專利名稱：高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波醫(yī)學(xué)圖像，尤其是非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的二維超聲波圖像設(shè)備通過(guò)一個(gè)線陣探測(cè)器向體內(nèi)發(fā)出超聲波脈沖并接收回波?；夭ǖ拇笮『蜁r(shí)間用來(lái)產(chǎn)生一幅身體在掃描斷面處的二維(2-D)的灰度圖像(B型掃描)。但是現(xiàn)有的二維超聲波圖像設(shè)備不能提供觀測(cè)人體部位深度方向多斷層與多角度的切片信息，且由于受超聲波的遠(yuǎn)場(chǎng)衰落和斑點(diǎn)噪聲的影響，圖像的分辨率較低。
基于二維超聲波圖像設(shè)備的免提三維(3-D)超聲波圖像方法設(shè)備，在現(xiàn)有的二維超聲波圖像設(shè)備上增加了空間位置傳感器。由線陣探測(cè)器采集一系列二維圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)空間位置傳感器對(duì)探測(cè)器掃描的方向和角度定標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)成三維圖像數(shù)據(jù)。由于需要空間位置傳感器對(duì)探測(cè)器進(jìn)行空間定位，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜，成本大幅度增加。
基于二維超聲波圖像設(shè)備的免提三維超聲波圖像設(shè)備在技術(shù)方面存在三個(gè)問(wèn)題。首先，位置傳感器并不能精確地跟蹤和檢測(cè)探測(cè)器的掃描方向和角度。當(dāng)用探測(cè)器放在人體胸部或腹部部位上不移動(dòng)時(shí)，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)取樣圖像仍在改變。這是因?yàn)槿梭w胸部或腹部部位受呼吸影響是活動(dòng)的。因此當(dāng)任意地移動(dòng)探測(cè)器的時(shí)候，位置傳感器并不能給出精確的空間信息。其次，形成三維(3-D)超聲波圖像需要用到深度方向的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)受到超聲波的遠(yuǎn)場(chǎng)衰落和斑點(diǎn)噪聲的影響。第三，不能提供觀測(cè)人體部位多角度的切片信息。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有的二維超聲波圖像設(shè)備不能提供觀測(cè)人體部位深度方向多斷層與多角度的切片信息的問(wèn)題，及現(xiàn)有的免提三維超聲波圖像設(shè)備在技術(shù)方面存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出的三維超聲波圖像切片獲取系統(tǒng)，對(duì)采集的二維超聲波圖像序列進(jìn)行二維離散余弦變換與遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償，與免提三維超聲波圖像設(shè)備不同，本發(fā)明免除位置傳感器，而由探測(cè)器的移動(dòng)方式勻速直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或角度偏移運(yùn)動(dòng)，對(duì)二維圖像序列空間相關(guān)位置進(jìn)行軟定標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)成含空間信息的三維圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明給出三維圖像數(shù)據(jù)的多角度切片方法，可獲取觀測(cè)部位的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的多斷層和多角度切片。
1.系統(tǒng)構(gòu)成及功能本發(fā)明的三維超聲波圖像獲取系統(tǒng)由二維超聲波圖像設(shè)備與三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。
三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能是接收來(lái)自二維超聲波圖像設(shè)備的二維超聲波圖像序列，進(jìn)行數(shù)據(jù)空間定標(biāo)與數(shù)據(jù)處理，形成三維超聲波圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶指令對(duì)三維超聲波圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行多斷層、多角度切片和顯示。
2.三維超聲波圖像獲取方法完成上述的系統(tǒng)構(gòu)成后，按下列步驟可獲取觀測(cè)部位的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的多斷層和多角度切片。
步驟1數(shù)據(jù)采集與定標(biāo)用戶選擇采樣頻率與選擇移動(dòng)方式(例如勻速直線運(yùn)動(dòng))，使用探測(cè)器掃描感興趣部位。二維超聲波圖像設(shè)備將采集的B型掃描圖像發(fā)送給三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。三維超聲波圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)收到的二維超聲波圖像序列，根據(jù)其相關(guān)性進(jìn)行空間定標(biāo)。其方法是第k次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，kT)與第k-1次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，(k-1)T)比較，如果其平均誤差小于給定閾值，則舍棄第k次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，kT)，否則予以保留。這里，T為距離采樣周期，由k＝1，...，K，K為采樣總數(shù)。
步驟2三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償考慮到超聲波傳感器的工作環(huán)境與二維超聲波圖像數(shù)據(jù)流的空時(shí)分布，第k次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，kT)常常不能反映真實(shí)的情況。T為距離采樣周期，由用戶移動(dòng)探測(cè)器的速度和距離決定。k＝1，...，K，K為采樣總數(shù)。
三維超聲波圖像數(shù)據(jù)表示為如下數(shù)據(jù)模型x1(n1，n2，kT)＝x0(n1，n2，kT)+n(n1，n2，kT)(1)n(n1，n2，kT)是超聲波數(shù)據(jù)的斑點(diǎn)噪聲，超聲波數(shù)據(jù)的位置與距離采樣周期T有關(guān)。本發(fā)明解決遠(yuǎn)場(chǎng)衰落的方法是對(duì)式(1)中的數(shù)據(jù)x1(n1，n2，kT)進(jìn)行下列運(yùn)算x(n1，n2，kT)＝x1(n1，n2，kT)+En1(2)E為補(bǔ)償系數(shù)，由用戶確定，n1為圖像的行變量步驟3三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理三維超聲波圖像數(shù)據(jù)去斑點(diǎn)噪聲對(duì)于式(2)，固定離散采樣時(shí)間k，僅對(duì)x(n1，n2，kT)的第1變量和第2變量進(jìn)行二維離散余弦變換X(k1,k2,kT)=CΣn2=0N2-1Σn1=0N1-1x(n1,n2,kT)cos(2n1+1)k1π2N1·cos(2n2+1)k2π2N2---(3)]]>k1＝0，1，...，N1，k2＝0，1，...，N2，其中C=1N1N2,k1=0,k2=02N1N2,k1=0,k2≠0ork1≠0,k2=02N1N2,k1≠0,k2≠0---(4)]]>本發(fā)明算法在二維頻域處理超聲波數(shù)據(jù)，去除斑點(diǎn)噪聲。設(shè)斑點(diǎn)噪聲的最大值是T0，Y(k1，k2，kT)＝X(k1，k2，KT)-T0(5)對(duì)Y(k1，k2，kT)取二維離散余弦反變換y(n1,n2,kT)=CΣk2=0N2-1Σk1=0N1-1Y(k1,k2,kT)cos(2k1+1)n1π2N1·cos(2k2+1)n2π2N2---(6)]]>這里的C在式(4)中給出。
分別對(duì)k＝1，...，K，重復(fù)上述算法，可獲得經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償和去斑點(diǎn)噪聲的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)y(n1，n2，kT)。
步驟4三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理超聲波圖像增強(qiáng)在二維頻域，采用下列方法增強(qiáng)超聲波圖像(1)區(qū)域?yàn)V波只保留二維離散余弦變換低頻部分能量及中區(qū)域的系數(shù)(低通濾波)；(2)邏輯比特分布在頻域指定能量充沛的系數(shù)比特?cái)?shù)多，其他的系數(shù)比特?cái)?shù)少；(3)門(mén)限控制根據(jù)二維離散余弦變換系數(shù)設(shè)定門(mén)限，門(mén)限以下的系數(shù)將被刪除；(4)矢量量化只保存能量集中部分的系數(shù)。
步驟5三維超聲波圖像數(shù)據(jù)切片三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多斷層切片方法對(duì)由式(6)獲得的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)y(n1，n2，kT)，固定某一變量n1＝n10，或n2＝n20，或k＝k0可獲得多斷層三維超聲波圖像數(shù)據(jù)切片，y(n10，n2，kT)，y(n1，n20，kT)，y(n1，n2，k0T)。
步驟6三維超聲波圖像數(shù)據(jù)切片三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多角度切片方法對(duì)由式(6)獲得的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)y(n1，n2，kT)，使某一變量n1，或n2，或k為另一變量n1，或n2，或k的線性函數(shù)，可獲得三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多角度切片，如y(n1，f(n1)，kT)，y(n1，n2，f(n2)T)，y(f(k)，n2，kT)等。
步驟7三維超聲波數(shù)據(jù)可視化圖4給出了可視化的算法流程。本文發(fā)明的三維超聲波圖像可視化系統(tǒng)提供了兩種可視化工具。
第一種是多斷層切片平面切片工具，其實(shí)現(xiàn)方法由步驟5的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多斷層切片方法給出。它可以顯示用戶指定的任意斷層的超聲波圖像數(shù)據(jù)。
第二種是斷層切片平面切片工具，其實(shí)現(xiàn)方法由步驟6的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多角度切片方法給出。它可以顯示用戶指定的任意角度的超聲波圖像數(shù)據(jù)。
發(fā)明效果本發(fā)明免除位置傳感器而采用軟定標(biāo)方法構(gòu)成三維超聲波圖像數(shù)據(jù)，使三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的獲取設(shè)備簡(jiǎn)化。本發(fā)明采用遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償和二維離散余弦變換濾除斑點(diǎn)噪聲來(lái)使三維超聲波圖像分辨率提高。本發(fā)明通過(guò)固定三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的某個(gè)變量為常數(shù)獲取三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的多斷層切片，通過(guò)使三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的某個(gè)變量為其它變量的線性函數(shù)獲取三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的多角度切片。人體檢測(cè)部位深度方向多斷層與多角度的切片信息是現(xiàn)有的二維超聲波圖像設(shè)備不能提供的。


圖1.三維超聲波圖像系統(tǒng)硬件組成示意2.三維超聲波圖像處理系統(tǒng)模塊圖3.圖像增強(qiáng)結(jié)果比較(a)原始圖像；(b1)離散余弦低通濾波結(jié)果；(b2)離散余弦高通濾波結(jié)果；(b3)離散余選帶通濾波結(jié)果；(c1)，(c2)，(c3)，(c4)分別為上述圖像的中值濾波結(jié)果。
圖4.使用預(yù)定的運(yùn)動(dòng)類型(勻速直線運(yùn)動(dòng))的三維可視化圖5.超聲波圖像三維可視化(a)三維超聲波圖像的表面灰度視圖；(b)三維超聲波圖像的表面?zhèn)尾噬晥D；(c)三維超聲波圖像的3斷層灰度切片；(d)三維超聲波圖像的3斷層偽彩色切片。
圖6.超聲波圖像的三維灰度視圖(a)、(b)和(c)分別為不同角度的灰度切片圖像。
具體實(shí)施例方式
圖4顯示了一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)類型的三維超聲波圖像可視化處理過(guò)程與結(jié)果。三維超聲波圖像處理系統(tǒng)將接收到的二維超聲波圖像序列存入視頻(Avi)文件，然后按移動(dòng)方式對(duì)二維圖像序列空間定標(biāo)，遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償與去斑點(diǎn)噪聲處理使圖像增強(qiáng)，再將處理后的三維超聲波圖像進(jìn)行切片處理和顯示。
1.中間結(jié)果三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償與去斑點(diǎn)噪聲采用本發(fā)明的三維超聲波圖像處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上述步驟1-步驟3，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償與去斑點(diǎn)噪聲處理，獲得圖3的圖像增強(qiáng)結(jié)果，圖3(a)為原始圖像；圖3(b1)為離散余弦低通濾波結(jié)果；圖3(b2)為離散余弦高通濾波結(jié)果；圖3(b3)離散余選帶通濾波結(jié)果；圖3(c1)-(c4)分別為上述圖像的中值濾波結(jié)果。
2.最終結(jié)果三維超聲波圖像多斷層切片與多角度切片采用本發(fā)明的三維超聲波圖像處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上述步驟1-步驟6，實(shí)現(xiàn)三維超聲波圖像的多斷層切片圖5(a)為三維超聲波圖像的表面灰度視圖；圖5(b)為三維超聲波圖像的表面?zhèn)尾噬晥D；圖5(c)為三維超聲波圖像的3斷層灰度切片；圖5(d)為三維超聲波圖像的3斷層偽彩色切片。
現(xiàn)有二維超聲波圖像設(shè)備無(wú)法獲取圖5的數(shù)據(jù)信息。
采用本發(fā)明的三維超聲波圖像處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上述步驟1-步驟5，與步驟7，實(shí)現(xiàn)三維超聲波圖像的多角度切片圖6為三維超聲波圖像的多角度灰度切片，其中圖6中的(a)、(b)和(c)分別為不同角度的灰度切片結(jié)果。
圖5和圖6顯示了利用現(xiàn)有二維超聲波圖像系統(tǒng)及本發(fā)明提供的三維超聲波圖像處理系統(tǒng)所獲得三維超聲波圖像切片結(jié)果?，F(xiàn)有二維超聲波圖像設(shè)備無(wú)法獲取圖6的數(shù)據(jù)信息。
權(quán)利要求
1.高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，三維超聲波圖像獲取系統(tǒng)由二維超聲波圖像設(shè)備與三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以非定標(biāo)方式構(gòu)成三維圖像數(shù)據(jù)，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集的二維超聲波圖像序列進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償，去斑點(diǎn)噪聲與圖像增強(qiáng)，獲取三維圖像數(shù)據(jù)的多斷層和多角度切片數(shù)據(jù)，對(duì)三維超聲波數(shù)據(jù)可視化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以非定標(biāo)方式構(gòu)成三維圖像數(shù)據(jù)，其方法與步驟是，用戶選擇采樣頻率和移動(dòng)方式直線平移，旋轉(zhuǎn)，角度偏移，使用探測(cè)器掃描檢測(cè)部位，二維超聲波圖像設(shè)備將采集的B型掃描圖像發(fā)送給三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)收到的二維超聲波圖像序列，根據(jù)其相關(guān)性進(jìn)行空間定標(biāo)，即第k次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，kT)與第k-1次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，(k-1)T)比較，如果其平均誤差小于給定閾值，則舍棄第k次采樣的原始圖像數(shù)據(jù)x(n1，n2，kT)，否則予以保留，這里，T為距離采樣周期，由k＝1，...，K，K為采樣總數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償是將三維超聲波圖像數(shù)據(jù)表示為如下空時(shí)分布數(shù)據(jù)模型x1(n1，n2，kT)＝x0(n1，n2，kT)+n(n1，n2，kT)(1)n(n1，n2，kT)是超聲波數(shù)據(jù)的斑點(diǎn)噪聲，T為距離采樣周期，k＝1，...，K，K為采樣總數(shù)，解決遠(yuǎn)場(chǎng)衰落的方法是對(duì)式(1)中的數(shù)據(jù)x1(n1，n2，kT)進(jìn)行下列運(yùn)算x(n1，n2，kT)＝x1(n1，n2，kT)+En1(2)E為補(bǔ)償系數(shù)，由用戶確定，n1為圖像的行變量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集的二維超聲波圖像序列去斑點(diǎn)噪聲，對(duì)于式(2)，固定離散采樣時(shí)間k，僅對(duì)x(n1，n2，kT)的第1變量和第2變量進(jìn)行二維離散余弦變換X(k1,k2,kT)=CΣn2=0N2-1Σn1=0N1-1x(n1,n2,kT)cos(2n1+1)k1π2N1·cos(2n2+1)k2π2N2---(3)]]>k1＝0，1，...，N1，k2＝0，1，...，N2，其中C=1N1N2,k1=0,k2=02N1N2,k1=0,k2≠0ork1≠0,k2=02N1N2,k1≠0,k2≠0---(4)]]>在二維頻域處理超聲波數(shù)據(jù)，去除斑點(diǎn)噪聲，設(shè)斑點(diǎn)噪聲的最大值是T0，Y(k1，k2，kT)＝X(k1，k2，KT)-T0(5)對(duì)Y(k1，k2，kT)取二維離散余弦反變換y(n1,n2,kT)=CΣk2=0N2-1Σk1=0N1-1Y(k1,k2,kT)cos(2k1+1)n1π2N1·cos(2k2+1)n2π2N2---(6)]]>這里的C在式(4)中給出；分別對(duì)k＝1，...，K，重復(fù)上述算法，可獲得經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償和去斑點(diǎn)噪聲的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)y(n1，n2，kT)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)采集的二維超聲波圖像序列進(jìn)行圖像增強(qiáng)，在二維頻域采用下列方法增強(qiáng)超聲波圖像(1)區(qū)域?yàn)V波只保留二維離散余弦變換低頻部分能量及中區(qū)域的系數(shù)(低通濾波)；(2)邏輯比特分布在頻域指定能量充沛的系數(shù)比特?cái)?shù)多，其他的系數(shù)比特?cái)?shù)少；(3)門(mén)限控制根據(jù)二維離散余弦變換系數(shù)設(shè)定門(mén)限，門(mén)限以下的系數(shù)將被刪除；(4)矢量量化只保存能量集中部分的系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，獲取三維圖像數(shù)據(jù)的多斷層切片是對(duì)由式(6)獲得的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)y(n1，n2，kT)，固定某一變量n1＝n10，或n2＝n20，或k＝k0，進(jìn)而獲得多斷層三維超聲波圖像數(shù)據(jù)切片，y(n10，n2，kT)，y(n1，n20，kT)，y(n1，n2，k0T)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，獲取三維圖像數(shù)據(jù)的多角度切片是對(duì)由式(6)獲得的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)y(n1，n2，kT)，使某一變量n1、或n2、或k為另一變量n1、或n2、或k的線性函數(shù)，進(jìn)而獲得三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多角度切片，如y(n1，f(n1)，kT)，y(n1，n2，f(n2)T)，y(f(k)，n2，kT)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其特征在于，三維超聲波數(shù)據(jù)可視化是通過(guò)兩種可視化工具完成，第一種是多斷層切片平面切片工具，其實(shí)現(xiàn)方法由權(quán)利要求6的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多斷層切片方法給出，它可以顯示用戶指定的任意斷層的超聲波圖像數(shù)據(jù)，第二種是多角度切片工具，其實(shí)現(xiàn)方法由權(quán)利要求7的三維超聲波圖像數(shù)據(jù)多角度切片方法給出，它可以顯示用戶指定的任意角度的超聲波圖像數(shù)據(jù)。
全文摘要
高分辨率非定標(biāo)三維超聲波圖像切片獲取方法，其三維超聲波圖像獲取系統(tǒng)由二維超聲波圖像設(shè)備與三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，三維超聲波圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以非定標(biāo)方式構(gòu)成三維圖像數(shù)據(jù)，本發(fā)明采用遠(yuǎn)場(chǎng)補(bǔ)償和二維離散余弦變換濾除斑點(diǎn)噪聲來(lái)使三維超聲波圖像分辨率提高。本發(fā)明通過(guò)固定三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的某個(gè)變量為常數(shù)獲取三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的多斷層切片，使三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的某個(gè)變量為其它變量的線性函數(shù)獲取三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的多角度切片。本發(fā)明使三維超聲波圖像數(shù)據(jù)的獲取設(shè)備簡(jiǎn)化，本發(fā)明獲得的人體檢測(cè)部位深度方向多斷層與多角度的切片信息是現(xiàn)有的二維超聲波圖像設(shè)備不能提供的。
文檔編號(hào)A61B8/00GK1644171SQ20051001123
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月21日
發(fā)明者肖揚(yáng), 李紅艷, 胡紹海 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)