[发明专利]一种二维超声图像集合重构的三维超声成像方法

摘要

本发明公开了一种二维超声图像集合重构的三维超声成像方法，包括以下步骤：利用线阵超声传感器，对目标三维空间发射并采集超声信号，重建目标三维空间的二维超声图像；通过自由旋转以及平移超声传感器，重建不同角度和不同位置下的目标三维空间二维超声图像；利用位移传感器和角度传感器检测出超声传感器在移动和旋转过程中的位置和角度信息；结合超声传感器的位置和角度信息，将对应的二维超声图像定位到三维空间中，通过上述二维超声图像集合重构出三维超声图像。

主权项

1.一种二维超声图像集合重构的三维超声成像方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，利用线阵超声传感器，对目标三维空间中任一截面发射并采集超声信号，通过自由旋转以及平移超声传感器，在目标三维空间中重新选定截面，并重复发射并采集超声信号，重建所有截面内的二维超声图像；/n步骤2，在超声传感器外部设置位移传感器和角度传感器，利用这些传感器检测出超声传感器在移动和旋转过程中的空间位置和角度信息；/n步骤3，结合超声传感器的空间位置和角度信息，将对应截面内的二维超声图像定位到三维空间中，重构出三维超声图像；/n步骤1中，所述线阵超声传感器包括一组以上的线性排列的传感器元组，线阵超声传感器通过手持方式自由控制；/n步骤1中，在对目标三维空间发射并采集超声信号时，线阵超声传感器设定的工作模式是同一组传感器元发射并接收，发射超声信号时，超声传感器使用一组线阵传感器元协同工作，发射波束形成后的波阵列，或者让每一个传感器元单独工作，各自发射信号；/n采集超声信号时，超声传感器采集的信号是目标三维空间内对超声波的反射信号，发射与采集的过程都由线阵超声传感器实时进行；/n步骤1中，所述重建目标三维空间的二维超声图像，使用的重建信号是线阵超声传感器采集到的目标三维空间对超声波的反射信号，使用的重建方法是基于反射信号的波束形成以及延时叠加重建方法：/n波束形成法，是利用线阵传感器发射不同时延的信号使信号能够聚焦在一个区域或者一个方向；/n延迟叠加法，是对应波束形成法的一种图像重建方法，在接收信号延迟叠加时，延迟是对应波束形成时的发射信号延迟，通过延迟后的叠加能够重建出发射信号的聚焦成像区域，对于沿一个方向聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：/n /n其中d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，round代表四舍五入取整函数，i_n代表第n个传感器元，pitch代表传感器元的长度，θ代表发射波阵面聚焦的方向角，c₀代表成像区域的背景声速值，dt代表抽样时间间隔，对于沿一个区域聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：/n /n其中F代表聚焦区域中心点与传感器阵列中心之间的距离；/n已知每个传感器元发射信号延迟d_n后，根据传感器元接收的信号重建二维超声图像；/n所述根据传感器元接收的信号重建二维超声图像包括如下步骤：/n步骤1-1，将每个传感器元接收的信号根据该传感器元的发射信号延迟作时延处理；/n步骤1-2，根据二维图像中每个像素点和传感器元之间的距离，将超声接收信号对应叠加到每一个像素点上，从而重建出二维超声图像，计算公式如下：/n /nP_i代表一个截面内二维超声图像中第i个像素点的值，N代表一个线阵超声传感器中传感器元的总数，S_n代表第n个传感器元的接收信号，d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，R_n代表当前计算的像素点与第n个传感器元之间的距离，c₀代表成像区域的背景声速值；/n步骤1还包括：平移超声传感器，探测目标三维空间中不同位置的纵向截面，当纵向截面上存在两个以上物体相互遮挡的情况时，旋转超声传感器，从不同的角度去探测目标三维空间，将平移和旋转两种移动方式结合起来，探测得到目标三维空间中不同层次的目标信息，从而重建所有截面内的二维超声图像；/n步骤2中所述位移传感器和角度传感器，分别是能够实时监测超声传感器空间位置的传感器和能够实时监测超声传感器角度信息的传感器，通过位移传感器和角度传感器，同步获取当前超声传感器的空间位置和角度信息；/n步骤2中所述角度传感器为三轴加速度传感器，其检测角度信息的过程如下：/n步骤2-1，以角度传感器芯片所在处为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，即右手背对角度传感器芯片放置，伸出拇指即指向X轴的正方向，伸出食指即指向Y轴的正方向，伸出中指即指向Z轴的正方向，当芯片倾斜时，重力加速度大小为g，所在方向为g轴，X轴方向的加速度大小为A_x，其与水平线夹角为α₁，与重力加速度夹角为α，Y轴方向的加速度大小为A_y，其与水平线夹角为β₁，与重力加速度夹角为β，Z轴方向的加速度大小为A_z，其与水平线夹角为γ₁，与重力加速度夹角为γ，其中α＝90°-α₁，β＝90°-β₁，γ＝90°-γ₁，A_x＝gcosα，A_y＝gcosβ，A_z＝gcosγ；/n步骤2-2，根据g轴和X、Y、Z轴间的几何关系得到：/n /n步骤2-3，计算出角度和加速度之间的关系：/n /n根据这组公式实时得到超声传感器的角度信息；/n步骤2中，所述位移传感器为Kinect体感检测装置，Kinect体感检测装置使用两个景深摄像头和一个彩色摄像头进行图像采集，当应用于超声传感器的空间位置检测时，Kinect体感检测装置设定一片固定的三维空间区域作为检测区域，以两个景深摄像头之间基线的中点作为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，右手背对景深摄像头放置，拇指方向即摄像头间基线的方向为X轴，食指方向即为Y轴，中指方向即景深摄像头的拍摄方向即为Z轴，通过动态捕捉技术实时捕捉检测区域内设定好的超声传感器，在确定超声传感器三维空间坐标的过程中，通过物体跟踪识别，Kinect体感检测装置在二维平面上定位物体的坐标(x，y)，对于Z轴方向上深度的定位，Kinect体感检测装置根据如下公式计算出被检测物体的深度，即Z轴坐标：/n /n其中，z是深度，即Z轴坐标，b是Kinect体感检测装置两个景深摄像头之间的基线长度，f是摄像头的焦距，d是视差距离，根据该计算公式，Kinect体感检测装置的空间定位功能能够实时监测超声传感器的移动，从而判断出传感器的实时三维空间坐标，即空间位置信息；/n步骤3包括：/n步骤3-1，将目标三维空间模拟为长方体，其任意一顶点所在处为原点，建立三维直角坐标系，每一次进行探测时，位移传感器会检测到超声传感器的空间坐标(x，y，z)，角度传感器能检测出超声传感器的空间角度(α₁，β₁，γ₁)，设超声传感器阵列由N1个传感器组成，总长度为L，每个传感器元的长度为探测深度为D，以超声传感器阵列的中间点为探测点，则超声传感器阵列的两个顶点坐标x₁和x₂分别为：/n /n /n根据超声传感器顶点的坐标以及超声传感器的探测深度计算出探测到的二维图像的另外两个顶点x₃和x₄，其坐标分别为：/nx₃＝x₁+Dcosγ₁，y₃＝y₁+Dsinγ₁，/nx₄＝x₂+Dcosγ₁，y₄＝y₂+Dsinγ₁，/n根据这四个顶点坐标，确定当前超声传感器探测平面内所有像素的坐标；/n步骤3-2，以超声传感器阵列中的传感器元的长度W作为空间采样间隔，将当前超声传感器探测平面内所有像素的连续坐标值离散化，非整数坐标值按四舍五入法进行整数化，当二维探测平面内所有的像素坐标都确定后，根据这些坐标以及重建的二维超声图像中每个像素点的值对三维空间中的像素点进行赋值，在这个过程中，若该坐标是第一次出现，则将探测到的像素点视为首次探测，被首次探测到的像素点将被重构入三维图像中，若该坐标重复出现，则将探测到的像素点视为重复探测，重复探测到的像素点将不被计算入三维图像的重建中，当目标三维空间中每一个像素点都在超声传感器移动的过程中被覆盖到时，即得到重建的完整的三维超声图像。/n