超声立体环扫成像装置及成像方法

1.本发明涉及超声成像领域，特别涉及一种超声立体环扫成像装置及成像方法。


背景技术：

2.超声成像技术是一种广泛应用于临床检查、无损检测探伤领域的技术，其优势在于即时成像、无损伤无辐射、成本低廉、无需磁场和放射源等复杂的成像条件等。超声波产生是由超声换能器内的压电效应激发而成的，换能器通过将电能转换为机械能，致使声波以较高的频率发射，并捕捉待测物的反射声波重新转化为电能的过程。根据超声波产生的原理可知，超声波声束的收发与传播需维持在超声换能器的工作平面内，这也导致了超声成像大部分情况下均为二维成像。要实现超声三维成像来获得更直观的三维空间信息，一种方法是设计结构更复杂的超声换能器及配套算法来扩大视场，另一种方法是通过改进机械结构来使超声换能器完成多断层扫描，并开发相应的算法实现断层图像的配准融合。但现在缺少可靠的方案。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种超声立体环扫成像装置及成像方法。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超声立体环扫成像装置，包括：
5.囊体，其包括圆柱状的外表面以及用于包裹待检测物的柔性内表面，所述囊体内填充具有声阻抗特性的液体；
6.环形轨道，其环绕所述囊体设置；
7.超声换能器，其设置在所述环形轨道上，藉由所述环形轨道的引导，所述超声换能器可绕所述囊体进行圆周环扫运动；
8.驱动机构，其提供使所述超声换能器在所述环形轨道上进行圆周环扫运动的驱动功能，以及使所述超声换能器沿所述环形轨道的径向运动的驱动功能，以使所述超声换能器在绕所述囊体进行圆周环扫运动的同时，所述超声换能器的内侧始终与所述囊体的外表面保持接触；
9.以及外壳，其设置在最外层。
10.优选的是，所述驱动机构包括设置在所述环形轨道上的用于提供圆周运动驱动功能的圆周子驱动机构以及设置在所述圆周子驱动机构上的用于提供沿环形轨道的径向进行直线运动功能的径向子驱动机构，所述超声换能器设置在所述径向子驱动机构上。
11.优选的是，所述具有声阻抗特性的液体为水或超声耦合液。
12.优选的是，所述囊体的材质为橡胶或树脂。
13.优选的是，所述超声换能器为线阵探头、凸阵探头、相控阵探头中的一种或多种。
14.本发明还提供一种超声立体环扫成像方法，其采用如上所述的装置进行超声立体
环扫成像，该方法包括以下步骤：
15.s1、打开外壳，将待检测物放入所述囊体内，所述超声换能器工作，所述驱动机构驱动所述超声换能器在环形轨道上进行圆周环扫运动，实现超声探测，得到二维超声图像；
16.s2、根据所述二维超声图像进行三维重建，得到三维超声图像。
17.所述步骤s2具体包括：
18.s2-1、在每帧二维超声图像中，选取目标组织的特征点集wi＝{s1,s2,s3……
sn}，其中，sn表示第n个特征，n为特征分类数，i表示第i帧图像；在每帧图像中依次执行上述操作，提取出每帧图像的特征点集wn；
19.s2-2、将所有帧图像的特征点集进行比对，当两个特征点集间的hausdorff距离h≤εj时，判断这两个特征点集为相邻帧图像的特征点集，其中，εj为预设的距离阈值；将这两个特征点集记为wn与w
n+1
，这两个特征点集间的hausdorff距离记为h(wn,w
n+1
)，则：
20.h(wn,w
n+1
)＝max(h(wn,w
n+1
),h(w
n+1
,wn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0021][0022][0023]
其中，‖β-α‖为点集wn和w
n+1
间的距离范式，‖α-β‖为点集w
n+1
和wn间的距离范式，h(wn,w
n+1
)和h(w
n+1
,wn)分别为点集wn到w
n+1
和点集w
n+1
到wn的单向hausdorff距离；
[0024]
s2-3、根据步骤s2-2确定所有相邻帧图像的特征点集后，按分类索引进行统计，将同分类特征点归为一类：对于第i帧图像中的特征点集wi＝{s
i,1
,s
i,2
,s
i,3
……si,k
}，包含k个特征分类将其中的第一个特征分类所有特征点s
i,1
进行提取，同样地从第i+1帧图像的特征点集提取第一特征分类的所有特征点s
i+1,1
，以此类推，得到第一特征分类点总集{s
1,1
，s
2,1
，
……
，s
k,1
}；按照该方法得到所有特征分类点总集；
[0025]
s2-4、将所有特征分类点总集的二维坐标转换到三维坐标系中，在三维空间中将各个特征分类点总集中的特征点集进行相近连接，即将空间内欧几里得距离较短的两两特征点依次连接，使得各分类特征点集转化为稠密三维特征向量的点云数据集；
[0026]
然后去除点云数据集中的噪点，并描述关键点；
[0027]
再对点云数据集进行格栅化，并添加纹理信息绘制等值面，重建出目标组织的立体表面，得到三维超声图像。
[0028]
优选的是，所述步骤s2-4中，将二维坐标转换到三维坐标系中的方法为：
[0029]
通过所述超声立体环扫成像装置获取第i帧图像与起始零点位置的相对角度θi；
[0030]
将二维图像的声波反射方向设为x轴，将成像宽度方向定义为y轴，得到每个特征点对应的二维坐标；
[0031]
将二维图像的声波反射方向设为x轴，将成像宽度方向定义为y轴，将囊体的中心轴线方向定义为z轴，建立三维坐标系；
[0032]
将二维图像中第i帧图像中一点a(a,b)转换到三维坐标系中，则该点a映射到三维坐标系中的坐标为a
′
(acosθi,b,asinθi)。
[0033]
优选的是，所述步骤s2-4中，采用体素滤波、高斯滤波去除点云数据集中的噪点，并采用shot方法描述关键点。
[0034]
优选的是，该方法还包括以下步骤：s2-5、在得到的三维超声图像上附加生理参数
及功能学信息。
[0035]
优选的是，其中，附加的生理参数及功能学信息至少包括弹性模量、血流速度、像素值、热力分布信息中的一种或多种。
[0036]
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被执行时用于实现如上所述的方法。
[0037]
本发明的有益效果是：
[0038]
本发明提供的超声立体环扫成像装置能适配主流超声探头配合三维重建方法实现三维超声成像，本发明能突破三维超声探头成本高的限制，实现常规手法难以完成的圆周三维扫查重建工作；
[0039]
本发明采用囊体结构作为待测物与超声换能器间的媒介体，藉由囊体结构的形变特性，能够实现超声探头与不同待测物(如人体颈部、四肢等)的贴合，解决了传统方案中超声探头难以与不规则形状待测物贴合的问题，可有效提升超声回波信号质量；
[0040]
本发明提供的三维重建方法，能从多断层二维超声图像提取出特征点集，并进行三维映射格栅化等操作，生成直观的待测组织三维结构；还能将功能学病理生理信息附加在三维图形上，便于实现多模态超声可视化诊断，能够应用于人体四肢超声环扫检查血流及骨骼、人体颈部环扫检查血流及进行甲状腺成像、超声环扫探伤等场景。
附图说明
[0041]
图1为本发明的实施例1中的超声立体环扫成像装置的结构示意图；
[0042]
图2为发明的实施例2中多帧扫查图像空间分布示意图；
[0043]
图3为发明的实施例2中建立的三维坐标系的示意图。
[0044]
附图标记说明：
[0045]
1—囊体；2—环形轨道；3—超声换能器；4—驱动机构；5—外壳；10—外表面；11—柔性内表面；40—圆周子驱动机构；41—径向子驱动机构。
具体实施方式
[0046]
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0047]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本实施例的一种超声立体环扫成像装置，包括：
[0050]
囊体1，其包括圆柱状的外表面10以及用于包裹待检测物的柔性内表面11，囊体1内填充具有声阻抗特性的液体；
[0051]
环形轨道2，其环绕囊体1设置；
[0052]
超声换能器3，其设置在环形轨道2上，藉由环形轨道2的引导，超声换能器3可绕囊体1进行圆周环扫运动；
[0053]
驱动机构4，其提供使超声换能器3在环形轨道2上进行圆周环扫运动的驱动功能，以及使超声换能器3沿环形轨道2的径向运动的驱动功能，以使超声换能器3在绕囊体1进行
圆周环扫运动的同时，超声换能器3的内侧始终与囊体1的外表面10保持接触；
[0054]
以及外壳5，其设置在最外层。
[0055]
在优选的实施例中，超声立体环扫成像装置整体呈圆筒状结构。
[0056]
其中，囊体1整体呈环形状，中间形成空腔且具有柔性内表面11，而外表面10稳定的呈圆柱状；目的在于：人体四肢、颈部等待检测部件放置到囊体1的中间的空腔中时，囊体1内部液体的压力作用使柔性内表面11能很好的包裹主待检测部件并与待检测部件贴合，从而不会过多衰减声信号；而稳定的圆柱状外表面10则能够匹配超声换能器3的圆周环扫运动，并与超声换能器3的内侧始终保持接触。
[0057]
在优选的实施例中，具有声阻抗特性的液体为水或超声耦合液或其他符合超声波传播声阻抗匹配的液体。水囊的材质可选择橡胶、树脂等以及其他具有适度弹性、延展性、良好声学阻抗以及较好的生物相容性的材料；水囊壁的厚度需适中，既保持水囊结构的稳定性，又不能过多衰减声信号，影响与待测组织的贴合。水囊大小可调，充盈程度可调，且水囊可替换。
[0058]
在优选的实施例中，为使水囊保持稳定的圆柱状外表面10，可通过选择能够形成稳定结构的外表面10壁材料和厚度实现，也可通过在水囊中设置圆环状的支撑结构使外表面10呈现圆柱状。
[0059]
环形轨道2为超声换能器3的运动提供导向功能，运动时，超声换能器3的发射方向始终指向圆心或与半径成某一夹角，以实现多普勒扫查等要求。
[0060]
在一种优选的实施例中，驱动机构4包括设置在环形轨道2上的用于提供圆周运动驱动功能的圆周子驱动机构4004以及设置在圆周子驱动机构4004上的用于提供沿环形轨道2的径向进行直线运动功能的径向子驱动机构41，超声换能器3通过夹持机构设置在径向子驱动机构41上。通过对驱动机构4的控制，使得超声换能器3的运动速度可调节，并且其运动扫查的角度也可设定，比如要实现从起始位置开始120度范围的扫查。驱动机构4可采用外接电源或可充电电池等实现驱动。
[0061]
在优选的实施例中，超声换能器3为线阵探头、凸阵探头、相控阵探头中的一种或多种，也了为其他任意形式的探头。采用的扫查成像模式也包括但不限于b模式扫查、彩色多普勒扫查、频谱多普勒扫查、超声探伤等。超声换能器3的尺寸与整体结构相匹配即可，超声换能器3可采用有线连接及无线连接等多种方式与超声主机连接。
[0062]
外壳5用于对内部的囊体1、环形轨道2、超声换能器3、驱动机构4等部件形成保护，外壳5具有可调节性，其尺寸与整体结构匹配即可，外壳5可打开，以便于将待测部件放入囊体1内，以及实现内部器件的维护与检修。
[0063]
在优选的实施例中，该超声立体环扫成像装置还包括上位机，其用于对超声换能器3和驱动机构4进行控制，以及实现超声成像。
[0064]
实施例2
[0065]
本实施例提供一种超声立体环扫成像方法，其采用实施例1的装置进行超声立体环扫成像，该方法包括以下步骤：
[0066]
s1、打开外壳5，将待检测物放入囊体1内，超声换能器3工作，驱动机构4驱动超声换能器3在环形轨道2上进行圆周环扫运动，实现超声探测，得到二维超声图像；
[0067]
s2、根据二维超声图像进行三维重建，得到三维超声图像。
[0068]
根据声波传导的物理特性以及常规线阵超声波探头的构造，超声波经换能器发射后沿一平面进行传播，途径待测物体后进行反射并沿原路径返回被换能器接收。这导致常规超声换能器3成像为二维图像，视场有限仅展示一个切面上的深度信息。另一方面，面阵超声换能器3可实现实时三维成像，但价格高昂，成像方法复杂，可支持的主流超声设备较少。考虑到超声波的传播需要介质，需保证超声换能器3与待测组织的贴合以达到预计的成像效果。当面对人体四肢、颈部等典型结构时，面阵探头具有一定局限性。本发明中采用水囊作为待测物与超声换能器3间的媒介体能够克服面阵探头的上述缺陷，能更好地降低超声波在发收过程中的衰减，呈现更高的成像质量。
[0069]
采用线阵超声探头时，实施例1的装置直接获得的图像为二维图像，需要在其基础通过对二维图像进行后处理，结合空间位置等信息完成映射及三维重建工作，即可得到三维超声图像。
[0070]
具体的，步骤s2中采用的三维重建方法包括：
[0071]
s2-1、先提取多断层二维超声图像中的特征信息，可采用深度学习网络及基于影像学的特征提取方法，将超声影像中的血管、骨骼(目标组织)等信息进行提取，尤其是血管内中外膜、骨骼轮廓、神经束、甲状腺等在超声图像下具有显著辨识度的组织。
[0072]
具体的，本实施例中，先在每帧二维超声图像中，选取目标组织的特征点集wi＝{s1,s2,s3……
sn}，其中，sn表示第n个特征，n为特征分类数，i表示第i帧图像；在每帧图像中依次执行上述操作，提取出每帧图像的特征点集wn；当单帧图像中特征点数目较大时，可利用稀疏采样矩阵ms对特征点集进行稀疏采样，然后进行后续处理，在最大程度地保留原图像特征信息的前提下缩减数据量，提高运算速度。
[0073]
s2-2、将所有帧图像的特征点集进行比对，当两个特征点集间的hausdorff距离h≤εj时，判断这两个特征点集为相邻帧图像的特征点集，其中，εj为预设的距离阈值；将这两个特征点集记为wn与w
n+1
，这两个特征点集间的hausdorff距离记为h(wn,w
n+1
)，则：
[0074]
h(wn,w
n+1
)＝max(h(wn,w
n+1
),h(w
n+1
,wn)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0075][0076][0077]
其中，‖β-α‖为点集wn和w
n+1
间的距离范式，‖α-β‖为点集w
n+1
和wn间的距离范式，h(wn,w
n+1
)和h(w
n+1
,wn)分别为点集wn到w
n+1
和点集w
n+1
到wn的单向hausdorff距离；式(1)中表示的双向hausdorff距离h(wn,w
n+1
)度量了两个点集间的最大不匹配程度，当满足h(wn,w
n+1
)≤εj时则可判断相邻帧间的特征点满足匹配要求。
[0078]
s2-3、根据步骤s2-2确定所有相邻帧图像的特征点集后，按分类索引进行统计，将同分类特征点归为一类：对于第i帧图像中的特征点集wi＝{s
i,1
,s
i,2
,s
i,3
……si,k
}，包含k个特征分类将其中的第一个特征分类所有特征点s
i,1
进行提取，同样地从第i+1帧图像的特征点集提取第一特征分类的所有特征点s
i+1,1
，以此类推，得到第一特征分类点总集{s
1,1
，s
2,1
，
……
，s
k,1
}；按照该方法得到所有特征分类点总集；
[0079]
s2-4、将所有特征分类点总集的二维坐标转换到三维坐标系中，在三维空间中将各个特征分类点总集中的特征点集进行相近连接，即将空间内欧几里得距离较短的两两特征点依次连接，使得各分类特征点集转化为稠密三维特征向量的点云数据集；
[0080]
然后采用体素滤波、高斯滤波去除点云数据集中的噪点，并采用shot方法描述关键点；
[0081]
再对点云数据集进行格栅化，并添加纹理信息绘制等值面，重建出目标组织的立体表面，得到三维超声图像。其中，点云数据的密集程度与特征点采样方法及特征点集连接的复杂度有关，点云数据越密集，重建出的面越趋于平滑；立体纹理渲染的方法包括但不限于面绘制法、光线投射法等。
[0082]
s2-5、在得到的三维超声图像上附加生理参数及功能学信息。
[0083]
其中，附加的生理参数及功能学信息至少包括弹性模量、血流速度、像素值、热力分布信息中的一种或多种。本实施例中采用的超声换能器35.支持多普勒血流成像、超声弹性成像等，从而能够实现将弹性模量、血流速度等信息以像素值及热力分布等形式表征于三维模型上，提供多模态病理生理信息，更为直观具象。
[0084]
步骤s2-4中，将二维坐标转换到三维坐标系中的方法为：
[0085]
通过超声立体环扫成像装置获取第i帧图像与起始零点位置的相对角度θi；参照图2；
[0086]
将二维图像的声波反射方向设为x轴，将成像宽度方向定义为y轴，得到每个特征点对应的二维坐标；
[0087]
将二维图像的声波反射方向设为x轴，将成像宽度方向定义为y轴，将囊体1的中心轴线方向定义为z轴，建立三维坐标系；参照图3；
[0088]
将二维图像中第i帧图像中一点a(a,b)转换到三维坐标系中，则该点a映射到三维坐标系中的坐标为a
′
(acosθi,b,asinθi)。
[0089]
实施例3
[0090]
一种存储介质，其上存储有计算机程序，该存储介质存储于上位机中，该程序被执行时用于实现实施例2的方法。
[0091]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。