一種超聲探頭標(biāo)定體模、超聲探頭標(biāo)定系統(tǒng)及其標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲圖像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲探頭標(biāo)定體模、系統(tǒng)及其標(biāo)定 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲成像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超聲圖像引導(dǎo)的介入手術(shù)、三維體數(shù)據(jù)的重建中。但是， 普通二維超聲探頭沒有外圍定位設(shè)備，進(jìn)而超聲圖像數(shù)據(jù)不能直接用于手術(shù)中。因此，必須 有一種定位裝置能和超聲成像平面建立一種對(duì)應(yīng)的變換關(guān)系。而超聲探頭標(biāo)定就是確定固 定在超聲探頭上的位置傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為二維超聲成像平面坐標(biāo)系變換關(guān)系的過程。
[0003] 在超聲探頭的標(biāo)定算法中，標(biāo)定模型的設(shè)計(jì)和制作至關(guān)重要。模型設(shè)計(jì)的好壞直 接影響到標(biāo)定操作是否簡(jiǎn)易、標(biāo)定特征點(diǎn)成像是否清晰、特征點(diǎn)提取是否方便以及后續(xù)的 標(biāo)定求解是否精確。經(jīng)典的超聲探頭標(biāo)定模型可分為兩類：基于體模（Phantom-based)的 標(biāo)定模型和基于定位探針（Stylus-based)的標(biāo)定模型。
[0004] 單點(diǎn)體模標(biāo)定是通過對(duì)一個(gè)圓形的物體（如圖la)或交叉線的交點(diǎn)（如圖Ib)進(jìn) 行多角度的掃描成像，然后在掃描圖像中分割出該點(diǎn)物體，并通常將該點(diǎn)物體看作該體模 對(duì)象的坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行求解。這一類方法的標(biāo)定精度依賴于超聲圖像上對(duì)特征點(diǎn)物體的定位 精度，要確保超聲圖像平面剛好經(jīng)過特征點(diǎn)物體的中心點(diǎn)。多點(diǎn)和交叉線體模的內(nèi)部由多 個(gè)交叉線形成多個(gè)可成像的圓形交點(diǎn)，同樣要求超聲圖像平面通過交點(diǎn)所在平面。多個(gè)交 點(diǎn)之間通常形成三點(diǎn)共線或三點(diǎn)共面三角形的關(guān)系（如圖Ic)，并利用這些幾何約束關(guān)系 求解標(biāo)定方程。二維形狀體模的標(biāo)定思想類似于多點(diǎn)體模，它是通過掃描二維平面物體的 幾何角點(diǎn)代替交叉線的交點(diǎn)（如圖Id)，在掃描圖像上角點(diǎn)通常都表現(xiàn)出更高的亮度值。三 交叉線體模由三個(gè)兩兩垂直的交叉線組成（如圖Ie)，該體模的設(shè)計(jì)初衷是將三交叉線組 成的坐標(biāo)系統(tǒng)作為體模的局部坐標(biāo)系統(tǒng)，使得超聲掃描平面不需要垂直于超聲探頭標(biāo)定體 模，可相對(duì)簡(jiǎn)化掃描操作。
[0005] 面體模的標(biāo)定方法以在水槽底部或在水槽中固定一個(gè)可在超聲中清晰成像的平 板作為超聲探頭標(biāo)定體模，體模在超聲中所成的像為一條直線，使得后續(xù)的圖像特征（直 線）提取更加容易，直線上的點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)標(biāo)定方程的求解是非常豐富的。N形體模由一層或多 層尼龍線組成N形目標(biāo)（如圖lf)，當(dāng)超聲平面切過這些N形目標(biāo)時(shí)，每個(gè)N形靶線在圖像 上產(chǎn)生3個(gè)亮斑特征點(diǎn)。手動(dòng)識(shí)別和拾取三個(gè)亮斑的坐標(biāo)后，通過左右2個(gè)亮斑到中間亮 斑的距離之比，并結(jié)合模型的設(shè)計(jì)約束，可以求解出N形目標(biāo)與成像平面交點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo) 系中的三維坐標(biāo)值。
[0006] 近年來，N形體模由于其制作簡(jiǎn)單，掃描方便快捷，因此得到廣泛應(yīng)用。然而超聲 探頭的聲場(chǎng)隨著掃描深度增加而擴(kuò)散，超聲成像面并非理想的幾何平面。有一定厚度的成 像面與線形目標(biāo)相交，發(fā)射目標(biāo)在理想成像平面上的投影比不上一個(gè)點(diǎn)，從而形成線狀甚 至弧形的亮斑特征點(diǎn)，但是，這一的光斑在手工或者自動(dòng)拾取標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)存在很大的誤 差和不確定性，引起N形目標(biāo)三維坐標(biāo)重建計(jì)算中的誤差增大，導(dǎo)致這個(gè)過程中原本存在 的共面性丟失，進(jìn)而引起標(biāo)定精度的下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于此，本發(fā)明提供一種超聲探頭標(biāo)定體模，以有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0008] -方面本發(fā)明提供了一種超聲探頭標(biāo)定體模，所述超聲探頭標(biāo)定體模的上表面的 中間位置開設(shè)有凹形槽，其一側(cè)面上開設(shè)有若干錐形孔。
[0009] 另一方面本發(fā)明還提供了一種超聲探頭標(biāo)定系統(tǒng)，包括：
[0010] 超聲水槽，其內(nèi)盛放有純凈水；
[0011] 超聲探頭標(biāo)定體模，固定于所述超聲水槽內(nèi)，且所述純凈水剛好沒過所述超聲探 頭標(biāo)定體模，所述超聲探頭標(biāo)定體模的上表面的中間位置開設(shè)有凹形槽，其一側(cè)面上開設(shè) 有若干錐形孔；
[0012] 二維超聲探頭，固定于所述凹形槽內(nèi)，所述二維超聲探頭中還固定有定位跟蹤裝 置；以及
[0013] NDI穿刺探針，固定插入所述錐形孔中，通過超聲圖像可以獲取所述NDI穿刺探針 的尖端。
[0014] 在一些實(shí)施例中，所述超聲探頭標(biāo)定體模采用超聲波通透性好的材料。
[0015] 在一些實(shí)施例中，所述超聲探頭標(biāo)定體模采用有機(jī)玻璃。
[0016] 再一方面，本發(fā)明還提供了一種超聲探頭標(biāo)定方法，包括下述步驟：
[0017] 將所述超聲探頭標(biāo)定體模固定于所述超聲水槽中，且使所述超聲水槽中的純凈水 剛好沒入所述超聲探頭標(biāo)定體模，所述超聲探頭標(biāo)定體模的上表面的中間位置開設(shè)有凹形 槽，其一側(cè)面上開設(shè)有若干錐形孔；
[0018] 將所述二維超聲探頭固定于所述凹形槽中，所述二維超聲探頭中還固定有定位跟 蹤裝置；
[0019] 將所述NDI穿刺探針插入所述錐形孔中，并通過超聲圖像獲取所述NDI穿刺探針 的尖立而；
[0020] 通過所述NDI穿刺探針同時(shí)獲取所述尖端和所述定位跟蹤裝置在世界坐標(biāo)系的 位置信息，并分別記為7,及T s_w;
[0021] 記錄所述尖端在所述超聲圖像平面上的像素位置信息，記為X1，且Y1 = Ts_w ? TP_S ? X1，其中，TP_sS待求的超聲成像平面坐標(biāo)系P到超聲探頭定位裝置坐標(biāo)系S 的變換矩陣；
[0022] 采用基于迭代最鄰近點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)算法求解變換矩陣TP_S，可同步獲取空間標(biāo)定 和時(shí)間標(biāo)定。
[0023] 在一些實(shí)施例中，還包括下述步驟：
[0024] 變換所述NDI穿刺探針在所述超聲探頭標(biāo)定體模中的位置，獲取一些列所述尖端 位置的點(diǎn)集對(duì)，記為Y = {y;，i G m}和X = Ui, i G n}，其中m乒n，m，n為自然數(shù)；
[0025] 基于迭代最鄰近點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)算法，構(gòu)建下述公式，并對(duì)下述公式迭代地求解過 程可看作對(duì)如下兩個(gè)方程進(jìn)行迭代地進(jìn)行最小化的過程，
[0027] 通過當(dāng)前變換矩陣T1I^X集合的每一點(diǎn)X1G X進(jìn)行變換，再在Y集合中尋找離 Tk(X1)最近的點(diǎn)，并將這一點(diǎn)標(biāo)記為在第k次迭代的對(duì)應(yīng)點(diǎn)<，這一步的結(jié)果為一組對(duì)應(yīng)點(diǎn) 對(duì)的集合(.Ki);
[0028] 反復(fù)進(jìn)行上述操作，尋找一個(gè)變換矩陣T使得Y = {y;，i G m}和X = Ui, i G n}， 這兩個(gè)點(diǎn)集對(duì)齊。
[0029] 在一些實(shí)施例中，所述超聲探頭標(biāo)定體模采用超聲波通透性好的材料。
[0030] 在一些實(shí)施例中，所述超聲探頭標(biāo)定體模采用有機(jī)玻璃。
[0031] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有下述有益效果：
[0032] 本發(fā)明提供的超聲探頭標(biāo)定體模，在上表面的中間位置開設(shè)有凹形槽，其側(cè)面開 設(shè)有若干錐形孔，由于該超聲探頭標(biāo)定體模的這種結(jié)構(gòu)使得二維超聲探頭可以固定在超聲 探頭標(biāo)定體模上，這樣避免了手持等造成的意外抖動(dòng)誤差，極大的提高了標(biāo)定系統(tǒng)的實(shí)用 性。
[0033] 本發(fā)明提供的超聲探頭標(biāo)定系統(tǒng)，在所述超聲探頭標(biāo)定體模的上表面的中間位置 開設(shè)有凹形槽，其側(cè)面開設(shè)有若干錐形孔，所述凹形槽內(nèi)固定連接有二維超聲探頭，所述錐 形孔中插入有NDI穿刺探針，通過超聲圖像可以獲取所述NDI穿刺探針的尖端，本發(fā)明采用 上述結(jié)構(gòu)的超聲探頭標(biāo)定系統(tǒng)，可以讓超聲平面的中性面沿著中間的縫隙正好過超聲探頭 標(biāo)定體模的中性面，使得超聲平面的中性面正好采用NDI穿刺探針的尖端，這樣很好的解 決了"點(diǎn)型"體模和二維"面型"體模與超聲平面不能對(duì)準(zhǔn)的問題。
[0034] 本發(fā)明提供的超聲探頭標(biāo)定方法，采用基于迭代最鄰近點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)算法：i)能 自動(dòng)找到兩個(gè)點(diǎn)集（超聲探頭標(biāo)定體模上的特征點(diǎn)和超聲成像平面上對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)）之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此并不需要兩個(gè)點(diǎn)集之間在時(shí)間上的同步；ii)不需要兩個(gè)點(diǎn)集之間集合 個(gè)數(shù)相等；iii) 一旦變換矩陣求解獲得，可逆向求解出標(biāo)定系統(tǒng)中圖像數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)之 間的延時(shí)，因此，上述算法很好的解決了超聲探頭空間標(biāo)定和時(shí)間標(biāo)定的問題。
【附圖說明】
[0035] 圖1中（a)為現(xiàn)有技術(shù)提供的超聲探頭標(biāo)定體模的點(diǎn)體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖1中（b)為現(xiàn)有技術(shù)提供的超聲探頭標(biāo)定體模的單交叉線體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖1中（c)為現(xiàn)有技術(shù)提供的超聲探頭標(biāo)定體模的多交叉線體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖1中（d)為現(xiàn)有技術(shù)提供的超聲探頭標(biāo)定體模的二維形狀體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖1中（e)為現(xiàn)有技術(shù)提供的超聲探頭標(biāo)定體模的三交叉線體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖1中（f)為現(xiàn)有技術(shù)提供的超聲探頭標(biāo)定體模的N形體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲探頭標(biāo)定體模的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲探頭標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲探頭標(biāo)定方法的步驟流程圖；
[0044] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的NDI穿刺探針在超聲探頭上的成像。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中 給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專 利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間 接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
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