[发明专利]一种机械扫描实时三维超声成像系统及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及超声成像领域，特别是一种基于机械扫描的实时三维超声成像系统及其方法。

背景技术：

三维超声成像是相对于传统二维超声成像在医学影像诊断领域的又一次飞跃，它克服了二维成像中无法对被成像物体的三维信息进行描述的问题，从而使体积的精确测量、组织器官空间形态的显示与描述、以及三维成像导引成为可能。

目前国内外三维超声成像方法主要有直接三维成像和基于重建的三维超声成像两大类，由于直接三维成像方法硬件价格昂贵，而且成像目标区域小，因此，目前国内外的三维超声成像系统大部分都是基于重建的方法。根据三维数据获取的扫描方法不同，基于重建的方法主要有机械扫描，机械自由臂定位，声、磁等位置传感器定位系统。机械扫描方式位置测量精度搞，重建图像失真小，重建图像可以用来进行定量分析，而且其精确的空间定位能力，在介入式治疗和影像导引方面具有不可估量的应用价值。

国内外对基于重建的三维成像技术的研究已经有十多年的历史，而且在各个方面都取得了一定的成果。在临床应用中，医生一方面要求获得诊断部位尽可能准确和尽可能多的信息，从而尽可能做出准确的诊断；另一方面，要求成像速度尽可能的快，最好实时。在以往的重建三维超声成像系统中，一般是通过一个视频采集卡，对二维超声机屏幕上的模拟视频信号进行数字化采集，然后对这些采集的数字图像在PC机中实现三维图像的重建和显示。在这个过程中，数字化的采集过程使信号有一定的失真，而且视频信号的传送帧率有限，使得用于三维重建的数字信号与超声探头数据采集的信号之间不能匹配。特别是，近年来探头技术和电子技术的发展，B超仪的成像帧率越来越高，甚至达到100帧/秒以上，而25帧/秒和50帧/秒的视频传送标准已远不能达到应用要求。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种机械扫描实时三维超声成像系统及方法，该系统和方法可以无失真地获取原始的二维B超图像，克服现有三维超声成像工作站中，运用视频采集卡对B超仪屏幕进行数字化采集过程中的失真，同时克服视频传输制式的速度限制，实现与B超仪成像帧率的同步。

本发明所提供的基于机械扫描的实时三维超声成像系统是在传统二维超声仪上，利用步进电动机驱动超声探头对目标区域进行扇形扫描，同时借助USB或网络接口将超声仪获取的序列二维B超数字图像从其内部数字接口实时无失真地传到PC机内存中，在PC机中实时地完成三维超声图像数据重建，同时实现三维数据的实时体绘制或其它的渲染方式，并在此基础上实现3D/4D超声成像。

根据本发明，所述系统包括：一台具有串行接口和USB接口或串行接口和网卡接口的PC机；一台具有数字接口的用于产生诊断部位二维B超图像的B超仪；步进电动机及其控制和驱动部分，控制和驱动部分中的控制器的输出与驱动模块的输入连接，驱动模块的输出与步进电动机的输入连接，步进电动机的旋转轴与B超仪的超声探头固定连接；PC机的USB或网卡接口与B超仪的数字接口连接，PC机串口与控制和驱动部分的控制器的通讯口连接。

所述步进电动机与B超仪的超声探头集成为一体。

上述控制和驱动部分中的控制器与驱动模块集成为一块电路板，并采用单片机或DSP芯片作为控制器实现对探头运动的控制。

本发明还提供了采用上述机械扫描实时三维超声成像系统的成像方法，包括以下步骤：

步骤1：设置步进电动机驱动探头的扫描参数：扫描范围α、扫描速度s和扫描方向；

步骤2：根据扫描参数和B超仪的成像帧率计算扫描范围内的各帧剖面图像的相对位置关系；这个相对位置关系用各帧剖面图像之间的夹角来确定，其计算公式为：σ＝s/(B超仪成像帧率-1)；

步骤3：超声探头初始位置复位：将扫描范围α内α/2处的位置作为探头的初始位置和三维重建的参考位置；如果在扫描过程中在线进行了参数调节，则在参数调节时探头所处的位置作为在新的参数设置下的三维数据重建的初始参考位置；

步骤4：驱动探头扫描，B超仪所采集到的二维超声数字图像不断地从其数字接口经PC机USB口传送到PC机内存，完成空间目标区域的数据采集；

步骤5：对选定的扫描范围所确定的空间容积，PC机根据各帧图像方位信息，利用所采集的数据进行三维数据体的重建；

步骤6：用重建后的三维数据体更新原来的三维数据，实现空间三维图像的动态成像；并转至步骤4，如果是三维超声图像导引，则重复此过程直至使用者选择结束，如果是用于辅助诊断，则重复此过程直至完成所设置的扫描次数后自动结束。