[发明专利]无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法

说明书

本发明提供了一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法。本发明将传统三维重建技术中的基于体素的重建算法应用到骨骼系统成像中，并对此类算法中使用的传统投影方法进行优化加速，提出FDP方法来实现实时重建的效果。由于本发明提供的方法是基于体素的重建算法，因此可以进行大面积、大范围成像(覆盖一般成年人整个背部区域)。这些是与传统三维骨骼成像的堆叠式扫描重建方法最大的不同。最后，本发明提供的技术同样适用于一般非实时重建，用以加速整体重建过程。

技术领域

本发明涉及一种三维实时骨骼成像方法，属于医学影像、超声骨骼成像技术领域。

背景技术

传统二维超声成像由于其灵活性、非侵入性、无辐射和成本低等特点，是现代医学影像中不可或缺的一项技术。但限于二维图像信息少，难以辨认等缺陷，三维超声成像正发展成为一种新的成像技术。

三维超声成像技术是在传统超声探头中嵌入一个传感器来追踪探头移动时的位置，之后结合探头的二维图像重建出被扫描区域的三维图像。目前在大范围的三维超声成像过程中，研究者常用手持探头的方式对感兴趣区域进行扫描。而传统的三维扫描方式，需要探头保持一定角度在扫描区域中平行移动，以获取一系列互相平行的图像进行重建。此外，受限于传统扫描重建计算的速度，通常是将扫描获取的图像和位置信息保存到本地再进行重建，但这样的方式丢失了超声成像实时性这个极大的优点。尤其是将传统三维超声成像技术应用到骨骼系统成像时，会面临扫描区域较大且不平坦、扫描范围因患者而变化、扫描方式姿态因实际应用不同、扫描速度不均匀等诸多问题，因此采用无约束的自由扫描方式才可以在最大程度上获取高质量的数据，以获得高质量的图像。

发明内容

本发明的目的是：通过对传统重建算法中的投影计算进行优化加速，提出快速点投影方法来实现实时重建的效果。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种无约束式扫描和基于体素的三维实时骨骼成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据获取

通过对人体背部脊柱的垂直扫描，获取一系列二维横截面超声数字图像和与各二维横截面超声数字图像相对应的位置信息；

步骤2、数据预处理

扫描完整个骨骼区域后，将获得所有的二维横截面超声数字图像和相应的位置信息保存到本地，将每帧二维横截面超声数字图像看作一个矩形，结合校准矩阵和坐标变换，计算出每一个矩形在世界坐标系中的位置，之后根据所有矩形信息重建出一个规则立方体；

步骤3、通过基于体素的反向映射算法进行数据重建，包括以下步骤：

步骤301、将获取的具有位置信息的二维横截面超声数字图像放入步骤2中建立的规则立方体，二维横截面超声数字图像为一个二维图像平面；

步骤302、遍历规则立方体中的所有体素点，向附近图像平面进行投影，投影距离由快速点投影FDP计算得到，具体包括以下步骤：

步骤3021、三维点到平面的投影距离被下式(1)计算：

式(1)中，代表从点A到点B的向量，点A是平面外一点，点B是平面内任意一点，是平面的法向量；

步骤3022、将规则立方体平面中的体素点和二维图像平面的像素点代入式 (1)，体素点到二维图像平面的垂直距离d由下式(2)计算：

式(2)中，V_i是规则立方体平面中的体素点，P是二维图像平面中的任意一点，是二维图像平面的法向量；