本發(fā)明屬于超聲成像、計(jì)算機(jī)視覺、剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)，具體涉及一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法及標(biāo)定系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)因具有使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、實(shí)時(shí)成像、經(jīng)皮無創(chuàng)、無電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛使用于醫(yī)學(xué)輔助診斷及輔助治療等領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的二維超聲圖像只能提供組織器官的斷層圖像而無法提供三維影像，臨床醫(yī)生需依靠經(jīng)驗(yàn)在大腦中進(jìn)行想象，這一過程不僅費(fèi)時(shí)耗力效率低，而且?guī)в兄饔^性，容易導(dǎo)致醫(yī)療診斷錯(cuò)誤。由于傳統(tǒng)的二維超聲成像技術(shù)存在缺陷，三維超聲影像技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

2、目前，常用的三維超聲影像獲取方法主要有以下三種：專用一體化超聲探頭、二維面陣探頭和自由臂三維超聲技術(shù)。前兩者雖能直接生成三維影像，但數(shù)據(jù)采集范圍受限；而自由臂三維超聲技術(shù)憑借其獨(dú)特的靈活性，通過在探頭上安裝位置傳感器，能實(shí)時(shí)記錄探頭的空間位置與方向信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集范圍的無限制。醫(yī)生可手持探頭自由掃描，隨后利用重建算法將一系列二維超聲圖像融合成三維影像，并通過可視化技術(shù)直觀展示，極大地提升了醫(yī)學(xué)診療的準(zhǔn)確性和效率。

3、在自由臂三維超聲技術(shù)中，需要在超聲探頭上固定位置傳感器使得追蹤系統(tǒng)能夠獲取到超聲探頭的位置和方向信息，為了使定位追蹤系統(tǒng)獲取到二維超聲圖像的空間位置信息,需要確定超聲圖像坐標(biāo)系與超聲探頭坐標(biāo)系的空間位置轉(zhuǎn)換關(guān)系，求得標(biāo)定矩陣，該矩陣可將二維超聲圖像中任一像素點(diǎn)值映射到超聲探頭坐標(biāo)系下，進(jìn)而追蹤系統(tǒng)能夠確定超聲圖像中任一像素在世界坐標(biāo)系下的位置。因此，超聲探頭的標(biāo)定是實(shí)現(xiàn)自由臂三維超聲成像系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的步驟?，F(xiàn)有自由臂超聲探頭標(biāo)定方法，在目標(biāo)點(diǎn)提取階段主要依賴于人工手動(dòng)點(diǎn)選或復(fù)雜的迭代算法來實(shí)現(xiàn)，不僅效率低下，而且在處理時(shí)高度依賴于像素強(qiáng)度的單一信息源。這種局限性使它無法全面捕捉并考慮目標(biāo)對(duì)象的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而嚴(yán)重制約了目標(biāo)點(diǎn)提取的精確性和可靠性。

4、綜上，現(xiàn)有方法均無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的自由臂超聲探頭標(biāo)定過程。因此，本發(fā)明提出一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)及標(biāo)定方法，為精準(zhǔn)高效的自由臂三維超聲成像奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出，其目的是提供一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法及標(biāo)定系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法，包括以下步驟：

3、a.進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入；

4、b.對(duì)輸入的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行平面位姿解析，得到超聲圖像坐標(biāo)系下的第一目標(biāo)點(diǎn)集；

5、c.進(jìn)行空間位姿解析，得到來源于超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系的第二目標(biāo)點(diǎn)集；

6、d.輸出標(biāo)定矩陣。

7、更進(jìn)一步的，步驟a進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入，具體過程如下：

8、首先，建立雙目光學(xué)定位設(shè)備和超聲成像設(shè)備到圖像處理工作站的數(shù)據(jù)傳輸管道；

9、然后，圖像處理工作站對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)采集過程中接收到的空間位姿數(shù)據(jù)和平面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)、同步地采集，并進(jìn)行分類存儲(chǔ)；

10、最后，在標(biāo)定數(shù)據(jù)采集完成后，由圖像處理工作站對(duì)存儲(chǔ)到的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分類讀取和格式解析。

11、更進(jìn)一步的，步驟b對(duì)輸入的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行平面位姿解析，得到超聲圖像坐標(biāo)系下的第一目標(biāo)點(diǎn)集，具體過程如下：

12、首先，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共同編碼的方式，實(shí)施特征提取，進(jìn)而由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解碼的方式自動(dòng)提取圖像中標(biāo)定點(diǎn)位置；

13、然后，對(duì)標(biāo)定點(diǎn)的自動(dòng)提取結(jié)果進(jìn)行輪廓提取、輪廓計(jì)數(shù)、面積排序、質(zhì)心提取、網(wǎng)格劃分，得到篩選并排序后的質(zhì)心坐標(biāo)；

14、最后，根據(jù)篩選并排序后的質(zhì)心坐標(biāo)，實(shí)施對(duì)每層n線結(jié)構(gòu)的平行約束和共線約束，得到超聲圖像坐標(biāo)系下的第一目標(biāo)點(diǎn)集。

15、更進(jìn)一步的，步驟c進(jìn)行空間位姿解析，得到來源于超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系的第二目標(biāo)點(diǎn)集，具體過程如下：

16、首先，基于雙目光學(xué)定位設(shè)備配套的光學(xué)探針對(duì)標(biāo)定體模中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行定位；

17、然后，結(jié)合超聲體模模型坐標(biāo)系中n線結(jié)構(gòu)端點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)n線結(jié)構(gòu)端點(diǎn)的定位；

18、最后，通過轉(zhuǎn)換關(guān)系，將超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系下的標(biāo)定點(diǎn)空間位姿映射到超聲探頭坐標(biāo)系下，得到來源于超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系的第二目標(biāo)點(diǎn)集。

19、更進(jìn)一步的，步驟d輸出標(biāo)定矩陣，具體過程如下：

20、基于超聲圖像坐標(biāo)系下的第一目標(biāo)點(diǎn)集、超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系的第二目標(biāo)點(diǎn)集得到標(biāo)定矩陣。

21、一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，所述標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入過程中包括采集數(shù)據(jù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊、進(jìn)行解析的數(shù)據(jù)格式解析模塊；平面位姿解析過程中包括進(jìn)行圖像分割的超聲圖像分割模塊、進(jìn)行校正的形狀先驗(yàn)校正模塊；空間位姿解析過程中包括進(jìn)行物理場(chǎng)統(tǒng)一的多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊；標(biāo)定矩陣輸出過程中包括進(jìn)行矩陣求解的標(biāo)定矩陣求解模塊。

22、更進(jìn)一步的，所述標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊中包括通訊模塊，所述通訊模塊通過串口通訊建立雙目光學(xué)定位設(shè)備到圖像處理工作站的數(shù)據(jù)傳輸管道，通過圖像采集卡的轉(zhuǎn)接建立由超聲成像設(shè)備到圖像處理工作站的數(shù)據(jù)傳輸管道。

23、更進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)格式解析模塊包括讀取模塊，所述讀取模塊對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊存儲(chǔ)的空間位姿數(shù)據(jù)和平面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類讀取，并分別傳遞到后續(xù)的超聲圖像分割模塊和多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊中。

24、更進(jìn)一步的，所述超聲圖像分割模塊的輸入數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)格式解析模塊中處理好的圖數(shù)據(jù)，超聲圖像分割模塊的輸出是提取了原圖像數(shù)據(jù)中目標(biāo)點(diǎn)的灰度圖像數(shù)據(jù)。

25、更進(jìn)一步的，所述多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊包括多層n線體模，所述多層n線體模由五層鏤空結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每層鏤空結(jié)構(gòu)包含16對(duì)三棱柱通孔，鏤空結(jié)構(gòu)的表面還包含16個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，通過在三棱柱通孔內(nèi)引線，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定過程中所需n線結(jié)構(gòu)的搭建。

26、本發(fā)明的有益效果如下：

27、本發(fā)明基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)施標(biāo)定圖像中的目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)提取，減少人工干預(yù)，提高標(biāo)定流程自動(dòng)化程度。

28、本發(fā)明基于最小二乘法擬合采集圖像內(nèi)的多層n線結(jié)構(gòu)，對(duì)標(biāo)定特征添加平行約束以及共線約束，減少噪聲點(diǎn)對(duì)標(biāo)定精度的干擾。

29、本發(fā)明提升了超聲探頭空間標(biāo)定的精度和效率，為精準(zhǔn)高效的自由臂三維超聲成像奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法，其特征在于：步驟a進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入，具體過程如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法，其特征在于：步驟b對(duì)輸入的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行平面位姿解析，得到超聲圖像坐標(biāo)系下的第一目標(biāo)點(diǎn)集，具體過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法，其特征在于：步驟c進(jìn)行空間位姿解析，得到來源于超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系的第二目標(biāo)點(diǎn)集，具體過程如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法，其特征在于：步驟d輸出標(biāo)定矩陣，具體過程如下：

6.一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于：所述標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入過程中包括采集數(shù)據(jù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊、進(jìn)行解析的數(shù)據(jù)格式解析模塊；平面位姿解析過程中包括進(jìn)行圖像分割的超聲圖像分割模塊、進(jìn)行校正的形狀先驗(yàn)校正模塊；空間位姿解析過程中包括進(jìn)行物理場(chǎng)統(tǒng)一的多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊；標(biāo)定矩陣輸出過程中包括進(jìn)行矩陣求解的標(biāo)定矩陣求解模塊。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于：所述標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊中包括通訊模塊，所述通訊模塊通過串口通訊建立雙目光學(xué)定位設(shè)備到圖像處理工作站的數(shù)據(jù)傳輸管道，通過圖像采集卡的轉(zhuǎn)接建立由超聲成像設(shè)備到圖像處理工作站的數(shù)據(jù)傳輸管道。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)格式解析模塊包括讀取模塊，所述讀取模塊對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊存儲(chǔ)的空間位姿數(shù)據(jù)和平面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類讀取，并分別傳遞到后續(xù)的超聲圖像分割模塊和多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊中。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于：所述超聲圖像分割模塊的輸入數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)格式解析模塊中處理好的圖數(shù)據(jù)，超聲圖像分割模塊的輸出是提取了原圖像數(shù)據(jù)中目標(biāo)點(diǎn)的灰度圖像數(shù)據(jù)。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于：所述多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊包括多層n線體模，所述多層n線體模由五層鏤空結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每層鏤空結(jié)構(gòu)包含16對(duì)三棱柱通孔，鏤空結(jié)構(gòu)的表面還包含16個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，通過在三棱柱通孔內(nèi)引線，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定過程中所需n線結(jié)構(gòu)的搭建。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種共線約束式的自由臂超聲探頭空間標(biāo)定方法及標(biāo)定系統(tǒng)，其方法，包括以下步驟：進(jìn)行標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入；進(jìn)行平面位姿解析，得到超聲圖像坐標(biāo)系下的第一目標(biāo)點(diǎn)集；進(jìn)行空間位姿解析，得到來源于超聲體模位置傳感器坐標(biāo)系的第二目標(biāo)點(diǎn)集；輸出標(biāo)定矩陣；其標(biāo)定系統(tǒng)，包括標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入過程中的標(biāo)定數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)格式解析模塊；平面位姿解析過程中包括超聲圖像分割模塊、形狀先驗(yàn)校正模塊；空間位姿解析過程中包括多物理場(chǎng)統(tǒng)一模塊；標(biāo)定矩陣輸出過程中包括矩陣求解模塊。本發(fā)明提高標(biāo)定流程自動(dòng)化程度。本發(fā)明減少噪聲點(diǎn)對(duì)標(biāo)定精度的干擾。本發(fā)明提升了超聲探頭空間標(biāo)定的精度和效率，為精準(zhǔn)高效的自由臂三維超聲成像奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)研發(fā)人員：孫濤,王文碩,劉傳耙
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10