术前肝脏三维超声拼接系统及方法

1.本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种术前肝脏三维超声拼接系统，以及术前肝脏三维超声拼接方法，其适用于基于超声图像引导的消融手术领域。


背景技术：

2.超声成像因其低成本、实时及安全等特点被广泛应用于临床介入手术过程中。目前超声成像技术可分为二维成像技术与三维成像技术，但用于三维成像的超声探头成本高、成像分辨率较低、普适性较差，故临床应用中更多使用二维超声探头采集超声数据。
3.在二维超声引导的肝脏消融手术中，医生需要凭借解剖学知识以及丰富的临床经验来判断病灶的三维结构，以达到精准定位与完全消融的目的。对于一些缺乏临床经验的医生，可能会出现因病灶形状位置判断不准确而导致消融不完全的情况。三维超声图像可包含病灶三维形状与空间位置，使得医生可直观获取有用信息，基于手持式二维超声探头的三维成像近年来已成为医学成像领域的研究热点。此外，肝右叶多发肿瘤，同时在超声成像中肝右叶也受肋骨遮挡较多。而肋骨遮挡将导致三维超声成像范围较小或超声成像质量差(表现为三维超声中存在大片黑色区域)等情况。因此，为在保证三维超声成像质量不受损的情况下获得大成像范围的三维超声，就需要将多个肋间三维超声进行拼接。
4.当医生想要单独获取三维超声时，只需按照说明进行数据采集即可获得三维超声数据，再通过拼接操作即可获得大范围三维超声数据。对于这种具有三维超声重建及拼接功能的采集系统，有如下几点是不能忽视的：
5.1、在消融手术治疗过程中，医生不仅采集普通超声，同时也会采集超声造影图像辅助判断，造影图像与普通超声都需进行三维重建。
6.2、为获取二维超声切片空间位置，需利用电磁跟踪设备实时跟踪。但电磁跟踪设备跟踪范围有限，需实时判断跟踪状态，以免丢失跟踪目标。
7.3、超声检查多为扇扫，三维重建应满足扇扫条件。
8.因而，术前肝脏三维超声拼接系统须满足以下条件：(1)重建扇扫三维超声；(2)具有普通超声与超声造影两种重建模式；(3)具有多个三维超声拼接功能；(4)超声切片跟踪状态实时显示功能。


技术实现要素：

9.为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种术前肝脏三维超声拼接系统，其能够在无辐射的情况下获得患者三维数据，提供医生直观的病灶三维信息，扩大三维超声视野，提高导航准确性，为超声引导肝脏肿瘤消融手术提供一种便利的工具。
10.本发明的技术方案是：这种术前肝脏三维超声拼接系统，其包括：
11.采集及重建参数设置模块，其配置来设置二维超声序列保存路径、采集超声模式、屏幕截取模式、以及超声图像保存时间间隔；
12.电磁跟踪设备连接模块，其配置来连接pc与电磁跟踪设备，建立数据传输通路，记
录电磁跟踪设备中超声探头的空间位置变化；
13.超声成像模块，其配置来连接pc与超声仪，二者之间通过采集卡进行连接，建立图像数据传输通路，保证pc实时获取超声仪的视频信号，截取模式由采集及重建参数设置模块中的屏幕截取模式确定；
14.二维超声切片采集模块，其配置来控制二维超声切片的采集，采集超声模式以及超声保存时间间隔从采集及重建参数设置模块中获取；
15.该模块通过系统程序发送开始信号后在设置保存路径中新建文件夹，并开始按照保存时间间隔读取超声切片以及切片对应跟踪信息保存于新建文件夹中；待发送结束信号后，停止保存切片与对应跟踪信息，单次采集结束；重复上述过程，获得多个用于重建不同三维数据的二维超声切片序列；
16.三维超声重建模块，其配置来执行当前选择目录下所有文件夹中二维超声切片序列的三维超声重建，重建模式从采集及重建参数设置模块中获取，系统程序发送重建信号后开始对各文件夹中的二维超声切片序列进行重建；
17.超声拼接模块，其配置来执行当前选择目录下所有文件夹中重建三维超声的拼接，系统程序发送拼接信号后开始利用所有文件夹中的三维超声进行拼接。
18.本发明集电磁跟踪、超声切片采集、超声三维重建与拼接于一体，通过利用多个二维超声切片重建出病灶单个较小或肋间区域三维超声数据，再将多个病灶不同视角或不同部位的三维超声数据进行拼接，最终获得具有完整病灶及周边组织的大范围三维超声数据，因此该系统在无辐射的情况下获得患者三维数据，提供医生直观的病灶三维信息，扩大三维超声视野，提高导航准确性，为超声引导肝脏肿瘤消融手术提供一种便利的工具。
19.还提供了术前肝脏三维超声拼接方法，其包括以下步骤：
20.(1)连接设备线路，设置采集与图像重建参数；
21.(2)连接电磁跟踪设备与超声仪；
22.(3)测试电磁跟踪设备跟踪范围，此步骤模拟超声图像采集过程，点击用户界面上的开始按钮，并观察右下角跟踪状态信号灯：当跟踪状态信号灯成绿色时表示探头在跟踪范围内；当跟踪状态信号灯呈红色时表示探头超出跟踪范围，该探头位置无法获取跟踪信息，采集时避免探头移动到此位置；若重建目标部位未处于跟踪范围中，则调整电磁跟踪设备位置，以确保重建目标部位处于跟踪范围中；测试完毕后点击停止，停止测试；测试完毕后删除测试保存出的图像及文件夹；
23.(4)采集超声图像，点击用户界面上的开始按钮，将超声探头放置于重建目标部位，前后旋转超声探头采集用于重建三维超声的切片，当采集切片已覆盖目标部位时点击停止，结束采集；
24.(5)三维超声重建，将路径设置为采集保存路径，路径下所有文件夹中图像若为普通超声，则采集超声模式选择单栏，若为超声造影，则采集超声模式选择双栏；点击用户界面中的重建按钮，依次将路径下各文件夹中的二维超声序列重建为三维超声，重建结果保存于对应采集切片保存文件夹中；
25.(6)三维超声拼接，将路径设置为采集保存路径，路径下所有文件夹中二维超声切片序列也已重建为三维超声，点击用户界面上的拼接按钮，此时将所有文件夹中重建出的三维超声拼接为一个大范围三维超声，拼接完成，拼接结果存于采集保存路径下。
附图说明
26.图1是根据本发明的术前肝脏三维超声拼接系统的结构示意图。
27.图2是根据本发明的术前肝脏三维超声拼接方法的流程图。
具体实施方式
28.如图1所示，这种术前肝脏三维超声拼接系统，其包括：
29.采集及重建参数设置模块，其配置来设置二维超声序列保存路径、采集超声模式、屏幕截取模式、以及超声图像保存时间间隔；
30.电磁跟踪设备连接模块，其配置来连接pc与电磁跟踪设备，建立数据传输通路，记录电磁跟踪设备中超声探头的空间位置变化；
31.超声成像模块，其配置来连接pc与超声仪，二者之间通过采集卡进行连接，建立图像数据传输通路，保证pc实时获取超声仪的视频信号，截取模式由采集及重建参数设置模块中的屏幕截取模式确定；
32.二维超声切片采集模块，其配置来控制二维超声切片的采集，采集超声模式以及超声保存时间间隔从采集及重建参数设置模块中获取；
33.该模块通过系统程序发送开始信号后在设置保存路径中新建文件夹，并开始按照保存时间间隔读取超声切片以及切片对应跟踪信息保存于新建文件夹中；待发送结束信号后，停止保存切片与对应跟踪信息，单次采集结束；重复上述过程，获得多个用于重建不同三维数据的二维超声切片序列
34.三维超声重建模块，其配置来执行当前选择目录下所有文件夹中二维超声切片序列的三维超声重建，重建模式从采集及重建参数设置模块中获取，系统程序发送重建信号后开始对各文件夹中的二维超声切片序列进行重建；
35.超声拼接模块，其配置来执行当前选择目录下所有文件夹中重建三维超声的拼接，系统程序发送拼接信号后开始利用所有文件夹中的三维超声进行拼接。
36.本发明集电磁跟踪、超声切片采集、超声三维重建与拼接于一体，通过利用多个二维超声切片重建出病灶单个较小或肋间区域三维超声数据，再将多个病灶不同视角或不同部位的三维超声数据进行拼接，最终获得具有完整病灶及周边组织的大范围三维超声数据，因此该系统在无辐射的情况下获得患者三维数据，提供医生直观的病灶三维信息，扩大三维超声视野，提高导航准确性，为超声引导肝脏肿瘤消融手术提供一种便利的工具。
37.优选地，所述电磁跟踪设备连接模块以独立线程的形式存在，该模块通过pc发送连接信号进行电磁跟踪设备与pc的连接或断连接，并将设备连接是否成功的信号放置于用户界面中，若电磁跟踪设备连接成功，则连接状态信号灯呈绿色，否则信号灯呈红色。
38.优选地，所述二维超声切片采集模块在采集过程中实时对探头跟踪状态进行监测，若探头超出跟踪范围，跟踪状态信号灯呈红色，否则信号灯呈绿色；同时用户界面显示此次采集时长与采集切片总数。
39.优选地，所述三维超声重建模块，待所有数据重建完成后，发送重建完毕信号，并在用户界面上显示。
40.优选地，所述超声拼接模块，待拼接完成后，发送拼接完毕信号，并在用户界面上显示；拼接结果保存于当前选择目录下。
41.本发明系统集电磁跟踪、超声切片采集、超声三维重建与拼接与一体，该集成也是本发明的主要创新点，各功能通过pc进行控制并与pc交互信息，操作简洁灵活，并且还带有以下优点，提高了系统性能：
42.1、由于术前肝脏三维超声拼接系统属于封装程序，并具有友好的用户交互界面，所以完全不需要任何编译平台和工具包即可使用。
43.2、具有普通超声与超声造影两种采集、重建模式，多模式共存，系统可灵活适用于多种超声采集场景。
44.3、超声切片采集结束后，即刻获得超声重建结果与超声拼接结果，系统有效提高了术前肝脏三维超声拼接与分析的效率。
45.4、拼接后的三维超声可提供肝脏病灶三维形状及其与周围组织的相对关系，后续可进行可视化，使医生直观获得有效信息。
46.如图2所示，还提供了术前肝脏三维超声拼接方法，其包括以下步骤：
47.(1)连接设备线路，设置采集与图像重建参数；
48.(2)连接电磁跟踪设备与超声仪；
49.(3)测试电磁跟踪设备跟踪范围，此步骤模拟超声图像采集过程，点击用户界面上的开始按钮，并观察右下角跟踪状态信号灯：当跟踪状态信号灯成绿色时表示探头在跟踪范围内；当跟踪状态信号灯呈红色时表示探头超出跟踪范围，该探头位置无法获取跟踪信息，采集时避免探头移动到此位置；若重建目标部位未处于跟踪范围中，则调整电磁跟踪设备位置，以确保重建目标部位处于跟踪范围中；测试完毕后点击停止，停止测试；测试完毕后删除测试保存出的图像及文件夹；
50.(4)采集超声图像，点击用户界面上的开始按钮，将超声探头放置于重建目标部位，前后旋转超声探头采集用于重建三维超声的切片，当采集切片已覆盖目标部位时点击停止，结束采集；
51.(5)三维超声重建，将路径设置为采集保存路径，路径下所有文件夹中图像若为普通超声，则采集超声模式选择单栏，若为超声造影，则采集超声模式选择双栏；点击用户界面中的重建按钮，依次将路径下各文件夹中的二维超声序列重建为三维超声；
52.(6)三维超声拼接，将路径设置为采集保存路径，路径下所有文件夹中二维超声切片序列也已重建为三维超声，点击用户界面上的拼接按钮，此时将所有文件夹中重建出的三维超声拼接为一个大范围三维超声，拼接完成，拼接结果存于采集保存路径下。
53.优选地，所述步骤(1)包括以下分步骤：
54.(1.1)电磁采集系统通过数据线与pc相连，超声仪通过采集卡与pc相连，设备上电；
55.(1.2)设置保存路径，此保存路径中存在多个保存二维超声序列的文件夹，每个文件夹下的所有二维超声切片将重建为一个三维超声，路径中所有文件夹里的三维超声将拼接为一个大范围三维超声数据；若拼接目标有所改变，则重新选择保存路径再开始采集超声；
56.(1.3)设置采集超声模式，选择模式有两种，分别为单栏和双栏，若采集超声为普通超声则选择单栏，若采集超声为超声造影则选择双栏；
57.(1.4)选择屏幕截取模式，可选模式有两种，分别为最佳和全屏；
58.(1.5)选择超声保存时间间隔。
59.优选地，所述步骤(2)中，在保证电磁跟踪设备和超声仪线路连接完毕且通电的情况下，点击用户界面连接按钮，当右下角连接状态信号灯呈绿色且电磁跟踪设备发出连接成功提示音时，电磁跟踪设备与pc连接成功；同时，当在用户界面显示当前超声图像时，超声仪与pc连接成功，实时获取超声仪的视频信号。
60.优选地，所述步骤(4)中，采集单次用于重建的二维超声切片序列的过程中患者保持屏气状态，超声探头保持匀速前后旋转移动进行扇扫或平扫；若需拼接，将待拼接图像放置于同一保存路径下。
61.优选地，所述步骤(5)中，当用户界面左下角出现重建结束的信号提示时，各文件夹三维超声重建结束；所述步骤(6)中，当左下角出现拼接结束的信号提示时，拼接完成，拼接结果存于采集保存路径下。
62.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。