一种基于分块RHT的穿刺增强方法及装置与流程

本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种基于分块RHT的穿刺增强方法及装置。

背景技术：

穿刺技术广泛地应用于超声临床领域，供医师进行神经阻滞和穿刺活检操作。在穿刺过程中，穿刺针通常需要以一定的倾斜角度对病灶进行穿刺，这是由于在常规B模式扫查中，声束垂直发射，声波发射到穿刺针上会发生镜面反射，导致探头接收到的携带穿刺针信息的超声回波信号过于微弱，这会对医生的穿刺操作造成很大的影响。

从超声图像处理角度进行穿刺针的识别与增强，主要是通过改变超声波发射方式进行改进，在声波发射中通过控制发射延时，使超声波束以一定角度进行偏转，使超声波束垂直或近似垂直于穿刺针针体，使声波的镜面反射影响降到最低。这样可以使偏转图像中穿刺针回波信号强度得到一定的保证。此方法不需特殊穿刺针的使用，仅仅需要使用软件算法增强穿刺针的显示效果。显著降低了穿刺成本。

此类方法的关键步骤是进行穿刺针插入方向的识别，由于穿刺针一般是刚性直针，在进行穿刺操作时一般不会发生明显变形，可以简化为图像处理中的直线检测过程，传统上是通过Hough变换来进行操作的。这种方法可以确定穿刺针所在直线，获得较准确的穿刺角度。但此方法的主要问题在于1、计算量过大；2、占用内存大。两者导致运算时间偏大。这与穿刺过程中的实时性要求相违背。降低了穿刺增强技术在临床应用中的价值。

如公开号为CN104161546A的专利公开了一种基于可定位穿刺针的超声探头标定系统及方法，该标定方法包括：S1.标定模型设计和制作；S2.超声图像中标定模型特征点提取；S3.根据超声图像上提取的标定特征点求解标定变换矩阵。本发明可以解决当前超声引导介入治疗以及自由式三维超声成像系统中可跟踪定位超声探头的标定问题，以获得更精确的标定精度和更方便的标定操作，精确标定的超声可有效的提供三维超声重建图像的质量、并提高手术的安全性和成功率。虽然其可提供超声重建图像的质量，但是其采用Hough变换来检测超声图像中的穿刺针直线特征，依然存在计算量过大和占用内存大，进而导致运算时间偏高的问题。

为了克服上述缺陷，研究者提出了多种Hough变换的改进算法，降低运算复杂度。如Xu等提出了随机霍夫变换(RHT)。此方法是将空间中的任意N个点映射到Hough参数空间上，构成多对一的映射，然后计算满足选择点的直线参数。此方法避免了Hough变换需要准备参数空间的内存占用与计算中需要逐点与参数空间比对的巨大运算量，具有一定的优越性。然而RHT在进行直线识别时容易受到噪声点的干扰，无目标的随机采样会引入大量的无效采样与无用累积，导致直线检测随机性很大，检测到虚假直线。

另一种Hough变换的改进算法是进行分块Hough变换操作，首先对原图像做分块处理，得到较小的子图像。在每一块子图上进行Hough变换操作，然后结合每一幅图像中获得的直线参数进行综合投票，将投票最高的直线参数作为直线检测结果。这种方法可以明显减小计算量，但仍有相当的优化空间。因此，本发明将提出一种基于分块RHT的穿刺增强方法及装置，使分块Hough变换与RHT进行综合，进一步减小计算量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于分块RHT的穿刺增强方法及装置，目的是在不限制穿刺针穿刺角度以及增加操作复杂度的情况下，快速精准地调整超声探头的发射偏转角度，来获取穿刺针的最佳显示效果。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于分块RHT的穿刺增强方法，包括步骤：

S1.以B模式扫查被检测部位，生成初始超声图像；

S2.获得初始化穿刺图像序列，对所述初始化穿刺图像序列进行预处理；

S3.对预处理后的初始化穿刺图像进行分块RHT，获得初始穿刺角度A；

S4.通过波束延时，使波束在偏转角度B进行偏转，且在B±δ的角度范围进行扫查，获得回波信号，生成穿刺针目标图像，其中B＝90°-A；

S5.将初始超声图像与穿刺针目标图像合成穿刺增强图像。

进一步的，步骤S1中所述B模式扫查为垂直扫查。

进一步的，步骤S2具体包括：

穿刺以任意角度对被检测部位进行穿刺，获得初始化穿刺图像序列，对所述初始化穿刺图像序列进行预处理；

S21.将所述获得的初始化穿刺图像序列进行直方图均衡化处理；

S22.将所述处理后的初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算，得到图像差的绝对值；

S23.将所述初始化穿刺图像序列进行加权处理，获得初始化穿刺图像，对获得的图像进行二值化处理且进行图像边缘提取。

进一步的，步骤S3具体包括：

S31.对预处理后的初始化穿刺图像进行分块，获得数个子图；

S32.分别遍历数个子图，对所述子图进行两点表决变换，生成子图结果；

S33.将生成的子图结果进行统计，将统计结果中最大的值作为整体穿刺图像的值，获得初始穿刺角度A。

进一步的，所述步骤S32中对所述子图进行两点表决变换具体包括：

在子图中任选两个非零特征点a1(x1，y1)、a2(x2，y2)，通过两点构成直线，获得坐标参数空间中对应点(ρ，θ)，

生成子图的结果(ρ，θ)。

相应的，还提供一种基于分块RHT的穿刺增强装置，包括：

第一采集单元，用于超声探头以B模式扫查被检测部位，生成初始超声图像；

第二采集单元，用于以任意角度对被检测部位进行穿刺，获得初始化穿刺图像序列；

预处理单元，用于对所述初始化穿刺图像序列进行预处理；

分块单元，用于对预处理后的初始化穿刺图像进行分块RHT，获得初始穿刺角度A；

获取单元，用于控制超声探头的波束延时，使超声探头的波束在偏转角度B进行偏转，且在B±δ的角度范围进行扫查，获得回波信号，生成穿刺针目标图像，其中B＝90°-A；

合成单元，用于将初始超声图像与穿刺针目标图像合成穿刺增强图像。

进一步的，所述常规B模式扫查为垂直扫查。

进一步的，所述预处理单元具体包括：

第一处理单元，用于将所述获得的初始化穿刺图像序列进行直方图均衡化处理；

计算单元，用于将所述处理后的初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算，得到图像差的绝对值；

第二处理单元，用于将所述初始化穿刺图像序列进行加权处理，获得初始化穿刺图像，对获得的图像进行二值化处理且进行图像边缘提取。

进一步的，所述分块单元具体包括：

第三采集单元，用于对预处理后的初始化穿刺图像进行分块，获得数个子图；

生成单元，用于分别遍历数个子图，对所述子图进行两点表决变换，生成子图结果；

统计单元，用于将生成的子图结果进行统计，将统计结果中最大的值作为整体穿刺图像的值，获得初始穿刺角度A。

进一步的，所述生成单元具体包括：

在子图中任选两个非零特征点a1(x1，y1)、a2(x2，y2)，通过两点构成直线，获得坐标参数空间中对应点(ρ，θ)，

生成子图的结果(ρ，θ)。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明提供的基于分块RHT的穿刺增强方法及装置，以常规扫查方式获得初始超声图像；基于穿刺操作过程中初始图像序列进行处理，获得一幅穿刺针初步增强的图像；然后对图像进行分块RHT操作获得穿刺针初始穿刺角度；在初始穿刺角度附近一个范围进行扫查获得穿刺针目标图像；将初始超声图像与穿刺针目标图像进行融合，实现在加快运算速度情况下的穿刺增强功能；且本发明克服了在进行识别时容易受到噪声点的干扰，无目标的随机采样引入的大量无效采样与无用累积，导致直线检测随机性很大，检测到虚假直线的问题。

附图说明

图1是实施例一提供的一种基于分块RHT的穿刺增强方法流程图；

图2是实施例二提供的一种基于分块RHT的穿刺增强装置结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于分块RHT的穿刺增强方法及装置，目的是在不限制穿刺针穿刺角度以及增加操作复杂度的情况下，快速精准地调整超声探头的发射偏转角度，来获取穿刺针的最佳显示效果。

实施例一

需要说明的是，本实施例的一种基于分块RHT的穿刺增强方法的执行主体为超声成像系统。

本实施例提供的一种基于分块RHT的穿刺增强方法，如图1所示，包括步骤：

S11.以B模式扫查被检测部位，生成初始超声图像；

S12.获得初始化穿刺图像序列，对所述初始化穿刺图像序列进行预处理；

S13.对预处理后的初始化穿刺图像进行分块RHT，获得初始穿刺角度A；

S14.通过波束延时，使波束在偏转角度B进行偏转，且在B±δ的角度范围进行扫查，获得回波信号，生成穿刺针目标图像，其中B＝90°-A；

S15.将初始超声图像与穿刺针目标图像合成穿刺增强图像。

在步骤S11中，超声探头以常规B模式扫查被检测部位，生成初始超声图像。

其中，B模式扫查为垂直扫查。

具体为，超声成像包括发射单元、探头、接收单元、信号处理单元等，其中，发射单元通过发射探头以垂直扫查方式扫查被检测部位，经过反射后被接收单元接收，接收到的回波信号进过信号处理单元进行处理生成初始超声图像。

本实施例以垂直方向为参照，计算出穿刺针的穿刺角度，可有效减轻主机负担，提高成像速度。

在步骤S12中，获得初始化穿刺图像序列，对所述初始化穿刺图像序列进行预处理。

穿刺以任意角度对被检测部位进行穿刺，获得初始化穿刺图像序列，对所述初始化穿刺图像序列进行预处理。

在本实施例中，还包括一缓存区域，当在穿刺操作中穿刺针以任意角度进行缓慢穿刺一段时间后，将获取的穿刺图像序列置于缓存区进行缓存。

一般来说，组织背景中的直线状结构，例如肌肉纤维等，会对穿刺针识别造成干扰，在不做预处理的情况下，直接进行直线检测会导致穿刺针的误识别。

在本实施例中，为了降低误识别率，对初始化穿刺图像序列进行预处理，具体为：

S121.将所述获得的初始化穿刺图像序列进行直方图均衡化处理；

其中，直方图均衡化处理是把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布。直方图均衡化就是对图像进行非线性拉伸，重新分配图像像素值，使一定灰度范围内的像素数量大致相同。直方图均衡化就是把给定图像的直方图分布改变成“均匀”分布直方图分布。

S122.将所述处理后的初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算，得到图像差的绝对值；

其中，逐帧差分法是一种通过对视频图像序列中相邻两帧作差分运算来获得运动目标轮廓的方法，当监控场景中出现异常物体运动时，帧与帧之间会出现较为明显的差别，两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，判断它是否大于阈值来分析视频或图像序列的运动特性，确定图像序列中有无物体运动。图像序列逐帧的差分，相当于对图像序列进行了时域下的高通滤波。

本实施例对初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算，目的是可以抑制图像中相对稳定的组织信息，初步提取图像中的高频运动成分，例如处于运动状态的穿刺针。

S123.将所述初始化穿刺图像序列进行加权处理，获得初始化穿刺图像，对获得的图像进行二值化处理且进行图像边缘提取。

在本实施例中，加权处理包括求取平均值与自适应加权操作，目的是消除图像中的随机噪声干扰；图像二值化包括OSTU算法；图像边缘提取算法包括：Canny、Sobel、Kirsch、Laplace、Reborts、Log，以上均为成熟技术，此处不进行具体叙述。

在本实施例中，通过多图像的处理，以确定任意发射角度下所对应的图像数据中为穿刺针的像素集合，有利于图像的进一步处理，使图像变得简单，而且数据量减小。

在步骤S13中，对预处理后的初始化穿刺图像进行分块RHT，获得初始穿刺角度A。

具体操作包括：

S131.对预处理后的初始化穿刺图像进行分块，获得数个子图；

在本实施例中，对预处理操作后的图像进行分块，分成若干N×N像素的子图，保留子图在原图像中的坐标位置。

S132.分别遍历数个子图，对所述子图进行两点表决变换，生成子图结果；

在本实施例中，遍历各幅子图，在子图中进行两点表决变换。

具体为，两点表决交换即在子图中任选两个非零特征点a1(x1，y1)、a2(x2，y2)，通过下式获得两点构成的直线在极坐标参数空间中的对应点(ρ，θ)；

在本实施例中，若子图中的非零特征点数目小于2，则跳过当前子图，对下一幅子图进行操作，从而获得每一幅子图求生成的结果(ρ，θ)。

S133.将生成的子图结果进行统计，将统计结果中最大的值作为整体穿刺图像的值，获得初始穿刺角度A

在本实施例中，将获得的每一幅子图的(ρ，θ)进行统计，将统计值最大的(ρ，θ)作为整体图像的直线参数，以获得穿刺针的初始化插入角度A。

在步骤S14中，通过控制超声探头的波束延时，使超声探头的波束在偏转角度B进行偏转，且在B±δ的角度范围进行扫查，获得最强回波信号，生成穿刺针目标图像，其中B＝90°-A。

对于计算出的穿刺针初始化插入角度A，在假设A没有误差的情况下，理论上波束偏转角度为B＝90°-A时，就可以通过回波数据获取穿刺针最佳穿刺图像。但在实际情况中：(1)分块RHT计算精度相比Hough变换相对较低；(2)接收回波在组织中存在散射与折射影响。导致根据理论角度扫查获取的穿刺针目标图像不一定是穿刺针回波最强图像。因此本实施例需要以偏转角度B为中心的某个范围[B-δ，B+δ]来进行扫查，获取最佳的穿刺针目标图像。

本实施例实现了在加快运算速度情况下的穿刺增强功能；波束以偏转角度B为中心的某个范围[B-δ，B+δ]来进行扫查，不存在反射回来的回波信号大幅度偏离了原来的方向的问题，并且以来回扫查的尝试方式使得超声探头所接受到的回波信号更强，形成更加清晰的穿刺针目标图像。

S15.将初始超声图像与穿刺针目标图像合成穿刺增强图像。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明提供的基于分块RHT的穿刺增强方法，以常规扫查方式获得初始超声图像；基于穿刺操作过程中初始图像序列进行处理，获得一幅穿刺针初步增强的图像；然后对图像进行分块RHT操作获得穿刺针初始穿刺角度；在初始穿刺角度附近一个范围进行扫查获得穿刺针目标图像；将初始超声图像与穿刺针目标图像进行融合，实现在加快运算速度情况下的穿刺增强功能；

2、本实施例对初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算并对差分运算结果进行加权处理，减少了计算量且运行速度快；可以消除图像中的随机噪声干扰，减少运算的复杂度，克服噪声对图像处理结果的干扰。

3、操作者的穿刺工作不受任何限制，也无需预设，使得整个穿刺扫查工作更加简单方便。

实施例二

需要说明的是，本实施例的一种基于分块RHT的穿刺增强装置的执行主体为超声成像系统。

本实施例提供的一种基于分块RHT的穿刺增强装置，如图2所示，包括：

第一采集单元11，用于超声探头以B模式扫查被检测部位，生成初始超声图像；

第二采集单元12，用于以任意角度对被检测部位进行穿刺，获得初始化穿刺图像序列；

预处理单元13，用于对所述初始化穿刺图像序列进行预处理；

分块单元14，用于对预处理后的初始化穿刺图像进行分块RHT，获得初始穿刺角度A；

获取单元15，用于控制超声探头的波束延时，使超声探头的波束在偏转角度B进行偏转，且在B±δ的角度范围进行扫查，获得回波信号，生成穿刺针目标图像，其中B＝90°-A；

合成单元16，用于将初始超声图像与穿刺针目标图像合成穿刺增强图像。

在第一采集单元11中，超声探头以常规B模式扫查被检测部位，生成初始超声图像。

其中，B模式扫查为垂直扫查。

具体为，超声成像包括发射单元、探头、接收单元、信号处理单元等，其中，发射单元通过发射探头以垂直扫查方式扫查被检测部位，经过反射后被接收单元接收，接收到的回波信号进过信号处理单元进行处理生成初始超声图像。

本实施例以垂直方向为参照，计算出穿刺针的穿刺角度，可有效减轻主机负担，提高成像速度。

在第二采集单元12中，以任意角度对被检测部位进行穿刺，获得初始化穿刺图像序列。

在本实施例中，还包括一缓存区域，当在穿刺操作中穿刺针以任意角度进行缓慢穿刺一段时间后，将获取的穿刺图像序列置于缓存区进行缓存。

在预处理单元13中，对所述初始化穿刺图像序列进行预处理。

一般来说，组织背景中的直线状结构，例如肌肉纤维等，会对穿刺针识别造成干扰，在不做预处理的情况下，直接进行直线检测会导致穿刺针的误识别。

在本实施例中，为了降低误识别率，对初始化穿刺图像序列进行预处理，具体为：

第一处理单元，用于将所述获得的初始化穿刺图像序列进行直方图均衡化处理；

其中，直方图均衡化处理是把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布。直方图均衡化就是对图像进行非线性拉伸，重新分配图像像素值，使一定灰度范围内的像素数量大致相同。直方图均衡化就是把给定图像的直方图分布改变成“均匀”分布直方图分布。

计算单元，用于将所述处理后的初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算，得到图像差的绝对值；

其中，逐帧差分法是一种通过对视频图像序列中相邻两帧作差分运算来获得运动目标轮廓的方法，当监控场景中出现异常物体运动时，帧与帧之间会出现较为明显的差别，两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，判断它是否大于阈值来分析视频或图像序列的运动特性，确定图像序列中有无物体运动。图像序列逐帧的差分，相当于对图像序列进行了时域下的高通滤波。

本实施例对初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算，目的是可以抑制图像中相对稳定的组织信息，初步提取图像中的高频运动成分，例如处于运动状态的穿刺针。

第二处理单元，用于将所述初始化穿刺图像序列进行加权处理，获得初始化穿刺图像，对获得的图像进行二值化处理且进行图像边缘提取。

在本实施例中，加权处理包括求取平均值与自适应加权操作，目的是消除图像中的随机噪声干扰；图像二值化包括OSTU算法；图像边缘提取算法包括：Canny、Sobel、Kirsch、Laplace、Reborts、Log，以上均为成熟技术，此处不进行具体叙述。

在本实施例中，通过多图像的处理，以确定任意发射角度下所对应的图像数据中为穿刺针的像素集合，有利于图像的进一步处理，使图像变得简单，而且数据量减小。

在分块单元14中，对预处理后的初始化穿刺图像进行分块RHT，获得初始穿刺角度A。

具体操作包括：

第三采集单元，用于对预处理后的初始化穿刺图像进行分块，获得数个子图；

在本实施例中，对预处理操作后的图像进行分块，分成若干N×N像素的子图，保留子图在原图像中的坐标位置。

生成单元，用于分别遍历数个子图，对所述子图进行两点表决变换，生成子图结果；

在本实施例中，遍历各幅子图，在子图中进行两点表决变换。

具体为，两点表决交换即在子图中任选两个非零特征点a1(x1，y1)、a2(x2，y2)，通过下式获得两点构成的直线在极坐标参数空间中的对应点(ρ，θ)；

在本实施例中，若子图中的非零特征点数目小于2，则跳过当前子图，对下一幅子图进行操作，从而获得每一幅子图求生成的结果(ρ，θ)。

统计单元，用于将生成的子图结果进行统计，将统计结果中最大的值作为整体穿刺图像的值，获得初始穿刺角度A。

在本实施例中，将获得的每一幅子图的(ρ，θ)进行统计，将统计值最大的(ρ，θ)作为整体图像的直线参数，以获得穿刺针的初始化插入角度A。

在获取单元15中，通过控制超声探头的波束延时，使超声探头的波束在偏转角度B进行偏转，且在B±δ的角度范围进行扫查，获得最强回波信号，生成穿刺针目标图像，其中B＝90°-A。

对于计算出的穿刺针初始化插入角度A，在假设A没有误差的情况下，理论上波束偏转角度为B＝90°-A时，就可以通过回波数据获取穿刺针最佳穿刺图像。但在实际情况中：(1)分块RHT计算精度相比Hough变换相对较低；(2)接收回波在组织中存在散射与折射影响。导致根据理论角度扫查获取的穿刺针目标图像不一定是穿刺针回波最强图像。因此本实施例需要以偏转角度B为中心的某个范围[B-δ，B+δ]来进行扫查，获取最佳的穿刺针目标图像。

在合成单元16中，将初始超声图像与穿刺针目标图像合成穿刺增强图像。

本实施例实现了在加快运算速度情况下的穿刺增强功能；波束以偏转角度B为中心的某个范围[B-δ，B+δ]来进行扫查，不存在反射回来的回波信号大幅度偏离了原来的方向的问题，并且以来回扫查的尝试方式使得超声探头所接受到的回波信号更强，形成更加清晰的穿刺针目标图像。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明提供的基于分块RHT的穿刺增强装置，以常规扫查方式获得初始超声图像；基于穿刺操作过程中初始图像序列进行处理，获得一幅穿刺针初步增强的图像；然后对图像进行分块RHT操作获得穿刺针初始穿刺角度；在初始穿刺角度附近一个范围进行扫查获得穿刺针目标图像；将初始超声图像与穿刺针目标图像进行融合，实现在加快运算速度情况下的穿刺增强功能；

2、本实施例对初始化穿刺图像序列进行逐帧差分运算并对差分运算结果进行加权处理，减少了计算量且运行速度快；可以消除图像中的随机噪声干扰，减少运算的复杂度，克服噪声对图像处理结果的干扰。

3、操作者的穿刺工作不受任何限制，也无需预设，使得整个穿刺扫查工作更加简单方便。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。