CN112137693A - 四维超声引导穿刺的成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种四维超声引导穿刺的成像方法及装置，述方法应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；方法包括：确定超声体数据中的整体空间信息，并依据整体空间信息生成三维渲染空间信息；确定超声体数据中的穿刺针信息，并依据穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；确定超声体数据中的靶组织区域信息，并依据靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；依据三维渲染空间信息，三维渲染穿刺针信息，以及三维渲染靶组织区域信息生成三维超声图像。使三维超声图像能清晰直观的显示穿刺针的空间位置和靶目标及周围组织的空间解剖结构。
Description
技术领域
本申请涉及医疗检测领域，特别是一种四维超声引导穿刺的成像方法及装置。
背景技术
穿刺在临床检查与诊断中主要应用于明确诊断、评估疾病的预后或分期、辅助决定治疗方案等。由于人体组织结构各有差异，穿刺的安全性和有效性，对医生来说，是一大难点。借助成像技术辅助手段，对穿刺过程及其周围的组织结构进行可视化显示，很大程度提升了穿刺的准确性、安全性和效率，增强了临床医生信心，减轻了对病人的损伤。其中，超声引导下的穿刺相较于其他成像技术(如：CT、MRI成像)，具有实时可视化、安全无辐射、携带便利、价格低廉等优势，在临床应用中展现出巨大潜力，如：血管穿刺、神经阻滞、疼痛管理、活检穿刺、介入治疗等临床应用，都可以用超声进行引导，安全且准确地找到靶目标。
然而，目前的超声引导穿刺技术还存在局限性：穿刺针图像与靶组织的超声声束不在同一平面，看不到穿刺针针尖的现象时有发生，需要医生在探头与穿刺针之间有较高的协调能力；穿刺针反射回波信号强度受超声声束发射角度的影响，穿刺针的镜面反射会导致针尖图像不清晰，影响医生观察。
而目前提出和采用的克服这些不足的技术，很大程度依赖于超声医生的专业背景和操作技巧，其缺点主要有：穿刺针图像与靶组织的2D图像不在同一平面，以及不够清晰的穿刺针影像，都使医生很难捕捉到针尖相对于靶组织的位置；实时三维成像虽然可以在扫描空间中直接捕获穿刺针信息，但迄今为止，仍未有较好的可视化方法将穿刺针有别于组织的信息清晰地显示出来，以直观体现穿刺针的空间位置信息，常用的方法是在多幅二维成像切面上显示针尖信息，但依然不能体现空间位置关系。这些缺点都给医生实时动态追踪穿刺针的***轨迹、引导针体以最短路径到达靶目标、避免针尖损伤重要组织器官等临床应用带来了难度。
发明内容
鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种四维超声引导穿刺的成像方法及装置，包括：
一种四维超声引导穿刺的成像方法，所述方法应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，所述超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；
所述方法包括：
确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；
确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；
确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；
依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
进一步地，所述确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息的步骤，包括：
将所述超声体数据中的全局灰阶信息设置为所述整体空间信息；
依据所述整体空间信息中各体素点的颜色值和不透明度生成所述三维渲染空间信息。
进一步地，所述确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息的步骤，包括：
确定所述超声体数据中灰阶信息大于预设阈值T的体素点所对应的第一位置坐标；
依据三维霍夫变换生成对应于所述超声体数据的球坐标系；
确定所述球坐标系中大于预设阈值th的球坐标参数，并确定所述大于预设阈值th的球坐标参数所对应的超声体数据的体素点的第二位置坐标；
依据所述第一位置坐标和所述第二位置坐标确定出所述穿刺针信息；
将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染；
依据灰阶增强渲染后的应于所述穿刺针信息的体素点和灰阶抑制渲染后的所述超声体数据中的其余体素点生成所述三维渲染穿刺针信息。
进一步地，所述将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染的步骤，包括：
依据所述穿刺针信息对应的体素点的颜色值和不透明度对所述穿刺针信息对应的体素点进行灰阶增强渲染；
依据所述超声体数据中的其余体素点的颜色值和不透明度对所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染。
进一步地，所述确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息的步骤，包括：
剔除所述超声体数据中对应于所述穿刺针信息的体素点；
获取靶组织类型，并依据所述靶组织类型确定所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征；
依据所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征确定出血管区、靶组织区和噪声区的位置信息；
将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染；
依据灰阶增强渲染后的对应于所述血管区和所述靶组织区的体素点和灰阶抑制渲染后的对应于所述噪声区的体素点生成所述三维渲染靶组织区域信息。
进一步地，所述将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染的步骤，包括：
依据所述血管区和所述靶组织区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述血管区和所述靶组织区对应的体素点进行灰阶增强渲染；
依据所述噪声区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述噪声区对应的体素点进行灰阶抑制渲染。
进一步地，所述依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像的步骤，包括：
将所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息进行加权融合，并生成所述三维超声图像；其中，所述三维渲染穿刺针信息的融合权重大于所述三维渲染空间信息和所述三维渲染靶组织区域信息中的任意之一。
一种四维超声引导穿刺的成像装置，所述装置应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，所述超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；
具体包括：
三维渲染空间信息生成模块，用于确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；
三维渲染穿刺针信息生成模块，用于确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；
三维渲染靶组织区域信息生成模块，用于确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；
三维超声图像生成模块，用于依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
一种设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的四维超声引导穿刺的成像方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的四维超声引导穿刺的成像方法的步骤。
本申请具有以下优点：
在本申请的实施例中，通过确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。通过对超声体数据进行分析处理，能够自动识别出穿刺针信息和靶组织区域信息，并分别对穿刺针信息和靶组织区域进行增强渲染，再进行全局空间信息的渲染，然后将各渲染后的中间结果进行融合处理，获得清晰的超声引导穿刺的实时三维超声图像，使三维超声图像能清晰直观的显示穿刺针的空间位置和靶目标及周围组织的空间解剖结构，不依赖其他辅助定位技术，就可以动态追踪定位穿刺针相对于靶组织的空间位置，缩短穿刺路径，同时，高分辨率的三维可视化，可以辅助医护人员更好地引导针尖有效绕开血管等重要组织器官，很大程度提升了穿刺的安全性、有效性和效率，且更直观和更便利地满足超声医护人员的临床需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的一种四维超声引导穿刺的成像方法的步骤流程图；
图2是本申请一实施例提供的一种四维超声引导穿刺的成像方法的容积渲染算法模型示意图；
图3是本申请一实施例提供的一种四维超声引导穿刺的成像装置的结构框图；
图4是本发明一实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在本发明任一实施例中，在的进行本发明公开的方法步骤前还包括系列步骤过程：对超声探头的前端数据进行采集；对采集后的前端数据进行三维重构计算处理，以及对三维重构计算处理后的前端数据进行三维后处理进而得出本发明方法中所述的超声体数据。
需要说明的是，在本发明任一实施例中，超声引导穿刺的具体过程可以为：医护人员将容积探头放在待穿刺目标的***位，并初步设定针尖的穿刺位置和方向；当获得一个包含穿刺针信息的完整的前端数据后，对体数据进行三维重构计算和三维后处理；再将处理后得到的超声体数据进行本发明方法中的步骤最终获得所述三维超声图像。其中，医护人员能够根据可视化的三维超声图像，实时监测靶组织区域的解剖结构及穿刺针的动态路径，安全有效引导针尖到达指定的靶目标，避免或减弱给患者造成的不必要损伤。
参照图1，示出了本申请一实施例提供的一种四维超声引导穿刺的成像方法，所述方法应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，所述超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；
所述方法包括：
S110、确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；
S120、确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；
S130、确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；
S140、依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
在本申请的实施例中，通过确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。通过对超声体数据进行分析处理，能够自动识别出穿刺针信息和靶组织区域信息，并分别对穿刺针信息和靶组织区域进行增强渲染，再进行全局空间信息的渲染，然后将各渲染后的中间结果进行融合处理，获得清晰的超声引导穿刺的实时三维超声图像，使三维超声图像能清晰直观的显示穿刺针的空间位置和靶目标及周围组织的空间解剖结构，不依赖其他辅助定位技术，就可以动态追踪定位穿刺针相对于靶组织的空间位置，缩短穿刺路径，同时，高分辨率的三维可视化，可以辅助医护人员更好地引导针尖有效绕开血管等重要组织器官，很大程度提升了穿刺的安全性、有效性和效率，且更直观和更便利地满足超声医护人员的临床需求。
下面，将对本示例性实施例中四维超声引导穿刺的成像方法作进一步地说明。
如所述步骤S110所述，确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S110所述“确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息”的具体过程。
如下列步骤所述，将所述超声体数据中的全局灰阶信息设置为所述整体空间信息；
如下列步骤所述，依据所述整体空间信息中各体素点的颜色值和不透明度生成所述三维渲染空间信息。
需要说明的是，上述步骤主要为对所述超声体数据中的全局灰阶信息进行容积渲染计算从而得出所述三维渲染空间信息。其中，渲染计算是涉及的算法包括但不限于光线投射算法、光线行进算法、光线追踪算法。
参照图2，作为一种示例，依据所述整体空间信息中各体素点的颜色值和不透明度生成所述三维渲染空间信息中所进行的容积渲染计算过程如下：
设定观测平面的空间位置，从观测平面的某一像素点发射一条光线，如图2所示，光线投射进入体数据空间内，对穿过的所有1～n个体素点(所述体素点为所述超声体数据内的像素点)进行渲染处理，其中，体素点的特征由颜色值color和不透明度α表示，
假设光线经过第i个体素点，则不透明度的融合计算表达式如下：
α′i＝α′i-1+αi×(1-α′i-1) (1)
式中，αi表示第i个体素点的不透明度；α'i-1表示第1个点到第i-1个点之间所有体素点的不透明度的融合计算结果；α'i表示第1个点到第i个点之间所有体素点的不透明度的融合计算结果。
渲染颜色的计算表达式如下：
Colo r′i＝Colo r′i-1+Colori×αi×(1-α′i-1) (2)
其中，Colori表示第i个体素点的颜色值；Color'i-1表示第1个点到第i-1个点之间所有体素点的颜色值的渲染计算结果；Color'i表示第1个点到第i个点之间所有体素点的颜色值的渲染计算结果。
因此，按照光线投射方向由近到远(或由远到近)依次访问该光线上的n个体素点信息，结合这些信息进行渲染计算，从而获得观测平面上的该像素点的颜色值。
重复对所述超声体数据中的全局灰阶信息中的体素点进行上述过程，从而得出观测平面上每个相应的像素点的颜色值，因此，观测平面的图像信息即为所述超声体数据的全局灰阶信息的三维渲染结果，即所述三维渲染空间信息。
如所述步骤S120所述，确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息。
需要说明的是，由于一般穿刺针的结构形态特征较单一，声学特征为强回波信号，形状表现为线条状；而靶组织区域的结构形态特征较复杂，可能存在囊肿、肿瘤、血管、神经等组织，如囊肿和血管，其声学特征为弱回波信号，表现为空腔结构。因此，可以通过两者的回波信号强度差异和结构形态特征差异，实现在所述超声体数据中进行穿刺针信息和靶组织区域信息识别。
其中，确定所述穿刺针信息可以是依据灰阶信息数值判定方法；也可以是依据三维霍夫变换直线检测方法；还可以是结合最大值搜索的决策分类方法。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S120所述“确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息”的具体过程。
如下列步骤所述，确定所述超声体数据中灰阶信息大于预设阈值T的体素点所对应的第一位置坐标；
需要说明的是，由于穿刺针在所述超声体数据中表现为一条灰度值较高的直线，可通过特征提取，进行穿刺针空间位置的识别，其中，穿刺针特征提取方法可以是提供给医护人员可设定的阈值T，其中，阈值T的初始值一般设定为所述超声体数据中体素点灰阶值的前20个极大值的均值，若可视化显示的穿刺针信息不明显，医护人员可通过装置提供的操作界面对该阈值T的取值进行人为调整。
将体素点的灰阶信息大于阈值T的该部分体素点所对应的位置坐标设置为是穿刺针信息，即所述第一位置坐标，但由于通过上述方式得到的穿刺针信息其位置较为模糊误差较大，因此，所述第一位置坐标仅作为穿刺针信息确定过程中的粗提取步骤。
如下列步骤所述，依据三维霍夫变换生成对应于所述超声体数据的球坐标系；
作为一种示例，确定所述球坐标系的换算过程如下：
设定所述超声体数据的三维直角坐标系空间，以假设点p为例，该假设点p为处于该直角坐标系中的一个体素点，其在直角坐标系中空间位置为(x，y，z)，对应的参数空间的球坐标位置为
其中，r≥0表示坐标原点到点p的距离，0≤θ≤2π表示从坐标原点到点p的连线与z轴的夹角，
表示从坐标原点到点p的连线与xy平面的投影线与x轴的夹角，因此，三维直角坐标系的直线映射到球坐标系的方程表达式为：
其中，所述超声体数据中的体素点在该球坐标系中表现为相对应的三角函数曲线，所述超声体数据中的直线在球坐标系中表现为点。
初始化球坐标参数空间
其中，
为所述超声体数据中的一条直线在球坐标系的位置参数，
为统计的表征一条直线的球坐标参数
对应的所述超声体数据中的体素点个数；
从所述超声体数据中的所有体素点(x,y,z)中，筛选出在球坐标参数空间中找出满足公式(3)的
坐标，并记录
统计球坐标参数空间中所有公式(3)的
数量。
如下列步骤所述，确定所述球坐标系中大于预设阈值th的球坐标参数，并确定所述大于预设阈值th的球坐标参数所对应的超声体数据的体素点的第二位置坐标；
为了过滤掉干扰穿刺针信息的直线，可以计算所述统计的
的局部极大值，并将该极大值设定为阈值th，并筛选出
的球坐标参数，并搜索该部分球坐标参数所对应的各体素点在所述超声体数据中其所对应的三维直角坐标系空间的坐标位置，即所述第二位置坐标。
如下列步骤所述，依据所述第一位置坐标和所述第二位置坐标确定出所述穿刺针信息；
需要说明的是，通过将所述第一位置坐标和所述第二位置坐标进行交集处理，筛选出同时记录与所述第一位置坐标和所述第二位置坐标的体素点，并获取该部分体素点在所述超声体数据中其所对应的三维直角坐标系空间的坐标位置，进而将该部分坐标位置设置为所述穿刺针信息，通过将两次不同方式提出得出的位置信息进行交集处理从而提高对所述穿刺针信息的获取精度。
如下列步骤所述，将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染；
需要说明的是，上述步骤主要为将针对于所述穿刺针信息进行定向灰阶增强的所述超声体数据中的全局灰阶信息，即依据灰阶增强渲染后的应于所述穿刺针信息的体素点和灰阶抑制渲染后的所述超声体数据中的其余体素点的集合，进行容积渲染计算从而得出所述三维渲染穿刺针信息。其中，渲染计算是涉及的算法包括但不限于光线投射算法、光线行进算法、光线追踪算法。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明“将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染”的具体过程。
如下列步骤所述，依据所述穿刺针信息对应的体素点的颜色值和不透明度对所述穿刺针信息对应的体素点进行灰阶增强渲染；
如下列步骤所述，依据所述超声体数据中的其余体素点的颜色值和不透明度对所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染。
需要说明的是，对所述穿刺针信息对应的体素点进行灰阶增强渲染，以及对所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染的方法所采用的过程与前述生成三维渲染空间信息的实施例中的示例部分基本相似，采用的计算公式，以为公式(1)和公式(2)，计算的相关之处参见前述生成三维渲染空间信息实施例中的示例部分说明即可。
如下列步骤所述，依据灰阶增强渲染后的应于所述穿刺针信息的体素点和灰阶抑制渲染后的所述超声体数据中的其余体素点生成所述三维渲染穿刺针信息。
需要说明的是，通过将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染从而提升穿刺针在所述超声体数据中的显示识别度，通过将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染，使对应于穿刺针以外的体素点的显示识别度降低，从而进一步的突出穿刺针的显示，并且通过对不同体素点的增强和抑制使其能在后续的数据融合后所输出端的所述三维超声图像中更明显地显示出穿刺针，并且也提高了穿刺针在所述三维超声图像中的显示精度。
如所述步骤S130所述，确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S130所述“确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息”的具体过程。
如下列步骤所述，剔除所述超声体数据中对应于所述穿刺针信息的体素点；
需要说明的是，如前述生成所述三维渲染穿刺针信息的实施例中所述，穿刺针的形态结构与靶组织区域的结构特征不同，因此在生成三维渲染靶组织区域信息时，首先剔除所述超声体数据中应于所述穿刺针信息的体素点，再对剩余的超声体数据进行分析，以提高后续分析过程的效率。其中，对剩余的超声体数据进行分析可以是通过识别所述超声体数据中的各组织并分别对各组织的结构特征进行增强处理。
具体地，特征识别与分类的方法可以是简单的基于灰阶分布的特征提取，可以提供给医护人员可设定的阈值，根据阈值进行组织分类；也可以是三维边缘检测方法；还可以是机器学习分类方法等。
如下列步骤所述，获取靶组织类型，并依据所述靶组织类型确定所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征；
需要说明的是，由于血管内为弱回波信号，其壁膜为强回声，形态上表现为空腔结构，而疑似病变组织一般表现为致密片状的高回声区，因此，病变区与血管区的灰阶信息和纹理特征具有明显的差异。
作为一种示例，在肝脏引导穿刺的临床诊断中，靶组织区域中会将含有肝脏血管和疑似病变肝脏组织，根据灰阶信息和纹理特征的不同，可以较为容易地在所述超声体数据中识别出血管、疑似病变肝脏组织和噪声区。
如下列步骤所述，依据所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征确定出血管区、靶组织区和噪声区的位置信息；
作为一种示例，确定过程具体可以为：
将剔除所述穿刺针信息后的超声体数据，首先以三维图像分割的方式对血管组织和疑似病变组织的大致轮廓和空间位置进行粗识别；
再利用机器学习的分类方法(如简单分类器的K最近邻方法(K-Nearest Neighboralgorithm)，KNN认为超声体数据中K个最近邻的体素点属于一个类别。)进一步调整其空间位置，具体计算步骤如下：
生成三维边缘检测算子，对超声体数据进行三维滤波处理，标记边缘信息；
连接边缘体素点，获得三维连通曲面，再结合体素点的灰阶信息，可以划分出多个组织块区域；
对各个组织块区域的体素点进行KNN算法决策，计算两个体素点间的距离，判断是否具有相似性指标，避免匹配出错，距离的计算表达式为：
式中，p(px,py,pz)和q(qx,qy,qz)为超声体数据中的两个体素点的空间坐标。
如下列步骤所述，将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染；
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明“将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染”的具体过程。
如下列步骤所述，依据所述血管区和所述靶组织区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述血管区和所述靶组织区对应的体素点进行灰阶增强渲染；
需要说明的是，在对各类组织进行增强容积渲染计算的过程中，当光线投射穿过体数据中的每个体素点时，首先判断其结构特征，如果为血管组织，进行血管增强处理；如果为疑似病变组织，进行病变组织的增强处理；如果为噪声区，进行噪声抑制处理；
其中，由于血管的灰度值较低，表现为较暗的区域，为了突出血管的形态和位置，可以提高血管的亮度。具体地，在容积渲染计算时，血管内的任一体素点的颜色值用体素点的最大值(一般最大值为1或255)减去该体素点的实际颜色值来表示，则颜色值的渲染计算表达式为：
Colo r′i＝Colo r′i-1+(1-Colori)×αi×(1-α′i-1) (5)
式中，Colori表示第i个体素点的颜色值；Color'i-1表示第1个点到第i-1个点之间所有体素点的颜色值的渲染计算结果；Color'i表示第1个点到第i个点之间所有体素点的颜色值的渲染计算结果。
需要说明的是，对所述靶组织区对应的体素点进行灰阶抑制渲染的方法所采用的过程与前述生成三维渲染空间信息的实施例中的示例部分基本相似，采用的计算公式，以为公式(1)和公式(2)，计算的相关之处参见前述生成三维渲染空间信息实施例中的示例部分说明即可。
如下列步骤所述，依据所述噪声区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述噪声区对应的体素点进行灰阶抑制渲染。
需要说明的是，对所述噪声区对应的体素点进行灰阶抑制渲染的方法所采用的过程与前述生成三维渲染空间信息的实施例中的示例部分基本相似，采用的计算公式，以为公式(1)和公式(2)，计算的相关之处参见前述生成三维渲染空间信息实施例中的示例部分说明即可。
如下列步骤所述，依据灰阶增强渲染后的对应于所述血管区和所述靶组织区的体素点和灰阶抑制渲染后的对应于所述噪声区的体素点生成所述三维渲染靶组织区域信息。
需要说明的是，通过将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染从而提升所述血管区和所述靶组织区在所述超声体数据中的显示识别度，通过将所述噪声区对应的体素点进行灰阶抑制渲染，使超声体数据中噪声的音响更少，提高合成后的三维超声图像的显示精度；通过将所述穿刺针信息对应的体素点剔除渲染过程，能够在提高合成后的三维超声图像的所述血管区和所述靶组织区的显示识别度的情况下，不影响穿刺针的显示识别度，最大限度的是合成后的三维超声图像中的内容得到保留。
如所述步骤S140所述，依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
在本发明一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S140所述“依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像”的具体过程。
如下列步骤所述，将所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息进行加权融合，并生成所述三维超声图像；其中，所述三维渲染穿刺针信息的融合权重大于所述三维渲染空间信息和所述三维渲染靶组织区域信息中的任意之一。
需要说明的是，将整体空间信息的三维渲染结果(即所述三维渲染空间信息)，穿刺针增强的三维渲染结果(即所述三维渲染穿刺针信息)，以及靶组织区域增强的三维渲染结果(即所述三维渲染靶组织区域信息)进行融合处理，当三者融合后的三维解剖结构的渲染图即包含了穿刺针增强信息，也包含了靶组织区域的各结构特征的增强信息，还包含了穿刺针与靶组织区域的相对空间位置关系的所述三维超声图像。
其中，该融合处理方法可以是根据光线投射距离远近来设置三种渲染中间结果的融合权重，越靠近观测平面，穿刺针和靶组织区域的融合权重值越大；反之，远离观测平面，其融合权重值越小；还可以是在容积渲染计算时，根据体素点的灰阶信息或结构特征来设置三者的权重，为了突出穿刺针的显示，可以将穿刺针对应的权重调整至大于其余的权重。
如：将S110中光线投射计算的不透明度和颜色值、S120中光线投射计算的不透明度和颜色值、S130中光线投射计算的不透明度和颜色值进行加权融合，权重设定规则即要考虑三维空间立体感，也要考虑穿刺针和靶组织区域的图像分辨率。
作为一种示例，可以将S120中得到的穿刺针信息的颜色值的权重ω120和S130中得到的靶组织区域信息的颜色值的权重ω130设定成相同(ω120＝ω130)，S110中得到的整体空间信息的权重为1-ω120，即同时兼顾穿刺针和靶组织信息，也穿插了空间立体感信息。在设定权重ω120和ω130时，取值差别不应太大，否则在强化权重值较大的信息的图像分辨率时，会弱化权重值较小的信息的图像分辨率，导致影响合成的三维超声图像的细节显示识别度。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
参照图3，示出了本申请一实施例提供的一种四维超声引导穿刺的成像装置，所述装置应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，所述超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；
具体包括：
三维渲染空间信息生成模块310，用于确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；
三维渲染穿刺针信息生成模块320，用于确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；
三维渲染靶组织区域信息生成模块330，用于确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；
三维超声图像生成模块340，用于依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
在本发明一实施例中，所述三维渲染空间信息生成模块310，包括：
整体空间信息设置子模块，用于将所述超声体数据中的全局灰阶信息设置为所述整体空间信息；
三维渲染空间信息生成子模块，用于依据所述整体空间信息中各体素点的颜色值和不透明度生成所述三维渲染空间信息。
在本发明一实施例中，所述三维渲染穿刺针信息生成模块320，包括：
第一位置坐标确定子模块，用于确定所述超声体数据中灰阶信息大于预设阈值T的体素点所对应的第一位置坐标；
球坐标系生成子模块，用于依据三维霍夫变换生成对应于所述超声体数据的球坐标系；
第二位置坐标确定子模块，用于确定所述球坐标系中大于预设阈值th的球坐标参数，并确定所述大于预设阈值th的球坐标参数所对应的超声体数据的体素点的第二位置坐标；
穿刺针信息确定子模块，用于依据所述第一位置坐标和所述第二位置坐标确定出所述穿刺针信息；
第一体素点渲染子模块，用于将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染；
三维渲染穿刺针信息生成子模块，用于依据灰阶增强渲染后的应于所述穿刺针信息的体素点和灰阶抑制渲染后的所述超声体数据中的其余体素点生成所述三维渲染穿刺针信息。
在本发明一实施例中，所述第一体素点渲染子模块，包括：
第一灰阶增强渲染子模块，用于依据所述穿刺针信息对应的体素点的颜色值和不透明度对所述穿刺针信息对应的体素点进行灰阶增强渲染；
第一灰阶抑制渲染子模块，用于依据所述超声体数据中的其余体素点的颜色值和不透明度对所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染。
在本发明一实施例中，所述三维渲染靶组织区域信息生成模块330，包括：
穿刺针信息剔除子模块，用于剔除所述超声体数据中对应于所述穿刺针信息的体素点；
灰阶信息和纹理特征确定子模块，用于获取靶组织类型，并依据所述靶组织类型确定所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征；
血管区、靶组织区和噪声区的位置信息确定子模块，用于依据所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征确定出血管区、靶组织区和噪声区的位置信息；
第二体素点渲染子模块，用于将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染；
三维渲染靶组织区域信生成子模块，用于依据灰阶增强渲染后的对应于所述血管区和所述靶组织区的体素点和灰阶抑制渲染后的对应于所述噪声区的体素点生成所述三维渲染靶组织区域信息。
在本发明一实施例中，所述第二体素点渲染子模块，包括：
第二灰阶增强渲染子模块，用于依据所述血管区和所述靶组织区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述血管区和所述靶组织区对应的体素点进行灰阶增强渲染；
第二灰阶抑制渲染子模块，用于依据所述噪声区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述噪声区对应的体素点进行灰阶抑制渲染。
在本发明一实施例中，所述三维超声图像生成模块340，包括：
三维超声图像生成子模块，用于将所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息进行加权融合，并生成所述三维超声图像；其中，所述三维渲染穿刺针信息的融合权重大于所述三维渲染空间信息和所述三维渲染靶组织区域信息中的任意之一。
参照图4，示出了本发明的一种四维超声引导穿刺的成像方法的计算机设备，具体可以包括如下：
上述计算机设备12以通用计算设备的形式表现，计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，***存储器28，连接不同***组件(包括***存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线18结构中的一种或多种，包括存储器总线18或者存储器控制器，***总线18，图形加速端口，处理器或者使用多种总线18结构中的任意总线18结构的局域总线18。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线18，微通道体系结构(MAC)总线18，增强型ISA总线18、音视频电子标准协会(VESA)局域总线18以及***组件互连(PCI)总线18。
计算机设备12典型地包括多种计算机***可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
***存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机***可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其他移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机体统存储介质。仅作为举例，存储***34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其他光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质界面与总线18相连。存储器可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块42，这些程序模块42被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作***、一个或者多个应用程序、其他程序模块42以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24、摄像头等)通信，还可与一个或者多个使得医护人员能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其他计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)界面22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN))，广域网(WAN)和/或公共网络(例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其他模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备12使用其他硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元16、外部磁盘驱动阵列、RAID***、磁带驱动器以及数据备份存储***34等。
处理单元16通过运行存储在***存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的四维超声引导穿刺的成像方法。
也即，上述处理单元16执行上述程序时实现：确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
在本发明实施例中，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请所有实施例提供的四维超声引导穿刺的成像方法：
也即，给程序被处理器执行时实现：确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机克顿信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPOM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言——诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在医护人员计算机上执行、部分地在医护人员计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在医护人员计算机上部分在远程计算机上执行或者完全在远程计算机或者服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到医护人员计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的四维超声引导穿刺的成像方法及装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种四维超声引导穿刺的成像方法，其特征在于，所述方法应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，所述超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；
所述方法包括：
确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；
确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；
确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；
依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息的步骤，包括：
将所述超声体数据中的全局灰阶信息设置为所述整体空间信息；
依据所述整体空间信息中各体素点的颜色值和不透明度生成所述三维渲染空间信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息的步骤，包括：
确定所述超声体数据中灰阶信息大于预设阈值T的体素点所对应的第一位置坐标；
依据三维霍夫变换生成对应于所述超声体数据的球坐标系；
确定所述球坐标系中大于预设阈值th的球坐标参数，并确定所述大于预设阈值th的球坐标参数所对应的超声体数据的体素点的第二位置坐标；
依据所述第一位置坐标和所述第二位置坐标确定出所述穿刺针信息；
将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染；
依据灰阶增强渲染后的应于所述穿刺针信息的体素点和灰阶抑制渲染后的所述超声体数据中的其余体素点生成所述三维渲染穿刺针信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将对应于所述穿刺针信息的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染的步骤，包括：
依据所述穿刺针信息对应的体素点的颜色值和不透明度对所述穿刺针信息对应的体素点进行灰阶增强渲染；
依据所述超声体数据中的其余体素点的颜色值和不透明度对所述超声体数据中的其余体素点进行灰阶抑制渲染。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息的步骤，包括：
剔除所述超声体数据中对应于所述穿刺针信息的体素点；
获取靶组织类型，并依据所述靶组织类型确定所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征；
依据所述靶组织区域的灰阶信息和纹理特征确定出血管区、靶组织区和噪声区的位置信息；
将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染；
依据灰阶增强渲染后的对应于所述血管区和所述靶组织区的体素点和灰阶抑制渲染后的对应于所述噪声区的体素点生成所述三维渲染靶组织区域信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将对应于所述血管区和所述靶组织区的所述体素点进行灰阶增强渲染，以及将对应于所述噪声区的体素点进行灰阶抑制渲染的步骤，包括：
依据所述血管区和所述靶组织区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述血管区和所述靶组织区对应的体素点进行灰阶增强渲染；
依据所述噪声区对应的体素点的颜色值和不透明度对所述噪声区对应的体素点进行灰阶抑制渲染。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像的步骤，包括：
将所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息进行加权融合，并生成所述三维超声图像；其中，所述三维渲染穿刺针信息的融合权重大于所述三维渲染空间信息和所述三维渲染靶组织区域信息中的任意之一。
8.一种四维超声引导穿刺的成像装置，其特征在于，所述装置应用于通过获取实时的超声体数据生成实时的三维超声图像辅助医护人员进行临床引导穿刺；其中，所述超声体数据为时间连续的多幅二维超声图像数据的集合；
具体包括：
三维渲染空间信息生成模块，用于确定所述超声体数据中的整体空间信息，并依据所述整体空间信息生成三维渲染空间信息；
三维渲染穿刺针信息生成模块，用于确定所述超声体数据中的穿刺针信息，并依据所述穿刺针信息生成三维渲染穿刺针信息；
三维渲染靶组织区域信息生成模块，用于确定所述超声体数据中的靶组织区域信息，并依据所述靶组织区域信息生成三维渲染靶组织区域信息；
三维超声图像生成模块，用于依据所述三维渲染空间信息，所述三维渲染穿刺针信息，以及所述三维渲染靶组织区域信息生成所述三维超声图像。
9.一种设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
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