一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，（1）对二维图像进行稀疏性评价，将不满足稀疏性评价的进行降采样；（2）设置Bezier插值控制窗口，将控制窗口初始化到第一至第四帧二维图像中；（3）获取当前控制窗口中Bezier插值的插值控制点；（4）将各组插值控制点的坐标转换到世界坐标系中；（5）将各组插值控制点的体素值代入到Bezier插值公式，得出每组插值控制点中各插值控制点之间的待插值点体素值；（6）判断当前控制窗口是否包括最后一帧的二维图像；若否，将控制窗口往后移动两帧，执行（3）；若是，则停止移动，进入（7）；（7）获取所有待插值点的体素值。本发明方法提高三维图像重建的速度。
【专利说明】一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维超声图像的重建方法，特别涉及一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法。
【背景技术】
[0002]三维超声成像技术为医生提供了更具有真实感的人体内部空间三维器官和组织的图像，既可以实现虚拟内窥，还能够实现准确的空间定位等其他二维超声成像所不能提供的独特功能，与二维超声相比，三维超声具有图像显示直观、诊断参数准确、便于测量等优点，因此，对三维超声图像数据重建的研究具有很大的现实意义。目前，三维超声图像重建是通过把视线得到的二维图像序列按照它们正确的位置和方向放到三维体中，这个三维体一般是一个笛卡尔直角坐标系下规则网络化的三维空间，然后用二维图像中的像素灰度值去确定每个网格体元的灰度值。
[0003]三维超声成像主要分两步完成:(I)图像采集，通过探头移动扫描得到原始二维超声图像序列以及由位置传感器得到每一帧二维图像的位置和方向信息；(2)三维重建，使用重建算法将二维超声图像序列重建成三维图像。其中三维超声成像图像的采集方式有多种，比如机械式定位扫描系统和Freehand(自由臂)扫描系统。在图像采集之后，需要使用一些重建算法计算三维体数据值，目前存在比较经典的3种重建方法是:体素最近邻域(VNN)插值、像素最近邻域(PNN)插值和距离加权(DW)插值。体素最近邻插值算法是把每一个体素邻域中最近像素点的值赋给当前体素点，此方法能够避免重建体素阵列的空隙问题，但体素阵列的切片中可能会观察到重建伪影。像素最近邻插值算法分为两步，第一步像素点映射，遍历二维图像序列中的每一个像素点，计算像素点在重建体积坐标系中的位置，把像素点值赋给对应体素点；第二步空隙填充，对重建体素阵列中的没有被映射到的空体素点由邻域体素点插值得到。而距离加权插值算法中每一个体素值是邻域体素的距离加权平均值，此方法使用非线性插值方法使得重建耗时较长。在这几种经典插值方法的基础上，有人也提出了一些改进算法，比如平方距`离加权(SDW)插值算法、中值滤波(MF)插值算法等。但这些算法需要对原始二维超声图像中的像素点进行处理，如果原始图像数据量很大，计算耗时会非常大。基于一般意义上的商用医学超声系统中，三维成像难以做到实时，影响了临床诊断效果。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，该方法降低三维重建需要处理的数据量，并采用简单快速的重建算法提高三维超声图像重建的速度。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，包括以下步骤:
[0006](I)首先读取采集到的二维超声图像序列及其位置信息，然后对二维超声图像序列进行稀疏性评价，将不满足稀疏性评价的二维图像序列以采样率S进行降采样处理，得到新的二维图像序列；
[0007](2)设置Bezier插值的控制窗口，将控制窗口初始化到第一帧二维超声图像至第四帧二维超声图像中；
[0008](3)获取当前控制窗口中Bezier插值的插值控制点，从当前控制窗口第一帧二维超声图像的每个像素点沿着扫描方向发射一条射线，射线将穿过当前控制窗口中其他三帧二维超声图像，将每个发射点及每个发射点射线分别穿过其他三帧二维超声图像的交点设置为一组插值控制点；其中将每个发射点定义为第一插值控制点，将发射点射线与当前控制窗口中第二帧、第三帧和第四帧二维超声图像的交点分别定义为第二插值控制点、第三插值控制点和第四插值控制点；遍历当前控制窗口第一帧二维超声图像的所有像素点，得到当前控制窗口中的各组插值控制点；
[0009](4)将当前控制窗口中各组插值控制点的坐标通过坐标转换矩阵转换到世界坐标系中，得到各组插值控制点在世界坐标系下对应的插值控制点及其坐标；
[0010](5)将世界坐标系下的各组插值控制点的体素值代入到下述Bezier插值公式中，遍历当前控制窗口第一帧二维超声图像的所有像素点之后，根据当前控制窗口中每组插值控制点中各插值控制点的体素值，得出每组插值控制点中在插值控制点所在射线上各插值控制点之间的待插值点体素值V(t)；
[0011 ] V (t) =V1 (l_t) 3+3V2t (l_t) 2+3V3t2 (l_t) +V4t3, t G [0, I]；
[0012]其中Vp V2、V3和V4表示每组插值控制点中第一插值控制点、第二插值控制点、第三插值控制点和第四插值控制点在世界坐标系的体素值是当前待插值点与第一个插值控制点的归一化距离；
[0013](6)判断当前控制窗口是否包括最后一帧的二维超声图像；
`当前控制窗口中所有待插值点的体素值后，将控制窗口往后移动两帧二维图像，然后继续执行步骤(3)；
[0015]若是，则停止移动控制窗口，进入步骤(7)；
[0016](7)通过上述步骤获取所有控制窗口中所有待插值点的体素值，即重建出三维空间中位于各控制窗口第一帧图像到第四帧图像之间的体数据值，得到最终三维超声图像。
[0017]优选的，所述当前控制窗口中插值控制点的组数和当前控制窗口中第一帧二维超声图像的像素点个数相同。
[0018]优选的，所述步骤(1)中读取采用自由臂超声探头扫描系统采集到的二维超声图像序列，即二维超声图像序列采用自由臂扫描方式扫描得到；其中超声探头扫描系统探头的定位方式为电磁定位。
[0019]更进一步的，所述步骤(4)中各组插值控制点通过坐标转换矩阵转换到世界坐标系中的转换公式如下:
[0020]cX=cTppX ；
[0021]其中pX表示各组插值控制点在二维超声图像序列平面坐标系下的坐标^Tp为坐标转换矩阵表示各组插值控制点在世界坐标系中的坐标。
[0022]更进一步的，所述转换矩阵cTp为:
[0023]cTp=cTttTeeTp ；[0024]其中kTp表示从二维超声图像序列平面坐标系到位置传感器坐标系的坐标转换矩阵；ττκ表不从位置传感器坐标系到电磁发射坐标系的坐标转换矩阵；GTT表不从电磁发射坐标系到世界坐标系的坐标转换矩阵。
[0025]更进一步的，所述四个坐标转换矩阵％、ETp, tTe和％均具有下述形式:
[0026]
【权利要求】
1.一种基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)首先读取采集到的二维超声图像序列及其位置信息，然后对二维超声图像序列进行稀疏性评价，将不满足稀疏性评价的二维图像序列以采样率S进行降采样处理，得到新的二维图像序列； (2)设置Bezier插值的控制窗口，将控制窗口初始化到第一帧二维超声图像至第四帧二维超声图像中； (3)获取当前控制窗口中Bezier插值的插值控制点，从当前控制窗口第一帧二维超声图像的每个像素点沿着扫描方向发射一条射线，射线将穿过当前控制窗口中其他三帧二维超声图像，将每个发射点及每个发射点射线分别穿过其他三帧二维超声图像的交点设置为一组插值控制点；其中将每个发射点定义为第一插值控制点，将发射点射线与当前控制窗口中第二帧、第三帧和第四帧二维超声图像的交点分别定义为第二插值控制点、第三插值控制点和第四插值控制点；遍历当前控制窗口第一帧二维超声图像的所有像素点，得到当前控制窗口中的各组插值控制点； (4)将当前控制窗口中各组插值控制点的坐标通过坐标转换矩阵转换到世界坐标系中，得到各组插值控制点在世界坐标系下对应的插值控制点及其坐标； (5)将世界坐标系下的各组插值控制点的体素值代入到下述Bezier插值公式中，遍历当前控制窗口第一帧二维超声图像的所有像素点之后，根据当前控制窗口中每组插值控制点中各插值控制点的体素值，得出每组插值控制点中在插值控制点所在射线上各插值控制点之间的待插值点体素值V (t)；
V (t) =V1 (l_t) 3+3V2t (l_t) 2+3V3t2 (l_t) +V4t3, t G [0, I]； 其中Vp V2、V3和V4表示每组插值控制点中第一插值控制点、第二插值控制点、第三插值控制点和第四插值控制点在世界坐标系的体素值；t是当前待插值点与第一个插值控制点的归一化距离； (6)判断当前控制窗口是否包括最后一帧的二维超声图像； 若否，则每次得出当前控制窗口中所有待插值点的体素值后，将控制窗口往后移动两帧二维图像，然后继续执行步骤(3)； 若是，则停止移动控制窗口，进入步骤(7)； (7)通过上述步骤 获取所有控制窗口中所有待插值点的体素值，即重建出三维空间中位于各控制窗口第一帧图像到第四帧图像之间的体数据值，得到最终三维超声图像。
2.根据权利要求1所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述当前控制窗口中插值控制点的组数和当前控制窗口中第一帧二维超声图像的像素点个数相同。
3.根据权利要求1所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述步骤(1)中读取采用自由臂超声探头扫描系统采集到的二维超声图像序列，即二维超声图像序列采用自由臂扫描方式扫描得到；其中超声探头扫描系统探头的定位方式为电磁定位。
4.根据权利要求3所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述步骤(4)中各组插值控制点通过坐标转换矩阵转换到世界坐标系中的转换公式如下:
cX=cTppX ；其中pX表示各组插值控制点在二维超声图像序列平面坐标系下的坐标；ιρ为坐标转换矩阵表示各组插值控制点在世界坐标系中的坐标。
5.根据权利要求4所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述转换矩阵％为:
cTp=cTttTeeTp ； 其中kTp表示从二维超声图像序列平面坐标系到位置传感器坐标系的坐标转换矩阵；tTe表示从位置传感器坐标系到电磁发射坐标系的坐标转换矩阵；εΤτ表示从电磁发射坐标系到世界坐标系的坐标转换矩阵。
6.根据权利要求5所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述四个坐标转换矩阵％、ETP> tTe和％均具有下述形式:
7.根据权利要求1所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述步骤(5)当前待插值点与第一个插值控制点的归一化距离t为:
t= (Z-Z1)/(Z4-Z1)； 其中Z、Zl和TA分别表示当前待插值点、第一插值控制点和第四插值控制点在世界坐标系中与插值控制点所在射线平行的这条坐标轴上的坐标。
8.根据权利要求1所述的基于稀疏数据的三维超声图像快速重建方法，其特征在于，所述步骤(1)中降采样处理的采样率S为9帧，即每10帧二维超声图像中取一帧。
【文档编号】G06T17/00GK103761767SQ201410004900
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】黄庆华 申请人:华南理工大学