[發明專利]超聲探頭自動空間標定方法及裝置

在審

• 申請號: 202111282340.4
• 申請日: 2021-11-01
• 公開（公告）號: CN114041820A
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 楊健;武潺;付天宇;范敬凡
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00
• 代理公司: 北京市中聞律師事務所 11388
• 代理人: 馮夢洪

超聲探頭自動空間標定方法及裝置，準確、高效且易于使用，即使在圖像成像缺失和噪聲干擾的情況下也可以正確識別，即使沒有經驗的用戶也可以執行精確的探頭標定。方法包括：(1)設計一種擴展N線標定體模，通過在橫向和縱向上排布多個N線結構，增加超聲圖像中的有效基準點數量；(2)基于擴展N線標定體模超聲圖像進行快速標定：通過斑點分割、平行線限制和基準點識別的步驟準確識別所有斑點編號，并通過非線性迭代優化方法計算出超聲探頭標定矩陣。

技術領域

本發明涉及醫學圖像處理的技術領域，尤其涉及一種超聲探頭自動空間標定方法，以及超聲探頭自動空間標定裝置。

背景技術

徒手跟蹤超聲成像是一種廉價，安全，無創的技術，跟蹤允許將超聲波與其他方式進行配準以進行計劃和導航。盡管存在3D超聲探頭，但B型或2D探頭由于其相對較高的圖像質量和較低的成本而在臨床實踐中仍被廣泛使用。

為了進行有效的可視化和導航，使用手持式探頭獲取的2D US切片必須與患者的基礎3D解剖結構相關，包括其他相關信息，例如診斷3D MR或CT掃描。通常，這需要將跟蹤器牢固地連接到常規超聲探頭上，通過外部跟蹤系統(例如，光學或電磁跟蹤器)連續地監視跟蹤器，從而實時提供US探頭的位置和方向。這種超聲引導的導航系統的關鍵組成部分是標定2D US圖像平面與探頭跟蹤器之間的剛性轉換矩陣。

由于標定原理簡單，基于N線模型的標定方法仍然是應用最為廣泛的方法。在經典的N線體模中，每層N線由兩條平行線和一條斜線組成，只有中間斜線的基準點才是有效基準點。對于3個N線的標定體模，每張圖像上的有效基準點只有3個，需要采集大量不同位置的圖像才得到穩定的標定結果。理論上，可以增加單張圖像特征點的數量，從而提高標定過程的效率。Pagoulatos首先使用了多層N線標定體模來提高標定效率。但是該方法中的N基準點識別是通過手動選點完成，每張圖需要大約2分鐘。Lindseth提出了使用多層金字塔N線體模實現超聲探頭標定，證明了多層N線體模標定精度優于單點體模和交叉線體模。Hsu設計了一種多層N線體模，其體模需要使用一個薄膜作為地標去輔助分割所有基準點。但是該方法不能夠識別位于平行線上的斑點噪聲。此外，該方法要求檢測到超聲圖像中的全部N線基準點，缺少任意一個基準點都無法標定。因此，多層N線結構增加了特征的識別難度，尤其是對于圖像偽影較多的低頻超聲探頭，因為相似尺度的圖像偽影和噪聲有時會被誤認為是圖像特征。此外，在標定過程中還需要考慮斑點識別的準確性。在超聲圖像中，不同位置斑點的形態結構都不一樣，在靠近探頭位置斑點成像質量較好，遠離探頭的位置，圖像偽影變大，影響斑點識別的準確性，從而影響標定結果準確性。

發明內容

為克服現有技術的缺陷，本發明要解決的技術問題是提供了一種超聲探頭自動空間標定方法，其準確、高效且易于使用，即使在圖像成像缺失和噪聲干擾的情況下也可以正確識別，即使沒有經驗的用戶也可以執行精確的探頭標定。

本發明的技術方案是：這種超聲探頭自動空間標定方法，其包括以下步驟：

(1)設計一種擴展N線標定體模，通過在橫向和縱向上排布多個N線結構，增加超聲圖像中的有效基準點數量；

(2)基于擴展N線標定體模超聲圖像進行快速標定：通過斑點分割、平行線限制和基準點識別的步驟準確識別所有斑點編號，并通過非線性迭代優化方法計算出超聲探頭標定矩陣；

所述步驟(1)中，擴展N線標定體模的導線孔為三角形，設計多層并且每層上有兩個以上的N線結構，一種線為N的斜線，另一種線為N的平行線，將三維N線連接方式投影在前面板上，根據前后面板交點位置定義每條線的編號；在設計連線方式上，上下相鄰兩層的結構不重復，斜線兩端點的水平方向距離小于30mm，相鄰層之間的寬度為10mm，共有12層N線，模型中共有51根平行線和33根斜線，采用集合表示體模的l層線集，其中第i層線集中包含：個平行線w^p、個斜線w^o。