自由三维脊柱超声成像系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了自由三维脊柱超声成像系统，包括超声探头、B超信号处理器和上位机；上位机包括三维数据处理器、三维脊柱模型渲染器、三维脊柱模型更正器、三维模型显示器和二维图像显示器；超声探头通过接口转换器与上位机连接，所述接口转换器为数据采集卡。其控制方法包括以下步骤：S1超声扫描；S2三维脊柱模型一次修正；S3三维脊柱模型的渲染；S4三维脊柱模型二次修正。本发明专利技术利用外部导入的标准脊柱骨架三维脊柱模型作为参考，实现了三维脊柱模型的动态扫描和实时可视化，能够获取完整的超声三维脊柱扫描数据。本发明专利技术不仅能够提升超声检查精度和效率，并且系统结构简单，也能保证扫描流程以及设备装调的简单易行，同时能够使检查费用较为低廉。

Free 3D spine ultrasound imaging system and control method

The invention discloses a free three-dimensional spinal ultrasound imaging system, which includes an ultrasonic probe, a B-mode signal processor and a upper computer. The upper computer includes a three-dimensional data processor, a three-dimensional spinal model renderer, a three-dimensional spine model corrector, a three-dimensional model display and a two-dimensional image display, and an ultrasonic probe through an interface converter and an upper part. The interface converter is a data acquisition card. The control methods include the following steps: S1 ultrasound scan, S2 3D spine model revision, S3 3D spine model rendering, and S4 3D spine model two revision. The invention uses the standard three-dimensional spinal skeleton model of the external introduction of the spinal column as a reference to realize the dynamic scanning and real-time visualization of the three-dimensional spinal model, and can obtain the complete three-dimensional scan data of the ultrasonic spine. The invention can not only improve the accuracy and efficiency of ultrasonic inspection, but also have simple system structure. It can also ensure that the scanning process and equipment are easy to adjust, and the cost of inspection can be lower.

【技术实现步骤摘要】
自由三维脊柱超声成像系统及控制方法
本专利技术具体涉及自由三维脊柱超声成像系统及控制方法。
技术介绍
目前采用的典型三维超声成像系统一般包括三类：第一类采用了不同于常见的一维超声探头，而是采用面阵超声探头进行局部扫描；第二类则是改进一维超声探头，使之能够实现垂直于探头阵元排列方向进行平行或者偏转发射。此二类方法都是采用新型探头制作工艺方法，改进了探头工作模式，但这样的改进会造成探头成本升高，且系统逻辑控制单元以及扫描发射接收电路复杂度提升；另外，这样的探头扫描部位受制于探头扫描范围，很难做到类似CT和MRI的宽幅三维成像效果。因此，第三类称为自由手扫描超声的三维超声成像方法研究最为广泛。这种方法采用普通的一维超声探头对感兴趣部位扫描，根据得到的图像序列利用三维重建算法完成三维建模，关键在于扫描图像与实际人体三维脊柱模型坐标的配准，即等价于获取探头在空间中的实时位置坐标。因此，为获取三维自由手扫描超声图像，大量研究者以及超声生产厂商将不同室内定位方法应用在该领域进行了尝试，但由于各种定位方法都存在或多或少的缺点，因此在三维自由手扫描超声研制这一领域，尚未对采用何种方法进行探头实时定位达成共识。关于超声应用于骨组织疾病检查诊断的临床报道虽然较少，但在临床上近年来的使用呈逐年增长趋势。超声信号在遇到骨骼表面即产生强回声，在B型超声图像上表现为骨骼表面高亮、表面里层低灰度的特征，对骨骼内部结构成像困难，但较多脊柱疾病、损伤表现为脊柱表面或是脊柱表面关节的形态变化，可以利用超声进行此类疾病或损伤的检查、诊断以及评估。一般来讲，椎管造影被认为是脊椎疾病的检查金标准，但椎管造影属于有创检查，检查具有一定痛苦，不能多次检查；而CT和MRI则价格昂贵，为减轻病人经济负担，亦不能多次检查，且价格稍低的CT检查具有放射性辐射，检查次数不宜过多。超声作为一种无创、无辐射、价格低廉的影像检查方式，可作为其余检查的补充，为脊柱疾病的诊断、治疗效果评价等提供有用信息。考虑到脊椎结构较为复杂，普通B型超声对三维结构表现困难，其检查效果容易受制于医生主观因素影响等固有问题在脊柱超声扫描时确有体现。因此三维超声与脊柱检查的结合在临床上确有需要。考虑到脊柱超声扫描面大，扫描区域狭长等的扫描特点，三维超声在脊柱扫描方面的一般解决方案包括视觉定位方案和电磁定位方案。视觉定位方案在超声检查室内布置双摄像头，并在探头上安装视觉标志点，利用双目视觉定位系统实时跟踪探头扫描位置。而电磁定位系统则在检查室内布置电磁场发生器，并在探头安装磁定位传感器完成扫描过程中的实时定位。上述两种方案虽原理可行，但系统成本高，定位过程复杂，不利于发挥超声扫描方便易行，价格低廉的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供自由三维脊柱超声成像系统及控制方法，能够在保证三维成像精度的前提下，降低三维自由手超声成像系统的复杂度。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，提供自由三维脊柱超声成像系统，包括超声探头：用于对被检查者按照规划路径发射超声波进入人体组织；超声探头中设有用于实时监测超声探头的加速度值并记录对应时间信息的加速度传感器，以及用于发射超声波和接收人体组织反射的回波信号的超声换能器；B超信号处理器：用于将回波信号转换为包含若干二维脊柱断层图像的B型超声图像；上位机：内部预存有包含标准的人体三维脊柱表面模型信息的三维脊柱模型，用于通过三维脊柱模型、B型超声图像、加速度值以及对应的时间信息重建三维脊柱图像；所述上位机包括三维数据处理器：根据加速度传感器的监测信息测定超声探头的运动路径，对二维脊柱断层图像进行骨组织分割，将骨组织分割结果与三维脊柱模型各部位断面图像进行匹配，对三维脊柱模型匹配成功的部位进行修正；三维脊柱模型渲染器：根据骨组织分割结果和对应的位置信息建立三维映射，以三次样条插值实现三维数据点的内插，通过三维数据点和三维表面重建对修正后的三维脊柱模型进行渲染；三维脊柱模型更正器：将三维数据处理器中采用的三维脊柱模型更换为修正并渲染后的三维脊柱模型；三维模型显示器：用于显示合格的三维脊柱模型、修正并渲染后的三维脊柱模型或三维脊柱图像。作为优选，所述上位机还包括二维图像显示器，用于显示B超信号处理器获得的B型超声图像。作为优选，所述超声探头通过接口转换器与上位机连接，所述接口转换器为数据采集卡。另一方面，提供自由三维脊柱超声成像系统的控制方法，包括以下步骤，S1，超声扫描：在被检查者身上标记好规划路径，用超声探头按照规划路径发射超声波进入人体组织，超声探头中的加速度传感器实时监测超声探头的加速度值并记录对应时间信息，超声探头中的超声换能器用于发射超声波和接收人体组织反射的回波信号，B超信号处理器将回波信号转换为包含若干二维脊柱断层图像的B型超声图像；S2，三维脊柱模型一次修正：三维数据处理器根据加速度传感器的监测信息测定超声探头的运动路径，对二维脊柱断层图像进行骨组织分割，将骨组织分割结果与预存的三维脊柱模型各部位断面图像进行匹配，对三维脊柱模型匹配成功的部位进行一次修正；S3，三维脊柱模型的渲染：三维脊柱模型渲染器根据骨组织分割结果和对应的位置信息建立三维映射，以三次样条插值实现三维数据点的内插，通过三维数据点和三维表面重建对一次修正后的三维脊柱模型进行渲染，并在三维模型显示器显示出来；S4，三维脊柱模型二次修正：三维脊柱模型更正器将三维数据处理器中采用的预存的三维脊柱模型更换为修正并渲染后的三维脊柱模型，通过超声探头对被检查者进行二次扫描，三维数据处理器根据二次扫描信息对三维脊柱模型匹配成功的部位进行二次修正，三维脊柱模型渲染器对二次修正后的三维脊柱模型进行渲染；重复该步骤直到获得符合要求的三维脊柱模型。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术利用外部导入的标准脊柱骨架三维脊柱模型作为参考，实现了三维脊柱模型的动态扫描和实时可视化，能够获取完整的超声三维脊柱扫描数据。本专利技术不仅能够提升超声检查精度和效率，并且系统结构简单，也能保证扫描流程以及设备装调的简单易行，同时能够使检查费用较为低廉。附图说明图1为自由三维脊柱超声成像系统的实施例原理框图；图2为二维脊柱断层图像的骨组织分割示意图；图3为三维脊柱模型各部位断面示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术具体实施例及相应的附图对本专利技术技术方案进行清楚、完整地描述。实施例1，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，提供自由三维脊柱超声成像系统，包括超声探头：用于对被检查者按照规划路径发射超声波进入人体组织；超声探头中设有用于实时监测超声探头的加速度值并记录对应时间信息的加速度传感器，以及用于发射超声波和接收人体组织反射的回波信号的超声换能器；B超信号处理器：用于将回波信号转换为包含若干二维脊柱断层图像的B型超声图像；上位机：内部预存有包含标准的人体三维脊柱表面模型信息的三维脊柱模型，用于通过三维脊柱模型、B型超声图像、加速度值以及对应的时间信息重建三维脊柱图像；所述上位机包括三维数据处理器：根据加速度传感器的监测信息测定超声探头的运动路径，对二维脊柱断层图像进行骨组织分割，将骨组织分割结果与三维脊柱模型各部位断面图像进行匹配，对三维脊柱模型匹配成功的部位进本文档来自技高网...

【技术保护点】
自由三维脊柱超声成像系统，其特征在于，包括超声探头：用于对被检查者按照规划路径发射超声波进入人体组织；超声探头中设有用于实时监测超声探头的加速度值并记录对应时间信息的加速度传感器，以及用于发射超声波和接收人体组织反射的回波信号的超声换能器；B超信号处理器：用于将回波信号转换为包含若干二维脊柱断层图像的B型超声图像；上位机：内部预存有包含标准的人体三维脊柱表面模型信息的三维脊柱模型，用于通过三维脊柱模型、B型超声图像、加速度值以及对应的时间信息重建三维脊柱图像；所述上位机包括三维数据处理器：根据加速度传感器的监测信息测定超声探头的运动路径，对二维脊柱断层图像进行骨组织分割，将骨组织分割结果与三维脊柱模型各部位断面图像进行匹配，对三维脊柱模型匹配成功的部位进行修正；三维脊柱模型渲染器：根据骨组织分割结果和对应的位置信息建立三维映射，以三次样条插值实现三维数据点的内插，通过三维数据点和三维表面重建对修正后的三维脊柱模型进行渲染；三维脊柱模型更正器：将三维数据处理器中采用的三维脊柱模型更换为修正并渲染后的三维脊柱模型；三维模型显示器：用于显示合格的三维脊柱模型、修正并渲染后的三维脊柱模型或三维脊柱图像。...

【技术特征摘要】
1.自由三维脊柱超声成像系统，其特征在于，包括超声探头：用于对被检查者按照规划路径发射超声波进入人体组织；超声探头中设有用于实时监测超声探头的加速度值并记录对应时间信息的加速度传感器，以及用于发射超声波和接收人体组织反射的回波信号的超声换能器；B超信号处理器：用于将回波信号转换为包含若干二维脊柱断层图像的B型超声图像；上位机：内部预存有包含标准的人体三维脊柱表面模型信息的三维脊柱模型，用于通过三维脊柱模型、B型超声图像、加速度值以及对应的时间信息重建三维脊柱图像；所述上位机包括三维数据处理器：根据加速度传感器的监测信息测定超声探头的运动路径，对二维脊柱断层图像进行骨组织分割，将骨组织分割结果与三维脊柱模型各部位断面图像进行匹配，对三维脊柱模型匹配成功的部位进行修正；三维脊柱模型渲染器：根据骨组织分割结果和对应的位置信息建立三维映射，以三次样条插值实现三维数据点的内插，通过三维数据点和三维表面重建对修正后的三维脊柱模型进行渲染；三维脊柱模型更正器：将三维数据处理器中采用的三维脊柱模型更换为修正并渲染后的三维脊柱模型；三维模型显示器：用于显示合格的三维脊柱模型、修正并渲染后的三维脊柱模型或三维脊柱图像。2.根据权利要求1所述的自由三维脊柱超声成像系统，其特征在于：所述上位机还包括二维图像显示器，用于显示B超信号处理器获得的B型超声图像。3.根据权利要求1所述的自由三维脊柱超声成像系统，其特征在于：所述超声探...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴哲，李俊威，王权泳，王文平，
申请(专利权)人：成都优途科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51