专利名称：一种基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法
技术领域：
本发明属于医学超声波的图像处理和图像显示技术领域，特别涉及一种基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法。
背景技术：
医学超声诊断是现代影像医学的重要组成部分，在人身体很多组织(比如心脏、肝脏、神经血管等)的病理诊断中有很大的价值。其中三维超声成像技术因其图像显示直观、诊断精确性高等特点在超声诊断中得到越来越多的应用。目前，医学三维超声成像中常用的扫描方法有机械定位平行扫描、扇形扫描、旋转扫描和自由臂(Free-Hand)扫描四种方式。对原始超声图像序列进行三维重建之前，需要确定超声探头与原始二维超声图像之间的位置关系，才能准确的重建出三维对象，因此必须对超声探头做一个位置标定。在自由臂 扫描方法中已经出现比较多的位置标定方法，比如交叉线扫描方法、单个反射面扫描方法等。而对于线性扫描方式的位置标定，目前大多是通过扫描一排均匀排列小球来做位置标定。制作这样的标定仿体较为复杂，因此，设计一种既能够减小医学超声三维成像中线性扫描位置标定的复杂度，同时还能保证三维成像准确性的位置标定方法极具实际意义。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，该方法既能够减小医学超声三维成像中线性扫描位置标定的复杂度，同时还能够提高三维成像的准确性。本发明的目的通过以下的技术方案实现一种基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，首先为线性扫描用的线性滑轨建立一个线性滑轨坐标系，然后将一个测试用的、已知尺寸大小的长方体置于该线性滑轨坐标系中，并保证线性滑轨和长方体的一条边相互平行放置，以长方体一个顶点为原点建立世界坐标系，确定该世界坐标系下每个顶点的坐标；假定超声探头与线性滑轨之间存在一个旋转角度，将世界坐标系下的每个顶点坐标转换到原始超声图像平面坐标系中；再假定超声探头与线性滑轨之间不存在坐标转换，再将原始超声图像平面坐标系下的顶点坐标转换到线性滑轨坐标系中得到这些顶点新的坐标；根据各个顶点的转换坐标计算出每两条边的夹角与超声探头和线性滑轨之间的旋转角度的关系，得出线性扫描方式下探头位置标定公式；然后线性扫描并测量重建长方体形变量，根据标定公式计算出超声探头与线性滑轨之间的旋转角度，即为位置标定结果。具体包括以下步骤(I)初始化为线性扫描用的线性滑轨建立一个线性滑轨坐标系，一个位置传感器与线性滑轨固定相连，并可以通过机械驱动或手动产生移动；将测试用的、已知尺寸的长方体置于该线性滑轨坐标系中，并保证线性滑轨和长方体的一条边相互平行放置；根据长方体的位置，建立世界坐标系，根据其尺寸标注每一个顶点在世界坐标系中的坐标；线性滑轨坐标系与世界坐标系之间仅有平移关系，而没有旋转关系。
(2)推导长方体形变量与超声探头与线性滑轨之间旋转角度的数学关系式将超声探头与位置传感器绑定，一起连接在线性滑轨之上，根据超声探头的位置，建立原始超声图像平面坐标系；假定超声探头产生的原始超声图像平面与线性滑轨的坐标系之间存在旋转角度，使用坐标转换公式将长方体各个顶点坐标从世界坐标系中反推到原始超声图像平面坐标系中；然后在假定原始超声图像平面与线性滑轨之间不存在旋转角度的情况下，对原始超声图像进行三维重建，即将原始超声图像平面坐标系中长方体各顶点坐标转换到线性滑轨坐标系中，因为假定原始超声图像平面与线性滑轨坐标系之间不存在旋转角度的变换通常是不成立的，因此此时计算得到各个顶点在线性滑轨坐标系中的坐标与其在世界坐标系中的坐标点之间产生扭曲，这种扭曲使重建后的长方体的相邻边之间不再保持90度直角关系，这包含了超声探头与线性滑轨之间的旋转角度信息；根据这些转换得到的线性滑轨坐标系下各个顶点坐标重新计算长方体相邻两条边的角度，则可以在理论上推导得到长方体形变量与超声探头与线性滑轨之间旋 转角度的数学关系式；(3)线性扫描并测量重建长方体形变量采用线性扫描方式对标准长方体进行扫描，得到原始二维超声图像序列，假定超声探头与线性滑轨之间不存在坐标转换关系，对原始超声图像进行三维重建，在重建后的三维图像中测量长方体各个顶点在线性滑轨坐标系下的重建坐标，进而计算长方体相邻边之间夹角变化，即长方体形变量。超声探头与线性滑轨之间实际上是存在旋转角度的，实际上线性扫描得到的原始二维超声图像序列也是在探头与线性滑轨之间存在旋转角度的情况下得到的，而在步骤(2)中，推导得到的数学关系式，是在假定线性滑轨与超声探头之间不存在坐标转换的情况下得到的，因此这一步中在对二维超声图像序列进行重建时假定线性滑轨与探头不存在坐标转换关系，计算出重建长方体的形变量，代入步骤(2)推导出的公式，可以最终确定超声探头与线性滑轨的旋转角度。(4)标定结果计算将步骤(3)中测量得到的长方体形变量代入到步骤(2)中推导出的长方体形变量与超声探头与线性滑轨之间旋转角度的数学关系式，计算出超声探头与线性滑轨之间的旋转角度，即为系统的位置标定结果。优选的，所述步骤(I)中，采用平行度测试仪来保证线性滑轨扫描方向与长方体上表面的一条边相互平行。作为另一种优选方案，所述步骤(I)中，为保证线性滑轨扫描方向与长方体上表面的一条边相互平行，采用如下方法将长方体和线性滑轨置于水平桌面上，然后调节线性滑轨的高度使其与长方体等高，接着调整线性滑轨的方向使其平行于长方体上表面的一条边，最后再调节线性滑轨的高度到合适高度。在实际应用中，任何其他可行的方法都可以用来测量这两者的平行度。优选的，所述步骤(I)中，长方体的某个顶点位于建立的世界坐标系的原点位置，从而根据长方体已知的尺寸，确定长方体其他顶点在世界坐标系中的坐标，设长方体AB⑶HEFG的顶点A位于世界坐标系的原点位置，长方体的三条边AE、AD和AB分别位于坐标系的三条坐标轴上,三条边的边长分别为Xe、Yd、Zb，则长方体中A、B、D、E四个顶点的坐标分别为cXa= (O, O, O), cXb= (O, O, Zb), cXd= (O, Yd, O), cXe= (Xe, O, O) (I)优选的，所述步骤(2)中，首先将长方体各个顶点坐标从世界坐标系中转换到原始超声图像平面坐标系中，具体步骤如下将超声探头连接在线性滑轨之上，假定超声探头与线性滑轨之间存在一个旋转角度，根据超声探头的位置，建立原始超声图像平面坐标系，然后将世界坐标系下长方体各个顶点坐标转换到原始超声图像平面坐标系中，坐标转换公式如下cX=cT11TppX(2)将公式(2 )做变换得pX= (1Tp)(cT1)(cX) ；(3)其中PX、cX分别表示原始超声图像平面坐标系和世界坐标系中长方体各个顶点的顶点位置Jtp表示从原始超声图像平面坐标系到线性滑轨坐标系的转换表达式^t1表示从线性滑轨坐标系到世界坐标系的转换表达式。坐标转换矩阵表达式如下
权利要求
1.一种基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，首先为线性扫描用的线性滑轨建立线性滑轨坐标系，然后将一个测试用的、已知尺寸大小的长方体置于该线性滑轨坐标系中，并保证线性滑轨和长方体的一条边相互平行放置，以长方体一个顶点为原点建立世界坐标系，确定该世界坐标系下每个顶点的坐标；假定超声探头与线性滑轨之间存在一个旋转角度，将世界坐标系下的每个顶点坐标转换到原始超声图像平面坐标系中；再假定超声探头与线性滑轨之间不存在坐标转换，再将原始超声图像平面坐标系下的顶点坐标转换到线性滑轨坐标系中得到这些顶点新的坐标；根据各个顶点的转换坐标计算出每两条边的夹角与超声探头和线性滑轨之间的旋转角度的关系，得出线性扫描方式下探头位置标定公式；然后线性扫描并测量重建长方体形变量，根据标定公式计算出超声探头与线性滑轨之间的旋转角度，即为位置标定结果。
2.根据权利要求1所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)初始化为线性扫描用的线性滑轨建立一个线性滑轨坐标系，一个位置传感器与线性滑轨固定相连，并可以通过机械驱动或手动产生移动；将测试用的、已知尺寸的长方体置于该线性滑轨坐标系中，并保证线性滑轨和长方体的一条边相互平行放置；根据长方体的位置，建立世界坐标系，根据其尺寸标注每一个顶点在世界坐标系中的坐标； (2)推导长方体形变量与超声探头与线性滑轨之间旋转角度的数学关系式将超声探头与位置传感器绑定，一起连接在线性滑轨之上，根据超声探头的位置，建立原始超声图像平面坐标系；假定超声探头产生的原始超声图像平面与线性滑轨的坐标系之间存在旋转角度，使用坐标转换公式将长方体各个顶点坐标从世界坐标系中反推到原始超声图像平面坐标系中；然后在假定原始超声图像平面与线性滑轨之间不存在旋转角度的情况下，对原始超声图像进行三维重建，即将原始超声图像平面坐标系中长方体各顶点坐标转换到线性滑轨坐标系中；根据转换得到的线性滑轨坐标系下各个顶点坐标重新计算长方体相邻两条边的角度，则在理论上推导得到长方体形变量与超声探头与线性滑轨之间旋转角度的数学关系式; (3)线性扫描并测量重建长方体形变量采用线性扫描方式对标准长方体进行扫描，得到原始二维超声图像序列，假定超声探头与线性滑轨之间不存在坐标转换关系，对原始超声图像进行三维重建，在重建后的三维图像中测量长方体各个顶点在线性滑轨坐标系下的重建坐标，进而计算长方体相邻边之间夹角变化，即长方体形变量； (4)标定结果计算将步骤(3)中测量得到的长方体形变量代入到步骤(2)中推导出的长方体形变量与超声探头与线性滑轨之间旋转角度的数学关系式，计算出超声探头与线性滑轨之间的旋转角度，即为系统的位置标定结果。
3.根据权利要求2所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(I)中，采用平行度测试仪来保证线性滑轨扫描方向与长方体上表面的一条边相互平行。
4.根据权利要求2所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(I)中，为保证线性滑轨扫描方向与长方体上表面的一条边相互平行，采用如下方法将长方体和线性滑轨置于水平桌面上，然后调节线性滑轨的高度使其与长方体等高，接着调整线性滑轨的方向使其平行于长方体上表面的一条边，最后再调节线性滑轨的高度到合适高度。
5.根据权利要求3或4所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(I)中，长方体的某个顶点位于建立的世界坐标系的原点位置，从而根据长方体已知的尺寸，确定长方体其他顶点在世界坐标系中的坐标，设长方体ABCDHEFG的顶点A位于世界坐标系的原点位置,长方体的三条边AE、AD和AB分别位于坐标系的三条坐标轴上，三条边的边长分别为36、￥(1、213，则长方体中4、8、03四个顶点的坐标分别为cXa= (O, O, O)，cXb= (O, O, Zb)，cXd= (O, Yd, O)，cXe= (Xe, 0,0)。(I)
6.根据权利要求5所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，首先将长方体各个顶点坐标从世界坐标系中转换到原始超声图像平面坐标系中，具体步骤如下将超声探头连接在线性滑轨之上，假定超声探头与线性滑轨之间存在一个旋转角度，根据超声探头的位置，建立原始超声图像平面坐标系，然后将世界坐标系下长方体各个顶点坐标转换到原始超声图像平面坐标系中，坐标转换公式如下 cX=cT11TppX(2) 将公式(2)做变换得 pX= (1Tp)-1 (cT1)-1 (cX) ；(3) 其中PX、cI分别表示原始超声图像平面坐标系和世界坐标系中长方体各个顶点的顶点位置^Tp表示从原始超声图像平面坐标系到线性滑轨坐标系的转换表达式^1\表示从线性滑轨坐标系到世界坐标系的转换表达式，其中坐标转换矩阵表达式如下
7.根据权利要求6所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，设线性滑轨坐标系与原始超声图像平面坐标系之间在三个坐标轴X、Y、Z上的旋转角度为a、P、Y，且均为0，使用坐标转换公式将原始超声图像平面坐标系下长方体各个顶点坐标转换到线性滑轨坐标系中，原始超声图像与线性滑轨之间的坐标转换关系式为 cX' =1V pX ；(9) 其中Y表示线性滑轨坐标系下长方体各顶点的坐标，pX表示原始超声图像平面坐标系中长方体各个顶点的顶点位置Jt/表示从原始超声图像平面坐标系到线性滑轨坐标系的转换表达式，其具体表达式为
8.根据权利要求7所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据公式(11)中各个顶点在线性滑轨坐标系中的坐标得出长方体的相邻两条边的边长为
9.根据权利要求1所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用线性扫描方式扫描已知长方体，并对采集得到的原始超声图像序列进行三维重建，测量重建长方体中四个顶点Α’、B’、D’、Ε’坐标，并使用余弦定理计算顶点Α’处每两条边的夹角ZB’A’D’、ΖΒ’Α’Ε’和ZD’A’E’。
10.根据权利要求8所述的基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将步骤(3)中测量得到的长方体形变量，即相邻边之间夹角ZB’A’D’、ZB’A’E’和ZD’A’E’代入到步骤(2)中推导出的长方体形变量与线性滑轨和超声探头之间旋转角度的数学关系式(14)中，得到如下表达式
全文摘要
本发明公开了一种基于线性扫描的医学超声三维成像的位置标定方法。使用已知尺寸的长方体作为扫描对象，在假定原始超声图像平面与线性滑轨之间不存在角度变换关系的情况下对二维图像进行三维重建，则可计算出原始超声图像平面与线性滑轨之间实际存在的角度与重建长方体形变量之间的数学关系；实际标定过程中，以线性扫描方式扫描长方体，对超声图像序列进行三维重建，将重建长方体的形变量代入数学关系式计算出原始超声图像平面(即超声探头的位置)与线性滑轨之间的旋转角度，即为线性扫描方式下探头位置标定结果。本发明简单易懂、可操作性强，试验简单、标定方便准确，可用于基于自由臂线性扫描或者机械驱动线性扫描方式的三维超声成像系统。
文档编号A61B8/00GK103006263SQ20121055571
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者黄庆华, 胡伟 申请人:华南理工大学