[發明專利]自由三維脊柱超聲成像系統及控制方法

在審

• 申請號: 201711314713.5
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN107928708A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 吳哲;李俊威;王權泳;王文平
• 申請（專利權）人: 成都優途科技有限公司
• 主分類號: A61B8/08
• 分類號: A61B8/08
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司11421
• 代理人: 葛宏

技術領域

本發明具體涉及自由三維脊柱超聲成像系統及控制方法。

背景技術

目前采用的典型三維超聲成像系統一般包括三類：第一類采用了不同于常見的一維超聲探頭，而是采用面陣超聲探頭進行局部掃描；第二類則是改進一維超聲探頭，使之能夠實現垂直于探頭陣元排列方向進行平行或者偏轉發射。此二類方法都是采用新型探頭制作工藝方法，改進了探頭工作模式，但這樣的改進會造成探頭成本升高，且系統邏輯控制單元以及掃描發射接收電路復雜度提升；另外，這樣的探頭掃描部位受制于探頭掃描范圍，很難做到類似CT和MRI的寬幅三維成像效果。因此，第三類稱為自由手掃描超聲的三維超聲成像方法研究最為廣泛。這種方法采用普通的一維超聲探頭對感興趣部位掃描，根據得到的圖像序列利用三維重建算法完成三維建模，關鍵在于掃描圖像與實際人體三維脊柱模型坐標的配準，即等價于獲取探頭在空間中的實時位置坐標。因此，為獲取三維自由手掃描超聲圖像，大量研究者以及超聲生產廠商將不同室內定位方法應用在該領域進行了嘗試，但由于各種定位方法都存在或多或少的缺點，因此在三維自由手掃描超聲研制這一領域，尚未對采用何種方法進行探頭實時定位達成共識。

關于超聲應用于骨組織疾病檢查診斷的臨床報道雖然較少，但在臨床上近年來的使用呈逐年增長趨勢。超聲信號在遇到骨骼表面即產生強回聲，在B型超聲圖像上表現為骨骼表面高亮、表面里層低灰度的特征，對骨骼內部結構成像困難，但較多脊柱疾病、損傷表現為脊柱表面或是脊柱表面關節的形態變化，可以利用超聲進行此類疾病或損傷的檢查、診斷以及評估。一般來講，椎管造影被認為是脊椎疾病的檢查金標準，但椎管造影屬于有創檢查，檢查具有一定痛苦，不能多次檢查；而CT和MRI則價格昂貴，為減輕病人經濟負擔，亦不能多次檢查，且價格稍低的CT檢查具有放射性輻射，檢查次數不宜過多。超聲作為一種無創、無輻射、價格低廉的影像檢查方式，可作為其余檢查的補充，為脊柱疾病的診斷、治療效果評價等提供有用信息。考慮到脊椎結構較為復雜，普通B型超聲對三維結構表現困難，其檢查效果容易受制于醫生主觀因素影響等固有問題在脊柱超聲掃描時確有體現。因此三維超聲與脊柱檢查的結合在臨床上確有需要。

考慮到脊柱超聲掃描面大，掃描區域狹長等的掃描特點，三維超聲在脊柱掃描方面的一般解決方案包括視覺定位方案和電磁定位方案。視覺定位方案在超聲檢查室內布置雙攝像頭，并在探頭上安裝視覺標志點，利用雙目視覺定位系統實時跟蹤探頭掃描位置。而電磁定位系統則在檢查室內布置電磁場發生器，并在探頭安裝磁定位傳感器完成掃描過程中的實時定位。上述兩種方案雖原理可行，但系統成本高，定位過程復雜，不利于發揮超聲掃描方便易行，價格低廉的特點。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供自由三維脊柱超聲成像系統及控制方法，能夠在保證三維成像精度的前提下，降低三維自由手超聲成像系統的復雜度。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：

一方面，提供自由三維脊柱超聲成像系統，包括

超聲探頭：用于對被檢查者按照規劃路徑發射超聲波進入人體組織；超聲探頭中設有用于實時監測超聲探頭的加速度值并記錄對應時間信息的加速度傳感器，以及用于發射超聲波和接收人體組織反射的回波信號的超聲換能器；

B超信號處理器：用于將回波信號轉換為包含若干二維脊柱斷層圖像的B型超聲圖像；

上位機：內部預存有包含標準的人體三維脊柱表面模型信息的三維脊柱模型，用于通過三維脊柱模型、B型超聲圖像、加速度值以及對應的時間信息重建三維脊柱圖像；

所述上位機包括

三維數據處理器：根據加速度傳感器的監測信息測定超聲探頭的運動路徑，對二維脊柱斷層圖像進行骨組織分割，將骨組織分割結果與三維脊柱模型各部位斷面圖像進行匹配，對三維脊柱模型匹配成功的部位進行修正；

三維脊柱模型渲染器：根據骨組織分割結果和對應的位置信息建立三維映射，以三次樣條插值實現三維數據點的內插，通過三維數據點和三維表面重建對修正后的三維脊柱模型進行渲染；

三維脊柱模型更正器：將三維數據處理器中采用的三維脊柱模型更換為修正并渲染后的三維脊柱模型；

三維模型顯示器：用于顯示合格的三維脊柱模型、修正并渲染后的三維脊柱模型或三維脊柱圖像。

作為優選，所述上位機還包括二維圖像顯示器，用于顯示B超信號處理器獲得的B型超聲圖像。

作為優選，所述超聲探頭通過接口轉換器與上位機連接，所述接口轉換器為數據采集卡。

另一方面，提供自由三維脊柱超聲成像系統的控制方法，包括以下步驟，