用于现实交互式超声模拟的射线追踪方法技术

诸如蒙特卡罗射线追踪的随机射线追踪方法可以适于提供更高效和更现实的超声成像系统和方法。可以生成根据概率分布扰动的许多随机射线路径，直到它们收敛到正确的解。新的表面厚度和粗糙度模型使得能够再现复杂的超声波相互作用，诸如多次反射和折射。可以进一步对每个射线路径的贡献进行加权以更好地模拟波束形成的超声信号。在现代GPU计算体系架构上，每个变换器元件追踪许多单独的光线很容易并行化。

RAY TRACKING METHOD FOR REAL INTERACTIVE ULTRASOUND SIMULATION

Random ray tracing methods such as Monte Carlo ray tracing can be adapted to provide more efficient and realistic ultrasound imaging systems and systems. Many random ray paths perturbed by probability distribution can be generated until they converge to the correct solution. New surface thickness and roughness models enable complex ultrasound interactions, such as multiple reflections and refractions, to be reproduced. The contribution of each ray path can be further weighted to better simulate the ultrasonic signal of beamforming. In modern GPU computing architecture, it is easy to parallelize that each converter element tracks many individual rays.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于现实交互式超声模拟的射线追踪方法
本文描述的方法一般涉及超声图像模拟，并且更具体地涉及例如在医学领域中用于超声练习训练模拟目的的虚拟现实超声图像建模。
技术介绍
医学成像模拟器超声波的应用既需要在操纵成像设备方面的高水平专业知识又需要在分析和解释作为结果的图像方面的高水平专业知识，例如在医疗领域中用于进行准确的诊断和干预指导。因此，学习这种模式的正确执行需要对超声专家进行长时间的训练。为了便于医学学生和医生的培训，可以使用先进的医疗程序模拟器，诸如在美国专利8’992’230中描述的模拟器。这样的模拟器可以基于虚拟现实(“VR”)和/或混合或增强现实(“AR”)模拟装置，医师可以通过该装置在医疗过程场景中进行实验。VR/AR系统可以根据医师的手势和动作来计算和显示解剖结构的视觉VR/AR模型，以提供各种反馈，诸如视觉反馈。在VR系统中，可以模拟整个图像来显示给用户，并且在AR系统中，可以将模拟图像与实际图像重叠或以其它方式与实际图像结合以显示给用户。可以选择具有不同病理的各种患者模型。因此，为了训练的目的可以在压缩的时间段内为用户模拟由练习医疗人员多年来遇到的自然变化。超声成像模拟已经基于插值超声模拟开发了早期的超声模拟技术方案，诸如，例如在“B-modeultrasoundimagesimulationindeformable3-Dmedium”，IEEETransMedicalImaging，28(11):1657-69，2009年11月[Goksel2009]中所描述的、由O.Goksel和S.E.Salcudean开发的方法。插值方法通常可以生成现实的图像，但只能在没有方向性图像伪像(artifact)并且对于来自有限视野的图像的情况下生成。如某些超声应用(诸如腹部超声)所要求的，为了处理不同的视野并更好地模拟某些伪像，需要其它方法。生成式模拟生成式(generative)模拟(诸如基于波的或基于射线的超声模拟)通过实时地使用分析和数值技术方案的组合，旨在模拟将通过变换器(transducer)位置/方位进行配准的超声信号。但是，模拟所有可能的超声组织相互作用现象仍然是未解决的理论问题。例如，超声纹理(散斑)是主要由亚波长粒子(诸如细胞核、其它细胞器等)散射的超声波的相长干涉和相消干涉的结果。但是，没有已知方法可以以具有细胞结构的这样细微细节来观察到足够大的组织区域(对于OB/GYN超声检查，40-150mm)。超声变换器由若干(例如，128个或512个)压电元件组成，这些压电元件可以通过电和振动之间的转换来发送和接收超声波(US)。然后，发送的压力波(超声波)与具有不同声阻抗的解剖结构相互作用，其中任何反射信号再次被相同的元件数字化，以用于生成底层组织的图像。US与组织的相互作用以两种不同的方式发生：·一方面，比US波长(≈300欧姆)小得多的结构吸收US能量，并且全方位地重新发射(散射)它作为点源，诸如细胞核、大蛋白质等。这种干涉模式确实是超声波的典型噪声纹理(被称为散斑)的来源。·另一方面，阻抗差异的任何宏观界面都会导致US波在其入射角处被反射和折射。因此，US可以以类似于光的方式既呈现波状特性又呈现射线状特性。虽然可以在整个域中例如使用有限差分方法模拟波特性，但是由于主要超声能量集中在某个方向上，因此其波前也可以被建模为组织中的射线传播。用于模拟US与亚波长粒子的相互作用的常见模型是假设组织填充有许多(但可数数量的)散射体。这些散射体可以具有变化的散射振幅，并且充当入射超声信号的球形散射源。T.Varslot在VarslotT.，TaraldaenG.：“Computersimulationofforwardwavepropagationinsofttissue”，IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl52,9(2005年9月)，1473-1482或在VarslotT.，“Forwardpropagationofacousticpressurepulsesin3dsoftbiologicaltissue”，Modeling,IdentificationandControl(2006)中开发了现有技术的性能优化，并且KaramalisA.等人在“FastultrasoundimagesimulationusingtheWesterveltequation”，ProceedingsofMICCAI(2010)，第243-250页中开发了GPU加速，但这种超声的波模拟仍然不够快，无法实时处理临床超声的复杂性。这种波模拟的计算复杂性限制了它们用于如在例如用于变换器设计和图像处理算法开发和验证的具体应用中所使用的离线模拟。但是，在训练模拟器的背景下，这些方法不适用，因为以交互速率生成US图像是必要的并且因此是高度感兴趣的。全波模型的可行近似是用于超声散斑的卷积模型，其中通过将散射体与该位置处的入射超声能量的点扩散函数(PSF)卷积来获得超声的接收强度。假设PSF在3个轴上可分离并且离散网格近似，那么散射体的快速可分离卷积被证明在现代GPU上交互地模拟散斑(GAOH.等人在“Afastconvolution-basedmethodologytosimulate2-D/3-Dcardiacultrasoundimages”，IEEETransactionsonUltrasonics，Ferroelectrics，andFrequencyControl56,2(2009年2月)，404-409[GCC*09])。但是，基于散射体的方法固有地并未考虑在大规模结构之间的界面处的超声波束的反射和失真，诸如声学阴影、重影和多次反射之类的伪像源。这些确实是病理鉴别诊断的重要线索，因此应成为现实模拟的一部分。在超声波束成形中，非相干(异相)超声波消除了彼此的贡献，从而产生聚焦的超声波束。因此，可以通过计算机图形学中已知的射线追踪技术很好地捕获波束形成的超声与如骨骼或器官表面的宏观结构的相互作用。因此，现有技术方法将用于波状干涉的可分离卷积与快速基于表面的射线追踪相结合，特别是利用专用的基于GPU的网格表示的渲染框架(诸如NVIDIAOptiX)，如例如由BennyBürger、SaschaBettinghausen、MatthiasRadle和JürgenHesser在“Real-timeGPU-basedultrasoundsimulationusingdeformablemeshmodels”，IEEETransactionsonMedicalImaging，32(3)：609-618,2013[BBRH13]中和Salehi等人在“Patient-specific3Dultrasoundsimulationbasedonconvolutionalray-tracingandappearanceoptimization”，ProceedingsofMICCAI(2015)，pp.510-518[SAP*15]中所描述的。这些现有技术的基于表面的射线追踪方法利用递归射线追踪方案：每当射线终止于表面时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于利用处理器渲染模拟超声图像的计算机实现的方法，所述方法包括：‑对于在几何交叉点PT0处击中3D解剖模型上的几何表面的传入射线，识别至少一个可变表面参数作为基础解剖对象组织的特性，以将表面表征为部分漫射表面；‑利用随机射线追踪方法计算从作为可变表面参数的函数分布的多个交叉点PT的多个射线追踪路径；‑通过组合来自计算出的多个射线追踪路径的一个或多个贡献来渲染超声图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.06 US 62/383,829;2017.01.20 US 62/448,6611.一种用于利用处理器渲染模拟超声图像的计算机实现的方法，所述方法包括：-对于在几何交叉点PT0处击中3D解剖模型上的几何表面的传入射线，识别至少一个可变表面参数作为基础解剖对象组织的特性，以将表面表征为部分漫射表面；-利用随机射线追踪方法计算从作为可变表面参数的函数分布的多个交叉点PT的多个射线追踪路径；-通过组合来自计算出的多个射线追踪路径的一个或多个贡献来渲染超声图像。2.如权利要求1所述的方法，其中使用蒙特卡罗射线追踪算法、Metropolis采样算法或双向路径追踪算法来计算所述多个射线追踪路径。3.如权利要求1或2所述的方法，其中至少一个可变表面参数是可变表面厚度参数。4.如权利要求1至3所述的方法，其中至少一个可变表面参数是可变表面粗糙度参数。5.如权利要求1至4所述的方法，每个计算出的射线追踪路径作为表征基础组织的衰减参数α和组织中的穿透距离l的函数而进一步衰减。6.如权利要求3至5所述的方法，其中使用高斯模型作为可变表面参数的函数来分布多个交叉点。7.如权利要求3至6中任一项所述的方法，其中具有归一化方向的传入射线以归一化方向击中几何表面，并且所述多个交叉点沿着相对于从正态分布变量q和特定于组织的可变表面厚度参数h计算出的几何交叉点PT0的可变表面厚度深度τ分布，如下：8.如权利要求3至7中任一项所述的方法，其中，传入射线在几何点PT0处以归一化方向击中几何表面，并且在从-180°到+180°的范围的角度分布随机地对围绕的扰动法线进行采样，可变表面粗糙度参数控制以实际几何表面法线为中心的角度分布。9.如权利要求8所述的方法，其中，使用余弦参数化表面粗糙度模型根据coss分布来分布扰动射线，其中，表面粗糙度参数s＝0对应于完全漫射表面，而s＝∞对应于完美镜面表面，并且其中s>0的有限值表征部分漫射表面。10.如权利要求1至9所述的方法，其中，渲染包括利用射线追踪算法沿着段进行采样，每个段被限定在计算出的射线追踪路径的两个交叉点之间，并且通过对每个采样的单独射线强度加权常数1/n来对n个射线中每个采样的单独射线的贡献进...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·迈涛斯奇，O·戈克塞尔，M·麦琪恩亚，
申请(专利权)人：苏黎世联合高等工业学校，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH