結(jié)果影響小，分配的權(quán)重應(yīng)較小；如果相關(guān)測(cè)度在該方向較小，則應(yīng)使該方向?qū)ψ罱K結(jié)果影響大，分配的權(quán)重也應(yīng)較大。步驟S4，根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣重新計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在第i次超聲掃描空間即參考空間的坐標(biāo)Γ usi。在一種實(shí)施例中，通過加權(quán)求和得到新的坐標(biāo)值Γ usi，如式(2)所示V Usi=Ct1. (Tusi usl · Xusl) +*·· + α i * Xusi++…+ α N · (Tusi—usN · XusN)-------(3)其中X' usi是目標(biāo)點(diǎn)在第i次超聲掃描空間的修正坐標(biāo)，Ci1, α 2，…a N是各次掃描數(shù)據(jù)的權(quán)重向量，Tusi—usN是預(yù)先獲得的第N次超聲掃描空間到第i次超聲掃描空間的變換矩陣，Xusi是目標(biāo)點(diǎn)在第i次超聲掃描空間中的原始坐標(biāo)。對(duì)于定義第i次超聲掃描空間為參考空間的情況，目標(biāo)點(diǎn)在第i次超聲掃描空間的修正坐標(biāo)Γ usi即為目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)。步驟S5，再用第i次掃描變換矩陣，將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)值V usi通過公式(I)變換到世界坐標(biāo)空間，從而得到目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)空間中更精確的坐標(biāo)值。在一種實(shí)施例中，根據(jù)相關(guān)測(cè)度(例如誤差/方差)的投影的反比為掃描數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，對(duì)于相關(guān)測(cè)度投影大的方向分配以小權(quán)重，相關(guān)測(cè)度投影小的方向分配大
權(quán)重，權(quán)重符合歸一化，即;=I。從而使誤差大的測(cè)度對(duì)最終結(jié)果影響小，誤差小的測(cè)度
i=l
對(duì)最終結(jié)果影響大，使得到的目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)空間中修正坐標(biāo)更精確。對(duì)于每次超聲掃描，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)存在以下特點(diǎn)，S卩超聲厚度方向精度低，而軸向和側(cè)向的精度較高，因此，本實(shí)施例從不同方向?qū)ν荒繕?biāo)點(diǎn)進(jìn)行多次掃描，得到目標(biāo)點(diǎn)在各次掃描中的超聲掃描空間的坐標(biāo)值，例如，如圖5所示，如果目標(biāo)點(diǎn)在兩次成一定角度(例如90度)的超聲掃描中，在第一次掃描中，由于厚度方向精度低，不能精確得到厚度方向坐標(biāo)值(即垂直于掃描平面方向上的坐標(biāo))，但在第二次掃描中，該方向變成為側(cè)向坐標(biāo)，由于側(cè)向的精度較高，因此可得到較為精確的坐標(biāo)值。為了將多次的測(cè)量結(jié)果能夠結(jié)合起來，給出一個(gè)更高測(cè)量精度的結(jié)果，需要將各次測(cè)量統(tǒng)一到一個(gè)公共的坐標(biāo)系中作投影，并通過相關(guān)測(cè)度分配權(quán)重，重新計(jì)算該目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而用超聲掃描空間精度較高的軸向和側(cè)向誤差來彌補(bǔ)精度低的厚度誤差，提高了目標(biāo)點(diǎn)的定位精度。下面用一種具體實(shí)例說明如何計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)，如圖5所示，在多個(gè)方向上重復(fù)N次掃描同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，得到目標(biāo)點(diǎn)在第i次超聲掃描空間的坐標(biāo)值Xusi ={Xusix, Xusiy, 0,1}τ (其中I < i < N)，標(biāo)定裝置100得到位置傳感器到世界坐標(biāo)的變換矩陣Twsi，由于位置傳感器固定在探頭上的位置和超聲參數(shù)在掃描過程中都沒有變化，所以超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換矩陣Tsus固定不變。假設(shè)相關(guān)測(cè)度Si= [Six，5it,δ iz]T表不第i次超聲掃描時(shí)目標(biāo)點(diǎn)處的側(cè)向方向(X軸)，軸向方向(y軸)，厚度方向(z軸)的相關(guān)測(cè)度。同樣Sn= [δΝχ，5Ny, δΝ ζ]τ表示第N次超聲掃描時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)處各個(gè)方向的相關(guān)測(cè)度。由于超聲數(shù)據(jù)在x，y，ζ軸上的精度相關(guān)測(cè)度(例如誤差/方差)和深度，頻率等等各種因素有關(guān)，\和八不相同。一般情況下，側(cè)向方向Sx、軸向方向Sy較小，厚度方向δζ較大。不同的方向具有不同的測(cè)量精度，例如軸向方向、側(cè)向方向和厚度方向具有不同的測(cè)量精度，根據(jù)相關(guān)測(cè)度對(duì)掃描數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，例如，權(quán)重在軸向方向、側(cè)向方向或厚度方向上的分量根據(jù)相對(duì)應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)測(cè)度在該方向上的投影大小確定，為相關(guān)測(cè)度投影大的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較小權(quán)重，為相關(guān)測(cè)度投影小的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較大權(quán)重。用式⑵計(jì)算新的坐標(biāo)X' usi (在第i次超聲掃描空間(即參考空間)下的坐標(biāo))，
Vusix 為 X' usi=ix' usix，x' usiy，x' usiz，i}13x 分量，其計(jì)算公式為V usix = α 1χ · (Tusi usl .XusJx+…α ix .Xusix+…+ α Νχ · {Tusi—usN ·XusJx----------(4)
N其*0<α1χ，α2χ， ...αΝχ 彡 1， Σ = 1，令
i=l
IIIw
aix=Cx'jB~jy' …，a'x=Cx'j~j ·._’a*=[B .§ j，Cx是使=1 的歸一化參
數(shù)，{ · }x表示向量的X分量。
2 2 2 「 " rNll rNU rNUrNU rN\2 fNUBn = T^21
rN22 rN 23
是Tusi—usN的旋轉(zhuǎn)矩陣&= rW21 rN22 rN23對(duì)應(yīng)值的平方 _rN3l rN12 33 J1_^Α 31 『Ν32 ^W33 j3*3
所組成的矩陣。同樣可得y軸，ζ軸上的新坐標(biāo)值X' usiy，X' usiz，最后得到新的矯正過的坐標(biāo)
Vusi，此時(shí)的X' usi的ζ軸方向值X' usiz可不為零。V w = Tw si · Ts us · usi----------------(5)其中Ts us是超聲掃描空間到位置傳感器空間的變換矩陣，Tw si是第i次超聲掃描時(shí)位置傳感器空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣。通過式(4)，將目標(biāo)點(diǎn)修正過的第i次超聲掃描空間坐標(biāo)值Γ usi變換到世界坐標(biāo)空間，得到更精確的目標(biāo)點(diǎn)的世界空間坐標(biāo)X' w。
Vusi的ζ軸方向值X' usiz有可能不為零，將原來的二維超聲平面到三維位置傳感器坐標(biāo)系之間的變換，擴(kuò)展到有一定厚度的超聲聲束面到三維位置傳感器空間之間的變換。通過相關(guān)測(cè)度的投影，分配不同的權(quán)重，用超聲掃描空間精度較高的軸向和側(cè)向誤差彌補(bǔ)精度低的厚度誤差，提聞目標(biāo)點(diǎn)的定位精度。自由臂三維超聲系統(tǒng)中目標(biāo)點(diǎn)定位的一個(gè)典型的應(yīng)用是超聲融合成像中點(diǎn)對(duì)的配準(zhǔn)。超聲融合成像中重要的一步是將超聲圖像與另ー模態(tài)數(shù)據(jù)的標(biāo)定配準(zhǔn)，它是將目標(biāo)點(diǎn)在世界坐標(biāo)中的位置與另ー模態(tài)數(shù)據(jù)中目標(biāo)點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)起來，空間目標(biāo)點(diǎn)定位精度的提聞，會(huì)大大提聞配準(zhǔn)精度，從而提聞超聲融合成像的質(zhì)量。另一キ旲態(tài)的數(shù)據(jù)可以是CT、MRI等成像數(shù)據(jù)。在另ー實(shí)施例中，從不同方向多次掃描目標(biāo)點(diǎn)后，選擇ー個(gè)不同于任ー掃描方向的一個(gè)新的超聲掃描空間作為參考空間，將多次掃描后得到的所有超聲掃描空間坐標(biāo)向該參考空間投影，得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣，同樣根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重，然后根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在該參考空間的坐標(biāo)，其計(jì)算公式為X ' usnew = Ct1. (Tusnew usl · Xusl)+... + a i (Tusnew usi · Xusi) ++*** + α Ν · (Tusnew—
usN · Xusn)(6)
其中X' usnew是目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的修正坐標(biāo)，Ci1, α2,…α Ν是根據(jù)相關(guān)測(cè)度計(jì)算出的各次掃描數(shù)據(jù)的權(quán)重向量，Tusnew usN是第N次超聲掃描空間到該新的空間的變換矩陣，Xusi是目標(biāo)點(diǎn)在第i次超聲掃描空間中的原始坐標(biāo)。在上述實(shí)施例中，不同方向上的相關(guān)測(cè)度還可以是分辨率，也可以是水聽儀器測(cè)出的超聲分布數(shù)據(jù)。相關(guān)測(cè)度可以是給定值如し=1，Sy= 1.5，δζ = 3。也可以是深度1，波長入，振元幾何形狀D等參數(shù)的函數(shù)如δχ = ；(1，A,D), 5y = fy(l, λ, ), δζ=fz(l, X，D),例如 δχ = 1 χ*1*λ，δ y = ky* λ , δ z = kz*cos(A/D),其中 kx, ky, kz 為各方向上的測(cè)量精度相關(guān)的測(cè)度參數(shù)。上述實(shí)施例中，根據(jù)相關(guān)測(cè)度分配的權(quán)重滿足[ん=1，aix彡1，\還可以是
i=\
其他形式，例如\為各次掃描目標(biāo)點(diǎn)時(shí)的相關(guān)測(cè)度、各個(gè)變換矩陣的函數(shù)aix = HS1,へ，...，SN，Tuslus2, ...，Tusl—usN)，例如も=Q.e—1'或者も=Q.e—噸說等。上述實(shí)施例中，位置傳感器可以是基于電磁感應(yīng)的位置傳感器，也可以是基于光學(xué)原理的位置傳感器，也可以是基于聲學(xué)原理的等其它位置傳感器。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)ー步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種三維超聲系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)定位方法，其特征在于包括 獲取超聲探頭從不同方向多次對(duì)同一目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)該目標(biāo)點(diǎn)在各超聲掃描空間的坐標(biāo)； 選擇一個(gè)超聲掃描空間作為參考空間，將多次掃描后得到的所有超聲掃描空間坐標(biāo)向該參考空間投影，得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣； 根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重； 根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)； 利用預(yù)先獲得的從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)空間。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述相關(guān)測(cè)度為誤差、方差或分辨率。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描分配權(quán)重時(shí)按照以下規(guī)則權(quán)重在軸向方向、側(cè)向方向或厚度方向上的分量，根據(jù)相對(duì)應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)測(cè)度在該方向上的投影大小確定，為相關(guān)測(cè)度投影大的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較小權(quán)重，為相關(guān)測(cè)度投影小的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較大權(quán)重。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)采用以下公式計(jì)算
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述參考空間為不同于掃描方向的一個(gè)新的空間；或者所述參考空間為多次掃描中某次掃描的一個(gè)超聲掃描空間。
6.一種三維超聲系統(tǒng)的目標(biāo)點(diǎn)定位裝置，用于將目標(biāo)點(diǎn)從超聲掃描空間變換到世界坐標(biāo)空間，其特征在于所述裝置包括 原始坐標(biāo)獲得單元，用于在超聲探頭從不同方向?qū)ν荒繕?biāo)點(diǎn)進(jìn)行掃描時(shí)從每次掃描的超聲圖像中獲取該目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)； 投影單元，用于選擇一個(gè)超聲掃描空間作為參考空間，將多次掃描后得到的所有超聲掃描空間坐標(biāo)向該參考空間投影，得到各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣； 權(quán)重分配單元，用于根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描數(shù)據(jù)分配權(quán)重； 坐標(biāo)修正單元，用于根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)； 坐標(biāo)變換單元，用于利用預(yù)先獲得的從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)空間。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述相關(guān)測(cè)度為誤差、方差或分辨率。
8.如權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度為各次掃描分配權(quán)重時(shí)按照以下規(guī)則權(quán)重在軸向方向、側(cè)向方向或厚度方向上的分量，根據(jù)相對(duì)應(yīng)的掃描數(shù)據(jù)測(cè)度在該方向上的投影大小確定，為相關(guān)測(cè)度投影大的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較小權(quán)重，為相關(guān)測(cè)度投影小的方向的掃描數(shù)據(jù)分配較大權(quán)重。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)采用以下公式計(jì)算
10.一種三維超聲系統(tǒng)，其特征在于，包括 超聲探頭，用于向被檢查者目標(biāo)部位發(fā)射超聲波； 超聲處理模塊，用于將接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理，并獲得目標(biāo)部位的超聲圖像； 標(biāo)定裝置，用于檢測(cè)超聲探頭的定位數(shù)據(jù)，并將超聲圖像和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，得到從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣； 數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，用于將標(biāo)定好的數(shù)據(jù)重建或者同其它模態(tài)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，并輸出目標(biāo)部位的超聲圖像和/或數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)計(jì)算模塊包括權(quán)6至9中任一項(xiàng)所述的目標(biāo)點(diǎn)定位裝置；顯示模塊，用于將目標(biāo)部位的超聲圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維超聲系統(tǒng)及其目標(biāo)點(diǎn)的定位方法和裝置，將聲場(chǎng)厚度因素考慮進(jìn)去，從不同方向多次掃描目標(biāo)點(diǎn)，得到目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的坐標(biāo)；根據(jù)各方向的相關(guān)測(cè)度的投影，為各次掃描分配權(quán)重；根據(jù)權(quán)重和各超聲掃描空間坐標(biāo)到該參考空間的變換矩陣計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)；利用預(yù)先獲得的從超聲掃描空間到世界坐標(biāo)空間的變換矩陣將目標(biāo)點(diǎn)在參考空間的坐標(biāo)變換到世界坐標(biāo)空間。本發(fā)明用超聲空間精度較高的軸向和側(cè)向誤差來彌補(bǔ)精度低的厚度誤差，從而提高目標(biāo)點(diǎn)在超聲掃描空間的定位精度。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102846337SQ201110180448
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者朱磊, 王廣志, 李波, 丁輝, 朱立人 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司