基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，包括：超声波定位带设计模块、定位带信号映射模型构建模块、体内器械位置初始判别模块、体内器械位置精确计算模块和体内器械实时渲染显示模块。本发明专利技术利用超声定位带技术，并结合超声信号/图像采集分析方法，在不依赖于术中X线辐射成像的情况下，即可实现多自由度体内器械的精确定位与形状估计。

Localization and tracking system of in vivo instruments based on ultrasonic localization band

【技术实现步骤摘要】
基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统
本专利技术涉及体内空间定位
，尤其是一种基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统。
技术介绍
与传统外科手术相比，微创介入手术是指在图像引导下，通过人体自然腔道或者血管网进行器械介入，在人体内实施手术的新技术，由于创伤小、并发症少、术后恢复快，是现代治疗方式的新突破。微创介入手术中，介入治疗的器械的精确跟踪与定位，能够为医生操作提高引导，减少术中伤害，提高手术安全性。传统的空间定位技术如近红外光学定位，依据双目视觉原理用两个贴有近红外滤光片的摄像机拍摄安装有标记反光小球的器械(标志物)，获取成像图，并对图像进行处理得到器械的空间位置。这样的光学定位方式，受限于光学成像且标志物体积大，无法有效应用于体内器械跟踪。为解决体内介入器械的跟踪定位问题，人们进行了相关研究。传统的图像引导方式，主要通过体外照射X线透视图的方式来进行体内器械的跟踪，这样的方式会由于重复的辐射，给医生带来安全性问题，而且该方式只能为医生提供器械的二维透视信息，缺乏三维空间定位跟踪信息。为提供三维位置信息，利用术中计算机断层成像(CT)和术中核磁成像来定位介入器械的方式也被提出，但由于CT、核磁设备价格昂贵，影响了其术中的实用性，而且术中核磁带来的磁兼容性，大大限制了介入设备的选择与使用。除了基于影像的定位方式，美国美敦力公司利用电磁效应，通过在器械前端固定磁线圈，收集电磁信号的方式来跟踪器械前端，但这种电磁定位的方式不能得到器械的形态信息且通过有线的方式进行电磁信息的传输，会影响器械的正常介入且带来磁兼容问题。美国强生公司开发的CARTOMergeTM(BiosenseWebster，USA)系统和圣犹达医疗公司开发的EnsiteNavXTM(StJudeMedical，USA)系统采用心肌组织传导信息和电磁双定位的原理，通过电场感知定位介入的导管。该系统只能用于射频消融手术，且设备较昂贵。目前跟踪定位方式中光学跟踪定位的方式由于体积和光学成像的限制无法应用与体内定位。电磁跟踪定位的方式无法提供给医生术中影像信息，且为有线式，需考虑磁兼容问题。影像引导定位的方式，存在无三维位置信息、术中辐射或者价格昂贵定位精度不高等问题。目前尚无既能提供术中影像，又能精确三维定位，无电磁兼容问题、保证安全性且价格较低的体内器械跟踪定位方法与系统以应用于微创介入手术中。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，在不依赖于术中X线辐射成像的前提下，仅通过超声信号与图像采集，可完成多自由度设备的精确定位与形状估计。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，包括：超声波定位带设计模块、定位带信号映射模型构建模块、体内器械位置初始判别模块、体内器械位置精确计算模块和体内器械实时渲染显示模块；超声波定位带设计模块，将设计一个超声定位带，其表面材质根据声学特性差异呈现梯度式分布；定位带信号映射模型构建模块会为设计的超声定位带，建立超声回波信号与定位带上各材质间的映射模型；体内器械位置初始判别模块，利用已标定的超声波探头发射超声波，且超声波被粘有定位带的体内器械反射后的声学信号图像被采集到。利用基于小波变换分解的背景干扰去除算法从采集到的声学信号中提取单一的定位带声学信号图像，并进一步通过定位带信号映射模型，实现体内器械位置初始判别；体内器械位置精确计算模块，利用超声探头标定矩阵，将体内器械位置初始判别结果，转换到体外跟踪系统世界坐标系下，并利用锥形体的离群点滤除方法对体内器械位置进行二次优化，获得体内器械位置精确计算结果及体内介入器械的点云；体内器械实时渲染显示模块是将三维位置点云通过插值技术，进行器械实时渲染显示，完成器械定位信息呈现。优选的，超声波定位带设计模块中，超声定位带的具体制作过程为：将不同种类，不同颗粒大小的金属粉末进行热塑性酚醛树脂表层覆盖后，放入沉降液进行沉降，利用不同密度、不同粉经的粉末在液体中沉降速度不同得到各种金属粉末自然分布的沉积层；将分层沉积的金属粉末经干燥固化，便得到声阻抗呈梯度分布的定位带装置。优选的，定位带信号映射模型构建模块，利用采集的回波信号图去求解定位带上各材质与超声波发射探头之间的距离映射模型。超声探头发射特定强度的超声波，作用到定位带上不同材质时，由于各材质与超声波发射探头之间的距离差异，得到不同的超声波信号图；针对每一种材质，当超声波发射探头与定位带上金属材质之间具有三维位置集P＝{pi(xi,yi,yi)}(i＝1…N)时采集到N张超声波信号图集S＝{si}，si表示在超声波发射探头与材质距离为li时采集到的超声波图。建立模型M去求解S与L之间的关系,以及特定材质的超声波图与三维位置集之间的关系。优选的，体内器械位置初始判别模块，将超声波定位带设计模块中获得的厚度小于1mm且具有粘附性的定位带放置到需定位的体内器械表面，并利用经标定的体外超声探头，发射超声波信号，发射的超声波信号会与体内器械表面的定位带发生信号的发生折射、反射等作用，超声探头进一步接收反射的声波信号并得到超声图像；从超声图像中利用基于小波变换分解的背景干扰去除算法进一步分解出该超声波图中包含的T个不同材质的子超声波图，为每一个子超声波图。并利用定位带信号映射模型M，求得三维空间位置解P0＝{pt}，其中t＝1…T，这样就能获得带有超声定位带的体内器械上T个不同点的位置，实现体内器械位置初始判别。优选的，基于小波变换分解的背景干扰去除算法的具体实现如下：基于小波变换分解的背景干扰去除算法的输入为定位带不同材质的超声信号反射叠加图U0，输出为分解出的T个不同材质的超声波子图其中t＝1…T,T为定位带上材质组成数目；利用基于多尺度卷积的图像特征提取单元，对输入的超声信号反射叠加图U0进行特征提取，获得特征映射图其尺寸为h×w×c，h为映射图高度，w为映射图宽度，c为映射图的通道数，基于多尺度卷积的图像特征提取单元包含了五个全卷积操作，使用的卷积核大小均为3×3，卷积核数目分别为{5c,4c,3c,2c,c}；将特征映射图输入基于高斯金字塔的分解单元，输出分解后的特征图基于小波变换的分解单元，先利用全局池化操作，进行特征全局计算，获得特征图，并通过小波变换，获得特征图在不同频率的分解项组合{L1,L2…LT}，T为分解项数目；对不同频率的分解项信息进行激发，利用RELU激活函数进行进一步处理，通过级联操作，获得不同频率下，不同尺度的分解项组，及分解后的特征图在基于小波变换的分解单元之后，为了保证分解后的特征图具有灰度值范围一致性，进行灰度值及图像大小的归一化操作；最后，可输出分解后的T个不同材质的超声波子图优选的，体内器械位置精确计算模块，利用超声探头标定矩阵，将体内器械位置初始判别结果，转换到体外跟踪系统的坐标系下，获得体内器械上T个不同点的三维空间初始位置P0＝{pt}，其中t＝1…T；利用五次贝塞尔曲线方法，求解得到6个关键控制点{ci}的信息，其中i＝0…5，五次贝塞尔曲线的表征函数为Be本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，其特征在于，包括：超声波定位带设计模块、定位带信号映射模型构建模块、体内器械位置初始判别模块、体内器械位置精确计算模块和体内器械实时渲染显示模块；超声波定位带设计模块，将设计一个超声定位带，其表面材质根据声学特性差异呈现梯度式分布；定位带信号映射模型构建模块会为设计的超声定位带，建立超声回波信号与定位带上各材质间的映射模型；体内器械位置初始判别模块，利用已标定的超声波探头发射超声波，且超声波被粘有定位带的体内器械反射后的声学信号图像被采集到，利用基于小波变换分解的背景干扰去除算法从采集到的声学信号中提取单一的定位带声学信号图像，并进一步通过定位带信号映射模型，实现体内器械位置初始判别；体内器械位置精确计算模块，利用超声探头标定矩阵，将体内器械位置初始判别结果，转换到体外跟踪系统世界坐标系下，并利用锥形体的离群点滤除方法对体内器械位置进行二次优化，获得体内器械位置精确计算结果及体内介入器械的点云；体内器械实时渲染显示模块是将三维位置点云通过插值技术，进行器械实时渲染显示，完成器械定位信息呈现。/n

【技术特征摘要】
1.基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，其特征在于，包括：超声波定位带设计模块、定位带信号映射模型构建模块、体内器械位置初始判别模块、体内器械位置精确计算模块和体内器械实时渲染显示模块；超声波定位带设计模块，将设计一个超声定位带，其表面材质根据声学特性差异呈现梯度式分布；定位带信号映射模型构建模块会为设计的超声定位带，建立超声回波信号与定位带上各材质间的映射模型；体内器械位置初始判别模块，利用已标定的超声波探头发射超声波，且超声波被粘有定位带的体内器械反射后的声学信号图像被采集到，利用基于小波变换分解的背景干扰去除算法从采集到的声学信号中提取单一的定位带声学信号图像，并进一步通过定位带信号映射模型，实现体内器械位置初始判别；体内器械位置精确计算模块，利用超声探头标定矩阵，将体内器械位置初始判别结果，转换到体外跟踪系统世界坐标系下，并利用锥形体的离群点滤除方法对体内器械位置进行二次优化，获得体内器械位置精确计算结果及体内介入器械的点云；体内器械实时渲染显示模块是将三维位置点云通过插值技术，进行器械实时渲染显示，完成器械定位信息呈现。


2.如权利要求1所述的基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，其特征在于，超声波定位带设计模块中，超声定位带的具体制作过程为：将不同种类，不同颗粒大小的金属粉末进行热塑性酚醛树脂表层覆盖后，放入沉降液进行沉降，利用不同密度、不同粉经的粉末在液体中沉降速度不同得到各种金属粉末自然分布的沉积层；将分层沉积的金属粉末经干燥固化，便得到声阻抗呈梯度分布的定位带装置。


3.如权利要求1所述的基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，其特征在于，定位带信号映射模型构建模块，利用采集的回波信号图去求解定位带上各材质与超声波发射探头之间的距离映射模型；超声探头发射特定强度的超声波，作用到定位带上不同材质时，由于各材质与超声波发射探头之间的距离差异，得到不同的超声波信号图；针对每一种材质，当超声波发射探头与定位带上金属材质之间具有三维位置集P＝{pi(xi，yi，yi)}(i＝1…N)时采集到N张超声波信号图集S＝{si}，si表示在超声波发射探头与材质距离为li时采集到的超声波图，建立模型M去求解S与L之间的关系，以及特定材质的超声波图与三维位置集之间的关系。


4.如权利要求1所述的基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，其特征在于，体内器械位置初始判别模块，将超声波定位带设计模块中获得的厚度小于1mm且具有粘附性的定位带放置到需定位的体内器械表面，并利用经标定的体外超声探头，发射超声波信号，发射的超声波信号会与体内器械表面的定位带发生信号的发生折射、反射等作用，超声探头进一步接收反射的声波信号并得到超声图像；从超声图像中利用基于小波变换分解的背景干扰去除算法进一步分解出该超声波图中包含的T个不同材质的子超声波图，为每一个子超声波图，并利用定位带信号映射模型M，求得三维空间位置解P0＝{pt}，其中t＝1…T，这样就能获得带有超声定位带的体内器械上T个不同点的位置，实现体内器械位置初始判别。


5.如权利要求4所述的基于超声定位带的体内器械定位跟踪系统，其特征在于，基于小波变换分解的背景干扰去除算法的具体实现如下：
基于小波变换分解的背景干扰去除算法的输入为定位带不同材质的超声信号反射叠加图U0，输出为分解出的T个不同材质的超声波子图其中t＝1…T，T为定位带上材质组成数目；利用基于多尺度卷积的图像特征提取单元，对输入的超声信号反射叠加图U0进行特征提取，获得特征映射图其尺寸为h×w×c，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈芳，张道强，万鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32