基于3D打印的超声波立体模型构建方法及装置与流程

本发明涉及医学超声波技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的超声波立体模型构建方法及装置。

背景技术：

肿瘤是机体在各种致瘤因素作用下，局部组织的细胞在基因水平上失去对其生长的正常调控导致异常增生与分化而形成的新生物。恶性肿瘤的生长会破坏正常的组织和器官，并且其生长速度快，易发生出血、坏死、溃疡等，造成人体消瘦、无力、贫血、食欲不振、发热以及严重的脏器功能受损等，最终造成患者死亡，是目前对人类健康威胁最大的疾病之一。如果能过建立精确的肿瘤模型，将更加高效精确地实现肿瘤的诊断，这对肿瘤的诊断和治疗具有重大意义。

在医学领域中，三维定量测量器官或创伤的长度、角度、面积或体积对于精确地了解解剖结构、研究器官或组织的生理行为以及随后给出准确诊断结论是相当重要的。通常精确的三维测量仅可通过由磁共振成像(MRI)和X射线计算机断层照影(CT)得到的体积图像来实现。

MRI或CT技术进行的三维测量检查诊断费用昂贵、数据处理也非常耗时。此外，在进行X射线CT扫描时，受检者不得不承受有害的辐射。与CT和MRI不同的是，采用超声波成像技术具有价格低廉、非辐射性、非损伤性和易于操作等优点。但是传统的二维B超声波扫描系统，操作者在受检者的皮肤上方移动探头并实时产生探头下方的二维解剖学横截面图像。该方法可以进行快速的组织测量。但是，受二维图像信号的限制，随后的图像分析仅局限于单个二维平面。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于3D打印的超声波立体模型构建方法及装置。

为此目的，本发明提出了一种基于3D打印的超声波立体模型构建方法，包括：

利用超声探头对待测组织表面进行二维扫描，发射超声波至所述待测组织上，并接收反射的超声回波信号；

对所述超声回波信号进行预处理；

根据预处理后的超声回波信号，确定所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数；

根据所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数和对应的扫描位置点，构建所述待测组织的立体模型，并通过3D打印系统打印所述立体模型。

优选的，所述对超声回波信号进行预处理，包括：

对所述超声回波信号进行时间增益补偿放大处理；

将放大处理后的超声回波信号进行预滤波处理；

将经过预滤波的所述超声回波信号转换为数字信号，得到数字回波信号。

优选的，所述对超声回波信号进行预处理，还包括：

对所述数字回波信号进行存储。

优选的，根据预处理后的超声回波信号，确定所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数，具体包括：

根据各个扫描位置点的所述超声波的发射时间、所述超声回波信号的接收时间以及所述超声回波信号的幅值，计算各个扫描位置点的所述待测组织的超声波传播速度，确定各个扫描位置点的待测组织的厚度、密度和声阻抗。

优选的，所述根据所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数和对应的扫描位置点，构建所述待测组织的立体模型，包括

根据所述各个扫描位置点的待测组织的厚度、密度和声阻抗得到连续的二维超声图像；

将所述连续的二维超声图像进行三维重构，形成所述待测组织的立体模型。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于3D打印的超声波立体模型构建装置，该装置包括：

依次连接的超声探头、数据预处理模块、数据处理模块和3D打印系统；

所述超声探头用于对待测组织表面进行二维扫描，发射超声波至所述待测组织上，并接收反射的超声回波信号；

所述数据预处理模块用于对所述超声回波信号进行预处理；

所述数据处理模块用于根据预处理后的超声回波信号，确定所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数；根据所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数和对应的扫描位置点，构建所述待测组织的立体模型；

所述3D打印系统用于打印所述立体模型。

优选的，所述数据预处理模块包括：与所述超声探头连接的主控单元，依次连接的时间增益补偿放大单元、预滤波单元、A/D转换单元；所述主控单元连接所述时间增益补偿放大单元；

所述主控单元用于向所述超声探头发送扫描控制信号，并接收所述超声探头返回的超声回波信号；

所述时间增益补偿放大单元用于对所述超声回波信号进行时间增益补偿放大处理；

所述预滤波单元用于将放大处理后的超声回波信号进行预滤波处理；

所述A/D转换单元用于将经过预滤波的所述超声回波信号转换为数字信号，得到数字回波信号。

优选的，所述数据预处理模块还包括：与所述A/D转换单元连接的数据缓存单元、与所述数据缓存单元连接的接口传输单元；

所述数据缓存单元用于对所述数字回波信号进行存储；

所述接口传输单元用于将所述数据缓存单元存储的数字回波信号传输至所述数据处理模块。

优选的，该装置还包括：与所述主控单元连接的步进电机；所述步进电机用于在所述主控单元的控制下，驱动所述超声探头在二维扫描平台上移动。

优选的，所述数据处理模块具体用于：

根据各个扫描位置点的所述超声波的发射时间、所述超声回波信号的接收时间以及所述超声回波信号的幅值，计算各个扫描位置点的所述待测组织的超声波传播速度，确定各个扫描位置点的待测组织的厚度、密度和声阻抗；

根据所述各个扫描位置点的待测组织的厚度、密度和声阻抗得到连续的二维超声图像；

将所述连续的二维超声图像进行三维重构，形成所述待测组织的立体模型。

本发明实施例提供的一种基于3D打印的超声波立体模型构建方法与装置，通过超声探头对待测组织进行扫描，获取待测组织的结构参数构建立体模型，并通过3D打印技术将虚拟的立体模型变成实体的立体模型，本发明实施例提供的技术方案，可以用于医疗行业，用于对人体器官等进行体外模型制造，便于进行体外模拟治疗，更加有效的观察人体器官的形态、病变等，提高治疗的有效性和安全性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的基于3D打印的超声波立体模型构建方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的基于3D打印的超声波立体模型构建方法的步骤S2的具体流程示意图；

图3为本发明又一实施例提供的基于3D打印的超声波立体模型构建方法的步骤S2的具体流程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于3D打印的超声波立体模型构建装置的框架示意图；

图5为本发明实施例提供的基于3D打印的超声波立体模型构建装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

3D打印技术是一项新兴的技术，它提供了一种简单、快捷、灵活性好、高精度的3D模型结构构建方法，在虚拟测试的发展过程中起到了很大的作用，通常采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。目前，3D打印技术已经可以广泛应用于医疗等多个方面，其中运用3D打印技术进行医疗模型构筑是一个非常有前景的方向。但是，基于3D打印技术的虚拟成像还没被大规模应用于实际。

利用超声成像可以定量分析出待测组织的波速、声阻抗、衰减、反向散射系数和非线性等参数，结合3D打印技术可以构造出精准的组织模型，有助于进行微调用药剂量，甚至可以针对不同病人的状况度身定制个人治疗方案，并且3D打印技术会为治疗带来新的思路，即体外制造模型，并且可用液体填充，让医生更好更详细地观察药剂流动情况，有助于评估合适的用药剂量，可以帮助医生更有效地治疗癌症，此外还可以通过3D细胞打印技术，直接在体外打印出癌症的活体组织，这样可以通过体外培养癌症组织，可以更有效的观察肿瘤组织，甚至可以进行体外模拟治疗，以防贸然通过病人身体进行治疗导致的不良后果。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于3D打印的超声波立体模型构建方法，该方法包括以下步骤：

S1：利用超声探头对待测组织表面进行二维扫描，发射超声波至所述待测组织上，并接收反射的超声回波信号；

其中，超声探头采用中心频率为25MHz的宽带超声探头，具有128个阵元，具体的，超声探头的阵元面垂直于待测组织表面，置于二维扫描平台的初始位置，从而待测组织的一端开始扫描，发射超声波到待测组织上，产生超声信号，超声探头同步观测待测组织反射回来的超声回波信号，将采集到的超声回波信号经过预处理后，上传到数据处理模块进行后续数据处理。在扫描过一个位置后，超声探头在二维扫描平台上由步进电机带动到达下一个扫描位置继续进行扫描，遵循从左到右从上到下的扫描顺序，依次将不同扫描位置处的超声回波信号以及对应的扫描位置数据发送给数据处理模块进行数据处理。其中，可以通过主控单元控制步进电机驱动超声探头从一个位置移动到下一个位置。根据需要，待测组织可以是人体组织、器官等。

S2：对所述超声回波信号进行预处理；

需要说明的是，由于超声回波信号在传播过程中会进行衰减，所以可以对超声回波信号进行时间增益补偿放大，根据需要进行预滤波处理等。

S3：根据预处理后的超声回波信号，确定所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数；

具体的，可以通过数据处理模块对超声回波信号进行数据处理，根据超声探头的信号返回时间、幅值，可以计算对应扫描位置的待测组织的超声波传播速度，根据超声波传播速度和信号返回时间可以计算对应位置的待测组织的厚度、密度，从而可以确定对应扫描位置的待测组织的声阻抗，需要说明的是，声阻抗可以反映待测组织的内部结构。为了使后续建立的待测组织的模型更加标准，可以待测组织的内部结构参数还可以包括相速度、声衰减。

S4：根据所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数和对应的扫描位置点，构建所述待测组织的立体模型，并通过3D打印系统打印所述立体模型。

具体的，可以根据不同扫描位置获取的超声回波信号，计算得到声阻抗、相速度和声衰减，从而形成不同扫描位置的待测组织的二维超声图像(具体可以参见现有技术的B超成像原理)，采用基于Visual C#语言编写的DirectX程序将二维超声图像进行三维重构，则可以得到待测组织的立体模型，通过3D打印系统将该立体模型打印出来，可以得到精准的组织模型，有助于进行微调用药剂量，为治疗带来新的思路，即体外制造模型，可以帮助医生更有效地治疗肿瘤等疾病，此外还可以通过3D细胞打印技术，直接在体外打印出癌症的活体组织，进行体外模拟治疗，提高治疗的有效性和安全性。

本发明实施例提供的一种基于3D打印的超声波立体模型构建方法，通过超声探头对待测组织进行扫描，获取待测组织的结构参数构建立体模型，并通过3D打印技术将虚拟的立体模型变成实体的立体模型，本发明实施例提供的技术方案，可以用于医疗行业，用于对人体器官等进行体外模型制造，便于进行体外模拟治疗，更加有效的观察人体器官的形态、病变等，提高治疗的有效性和安全性。

在上述实施例的基础上，如图2所示，步骤S2所述对超声回波信号进行预处理，包括：

S21：对所述超声回波信号进行时间增益补偿放大处理；

S22：将放大处理后的超声回波信号进行预滤波处理；

S23：将经过预滤波的所述超声回波信号转换为数字信号，得到数字回波信号。

进一步的，如图3所示，步骤S2对超声回波信号进行预处理，还可以包括：

S24：对所述数字回波信号进行存储。

具体的，可以在超声探头后接TGC(时间增益补偿)放大电路，预滤波电路和A/D转换电路以及ARM数据缓存电路，TGC放大电路将超声探头接收到的超声回波信号通过TGC放大器来补偿和放大随传播距离增大而逐渐衰减的回波信号，TGC放大器的可变增益随时间按指数规律增加，预滤波电路将放大处理后的超声回波信号进行预滤波，滤除模拟信号中的高频杂波，A/D转换电路将预滤波后的超声回波信号转换为数字回波信号，可选的，可以由ARM数据缓存电路进行数字回波信号的存储，并通过USB数据传输电路将数字回波信号传输至数据处理装置进行后续的数据处理。

其中，TGC放大电路，A/D转换电路、ARM数据缓存电路以及USB数据传输电路均可以连接主控单元，主控单元连接超声探头，超声探头接收的超声回波信号可以由主控单元传输至TGC放大电路，经过TGC放大电路放大后传输给预滤波电路进行预滤波，再由A/D转换电路转换为数字回波信号，并由ARM数据缓存电路进行缓存后，由USB数据传输电路将数字回波信号传输至数据处理装置进行后续的数据处理。其中，ARM数据缓存电路包括多通道并行数据缓存电路，通道数为128，即通道数与超声探头的阵元一一对应。

在上述实施例的基础上，步骤S3根据预处理后的超声回波信号，确定所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数，具体包括：

根据各个扫描位置点的所述超声波的发射时间、所述超声回波信号的接收时间以及所述超声回波信号的幅值，计算各个扫描位置点的所述待测组织的超声波传播速度，确定各个扫描位置点的待测组织的厚度、密度和声阻抗。

具体的，假设d_s表示待测组织的厚度，表示每个超声信号，其中i的取值由脉冲数决定，c表示超声波在耦合剂中的传播速度。

v_s＝c(Δt/2τ+1)

d_s＝(v_sΔt)/2

其中，v_s是超声波在待测组织中的传播的速度，2τ是超声波从待测组织上表面到反射界面的反射时间差，Δt是放置待测组织前后超声波到达反射界面的时间差。

使用波谱法提取相速度和声衰减的信息，声衰减和相速度均可由转移方程得到，其中是信号的快速傅里叶变换，是信号的快速傅里叶变换。

待测组织的相速度：其中是对应的展开相位。a₀为初始相位系数，f为超声波频率。

待测组织的声衰减：其中D_j/i＝D_γ⁽ⁱ⁾/D_γ^(j)，D_γ用于表示衍射校正，用来避免由于超声探头尺寸问题带来的衍射效应。T是当声波信号通过组织界面时的整体透射系数，参数α_w是利用7阶多项式求得的耦合剂中的声衰减。

待测组织密度其中E为杨氏模量，σ为泊松比。

待测组织的声阻抗：z＝ρ×v_s。

在上述实施例的基础上，步骤S4所述根据所述待测组织上各个扫描位置点的内部结构参数和对应的扫描位置点，构建所述待测组织的立体模型，包括

根据所述各个扫描位置点的待测组织的厚度、密度和声阻抗得到连续的二维超声图像；

将所述连续的二维超声图像进行三维重构，形成所述待测组织的立体模型。

需要说明的是，超声探头在待测组织表面扫描，在扫描过一个位置后，超声探头在二维扫描平台上由步进电机带动到达下一个扫描位置继续进行扫描，遵循从左到右从上到下的扫描顺序，可以得到整个待测组织表面不同位置的超声回波信号，根据每个位置的超声回波信号可以计算出待测组织的厚度、密度、声阻抗等信息，从而根据这些信息可以得到每个位置的二维超声图像。将每个位置的二维超声图像进行融合重构，就可以得到待测组织的立体的模型。

另一方面，如图4所示，本发明实施例还提供了一种基于3D打印的超声波立体模型构建装置，该装置可以采用上述实施例所述的基于3D打印的超声波立体模型构建方法，该装置包括：

依次连接的超声探头1、数据预处理模块2、数据处理模块3和3D打印系统4；

所述超声探头1用于对待测组织7表面进行二维扫描，发射超声波至所述待测组织7上，并接收反射的超声回波信号；

所述数据预处理模块2用于对所述超声回波信号进行预处理；

所述数据处理模块3用于根据预处理后的超声回波信号，确定所述待测组织7上各个扫描位置点的内部结构参数；根据所述待测组织7上各个扫描位置点的内部结构参数和对应的扫描位置点，构建所述待测组织7的立体模型；

所述3D打印系统4用于打印所述立体模型。

本发明实施例提供的一种基于3D打印的超声波立体模型构建装置，通过超声探头对待测组织进行扫描，获取待测组织的结构参数构建立体模型，并通过3D打印技术将虚拟的立体模型变成实体的立体模型，本发明实施例提供的技术方案，可以用于医疗行业，用于对人体器官等进行体外模型制造，便于进行体外模拟治疗，更加有效的观察人体器官的形态、病变等，提高治疗的有效性和安全性。

在上述实施例的基础上，所述数据预处理模块2包括与所述超声探头1连接的主控单元21，依次连接的时间增益补偿放大单元22、预滤波单元23、A/D转换单元24；所述主控单元21连接所述时间增益补偿放大单元22；

所述主控单元21用于向所述超声探头1发送扫描控制信号，并接收所述超声探头1返回的超声回波信号；

所述时间增益补偿放大单元22用于对所述超声回波信号进行时间增益补偿放大处理；

所述预滤波单元23用于将放大处理后的超声回波信号进行预滤波处理；

所述A/D转换单元24用于将经过预滤波的所述超声回波信号转换为数字信号，得到数字回波信号。

进一步的，所述数据预处理模块2还包括：与所述A/D转换单元24连接的数据缓存单元25、与所述数据缓存单元25连接的接口传输单元26；

所述数据缓存单元25用于对所述数字回波信号进行存储；

所述接口传输单元26用于将所述数据缓存单元25存储的数字回波信号传输至所述数据处理模块3。

需要说明的是，该时间增益补偿放大单元22可以为上述方法实施例中的时间增益放大电路、该预滤波单元23可以为上述方法实施例中的预滤波电路、A/D转换单元24可以为上述方法实施例中的A/D转换电路，数据缓存单元25可以为上述方法实施例中的基于ARM数据缓存电路，接口传输单元26可以为上述方法实施例中的USB数据传输电路。

在上述实施例的基础上，可选的，所述基于3D打印的超声波立体模型构建装置还包括：与所述主控单元21连接的步进电机6；所述步进电机6用于在所述主控单元21的控制下，驱动所述超声探头1在二维扫描平台5上移动。

在上述实施例的基础上，可选的，所述数据处理模块3具体用于：

根据各个扫描位置点的所述超声波的发射时间、所述超声回波信号的接收时间以及所述超声回波信号的幅值，计算各个扫描位置点的所述待测组织7的超声波传播速度，确定各个扫描位置点的待测组织7的厚度、密度和声阻抗；

根据所述各个扫描位置点的待测组织7的厚度、密度和声阻抗得到连续的二维超声图像；

将所述连续的二维超声图像进行三维重构，形成所述待测组织7的立体模型。

对于与方法对应的基于3D打印的超声波立体模型构建装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，可以采用采用方法实施例的步骤进行模型构建，达到的技术效果也与方法实施例起到的效果相同，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。