CN112617902A - 一种三维成像***及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维成像***及成像方法，成像***包括采集探头、3D摄像装置和图像处理单元；采集探头用于采集诊断部位的二维图像；3D摄像装置用于拍摄包含采集探头实时位置和诊断部位的3D图像；图像处理单元与采集探头和3D摄像头通信连接，并接收采集探头采集的二维图像和3D摄像头拍摄的3D图像；图像处理单元还用于根据3D图像获取采集探头相对于诊断部位的六自由度位置信息，并根据采集探头的六自由度位置信息以及二维图像重建三维图像。本发明提供的三维成像***及成像方法可以解决现有技术中医学成像***成像质量不高、以及无法提供实时可视化反馈的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种三维成像***及成像方法。
背景技术
医学成像是研究借助于某种介质(如X射线、电磁场、超声波等)与人体相互作用，把人体内部组织器官结构、密度以影像方式表现出来，供诊断医师根据影像提供的信息进行判断，从而对人体健康状况进行评价的一种技术。医学成像的设备主要包括X光成像仪器、CT(普通CT、螺旋CT)、正子扫描(PET)、超声(分B超、彩色多普勒超声、心脏彩超、三维彩超)、核磁共振成像(MRI)、心电图仪器、脑电图仪器等。
现有的医疗成像设备一般多只能采集二维图像信息，二维图像信息包含的信息较少，其作为诊断依据时，往往依赖于医师的经验，容易出现误诊情况。
超声成像是医学成像的重要分支之一，其利用超声波的物理特性进行影像成像，临床应用范围广泛，目前已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法，B型超声是一门新兴的学科，近年来发展很快，它已成为现代临床医学中不可缺少的诊断方法，B超可以清晰地显示各脏器及周围器官的各种断面像，由于图像富于实体感，接近于解剖的真实结构，所以应用超声可以早期明确诊断，普通B超和彩色B超都是二维平面图像，二维图像包含的信息较少，临床诊断多依靠医师的临床经验。
相比于二维的超声图像，三维超声图像具有更大的临床诊断价值，其可读性强，真实度高，诊断难度低，而且还可以测量三维体积，使误诊概率降低。例如在孕妇产检时，三维超声图像更能准确的反应胎儿的体积大小，可以帮助医师有效判断胎儿发育是否健康。
目前现有的三维B超一般多采用特殊的探头，在传统二维B超探头的基础上增加一个定位装置的接收器，然后与发射器配合实现对目标体的三维扫描成像。但这种三维B超方式一方面受限于定位装置接收器与发射器的灵敏度，误差较大，导致成像质量不高，另一方面，这种成像方式必须要在采集完成所有扫描数据后再进行重建和显示，无法提供实时的可视化反馈。而且，加装定位装置后的B超***存在体积大，存在操作不方便，操作自由度不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维超声成像***及成像方法，可以解决现有技术中医学成像***成像质量不高、以及无法提供实时可视化反馈的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种三维成像***，包括采集探头、3D摄像装置和图像处理单元；所述采集探头用于采集诊断部位的二维图像；所述3D摄像装置用于拍摄包含所述采集探头实时位置以及诊断部位的3D图像；所述图像处理单元与所述采集探头和所述3D摄像头通信连接，并接收所述采集探头采集的二维图像和所述3D摄像头拍摄的3D图像；所述图像处理单元还用于根据所述3D图像获取所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息，并根据所述采集探头的六自由度位置信息以及所述二维图像重建三维图像。
进一步的，所述3D摄像装置的拍摄时间与所述采集探头的采样时间同步。
进一步的，成像***还包括显示装置，所述显示装置与所述图像处理单元通信连接，所述显示装置用于显示所述三维图像。
进一步的，所述图像处理单元和所述显示装置集成在电子设备上。
进一步的，所述图像处理单元设置在云端。
进一步的，所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息包括：所述采集探头与所述诊断部位接触点的三维坐标位置信息以及所述采集探头相对于所述诊断部位的方向角度位置信息。
本发明还提供了一种三维成像方法，包括如下步骤：
S1：采集探头采集诊断部位的二维图像，并传递给图像处理单元；
S2:3D摄像装置拍摄包含所述采集探头实时位置以及诊断部位的3D图像，并传递给所述图像处理单元；
S3：所述图像处理单元根据所述3D图像获取所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息；
S4：所述图像处理单元根据所述采集探头的六自由度位置信息以及所述二维图像重建三维图像。
进一步的，所述采集探头采集二维图像与所述3D摄像装置拍摄3D图像同步进行。
进一步的，所述S4具体包括：所述图像处理单元对每幅二维图像匹配所述采集探头对应的六自由度位置信息，然后根据匹配后的二维图像重建三维图像。
综上所述，与现有技术相比，本发明的三维成像***采用3D摄像装置与采集探头相结合，可以生成三维超声图像，而且可以根据需要，进行实时重建；此外，本发明的三维成像***的成像质量更高，准确度也更高不受定位装置接收器与发射器灵敏度的限制，并且即使采集探头或者诊断部位发生偏移，也不会对成像精确度造成影响。而且整个三维成像***的体积小，操作方便，采集探头可不受限制的自由移动，操作自由度高。本发明的成像方法操作步骤简单，检测结果可实时呈现，具有较大的临床诊断价值。
附图说明
图1为本发明一实施方式中的三维成像***的示意图；
图2为本发明一实施方式中的三维成像方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种三维成像***及成像方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。
在本文中，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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的核心思想在于提供一种三维成像***及成像方法，以解决现有技术中医学成像***成像质量不高、无法提供实时可视化反馈的问题。
为实现上述思想，本发明提供一种三维成像***，如图1所示，包括采集探头、3D摄像装置和图像处理单元；所述采集探头用于采集诊断部位的二维图像；所述3D摄像装置用于拍摄包含所述采集探头实时位置以及诊断部位的3D图像；所述图像处理单元与所述采集探头和所述3D摄像头通信连接，并接收所述采集探头采集的二维图像和所述3D摄像头拍摄的3D图像；所述图像处理单元还用于根据所述3D图像获取所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息，并根据所述采集探头的六自由度位置信息以及在此位置方向下采集的所述二维图像重建三维图像。
在本实施例的方案中，所述采集探头可以为现有常用的超声探头如B超探头，也可以为其他具备二维图像采集功能的装置，所述3D摄像装置可以是任意具有3D成像功能的摄像头，3D摄像装置的摆放位置并不做额外的限定，只能其能拍摄到采集探头实时工作时的3D图像以及人体扫描诊断部位的3D图像即可，3D图像除包含二维照片的全部信息外，还包括了照片中的物体与3D摄像装置之间的距离信息，这些信息可以用于后续确定超声探头的六自由度位置信息。具体来说，采集探头放置到诊断部位上采集二维图像时，可建立采集探头相对于诊断部位的位置坐标信息，包括采集探头与诊断部位接触点的坐标位置(x，y，z)，以及采集探头相对于诊断部位的倾斜角度信息(rx，ry，rz)，这六个自由度的位置信息(x，y，z，rx，ry，rz)可完全反映采集探头相对于诊断部位的位置关系，以此可以得知采集探头采集的是诊断部位哪个位置、以及诊断部位哪个方向的断层图像，从而方便后续重建三维图像。采集探头第一次采集诊断部位的二维图像时，3D摄像装置会同时拍照得到包含采集探头以及诊断部位的3D图像，在3D图像中精确反应了采集探头相对于诊断部位的六自由度的位置信息，在设定好坐标系原点后，可以采用算法(例如常见的icp算法等)根据3D图像获取采集探头相对于诊断部位实际的六自由度位置信息(x0，y0，z0，rx0，ry0，rz0)，这样就可认为采集探头初始第一次采样时的二维超声图像，是测试者身体起始于在(x0，y0，z0)坐标，沿着(rx0，ry0，rz0)方向的一个具有一定层厚的切面的图像信息。当采集探头继续移动扫描采集时，可采用类似的方法，得到足够多的包含有六自由度位置信息的二维图像，最后根据这些二维图像重建即可得到三维图像。
在重建三维图像时，以超声成像为例，当超声探头扫过测试者诊断部位足够多的位置和方向后，会得到许多具有一定层厚的切面的图像信息，以及采集这些图像信息时对应的超声探头的六自由度位置信息，将图像信息与位置信息整合即可进行组合重建，具体来说，超声探头在扫描得到的这些二维超声图像时，相邻位置的两幅二维超声图像对应的超声探头的坐标并不是连续的，而是有一定间隔的，这时，可以根据相邻的这两幅二维超声图像进行插值，首先根据相邻的两幅二维图像对应的超声探头的位置信息确定需要插值的位置坐标，然后各取两幅二维图像的一部分叠加作为插值的位置坐标对应的二维超声图像，这样经过不断的插值，即可得到诊断部位连续的二维超声图像以及这些超声图像对应的超声探头的六自由度坐标信息，然后以此重建得到三维超声图像。此外，由于超声探头在一个坐标位置(x，y，z)诊断部位采集图像时，超声探头的方向是不断旋转的，并不是固定一个方向采集的，因此一个具有一定层厚的切面图像是由多个不同角度采集的相关的二维超声图像组合而成，这时，可以采用spatial compounding等现有技术中常用具备抗伪影抗光斑优势的空间复合方法对这些相关的二维超声图像进行整合处理，即可得到这个具有一定层厚的切面的二维超声图像。
本发明提供的上述三维成像***，可以提供根据需要进行实时重建，从而得到实时的三维图像，理论上，当得到两张包含有六自由度位置信息的二维图像后即可进行重建，得到三维图像，后续每多一张，即可将其重建融入到之前的三维图像，得到实时更新后的三维图像。
而且，本发明中采用3D摄像装置与采集探头相结合的方式获取三维图像，通过3D摄像头拍摄包含采集探头的实时位置以及诊断部位位置的3D图像，还具备一些特殊的优点。当采集探头采集诊断部位的二维图像时，如果测试者因为一些微小动作导致诊断部位相对于采集探头发生位移时，这时采集探头本身并没有发生位移，如果采用传统的在采集探头上设置定位装置的接收器，与发射器配合获取采集探头的坐标，当采集探头本身不动而诊断部位动时，传统的定位装置无法获知该变动，这样就导致采集探头采集的二维信息与采集探头的坐标信息不匹配，导致传统的三维成像方式不准确。而在本发明中，3D摄像头可以清楚的拍摄到采集探头以及诊断部位的位置，无论是采集探头运动还是诊断部位偏移，都可以在3D图像上清楚的呈现出来，这样可以精确的将二维图像与采集探头的六自由度位置信息匹配起来，使重建的三位图像更加精确，具备更大的临床诊断价值。
本发明提供的上述三维成像***应用广泛，以孕妇产检B超为例，产检时，B超探头会扫描孕妇整个肚皮的所有位置，与此同时，3D摄像头会实时记录下探头采集二维超声图像时的位置和形态，于是每一帧的B超图像所对应的空间位置可以得到确认，当整个腹部扫描完毕，所有的B超图像就可以融合成一张三维B超图像，这样的一张三维B超图像具有极大的临床诊断价值，可读性强，真实度高，即使是没有经验的医师也可以根据这样三维B超图像看出胎儿的体积大小以及健康生长状况，大大降低了误诊概率。
进一步优选的，为了使得到的二维图像与3D图像保持同步，简化操作，所述3D摄像装置的拍摄时间与所述采集探头的采样时间同步。当然，3D摄像装置与采集探头的采样也可以不同步，例如3D摄像装置可以以更高的拍照频率进行拍摄，这样摄像头的配准运算更加精准，在后期匹配时只要将与二维图像采集的时间点最近的对应的采集探头的坐标提出来即可。
进一步的，本发明的三维成像***还可以包括显示装置，所述显示装置与所述图像处理单元通信连接，所述显示装置用于显示所述三维图像。这样可以将三维图像实时呈现给医师，给医师的诊断提供帮助，当发现疾病问题时可以及时调整采集探头的位置，方便复查后进一步诊断。
优选的，所述图像处理单元和所述显示装置可以集成在同一个可移动或不可移动的电子设备上，例如可集成在智能手机、平板、笔记本电脑、台式服务器等电子设备上。优选的，为了扩大使用场景，使三维成像***的使用不受场地限制，所述图像处理单元和所述显示装置集成在可移动电子设备上。
进一步的，本发明的图像处理单元还可以设置在云端，终端只保留显示模块具备显示功能即可。三维图像的重建可以在云端进行，终端进行显示。并且，三维图像的重建既可以如前面提到的实时重建，也可以在后期重建，例如可以设置一个存储设备将采集探头采集的二维图像以及3D摄像头拍摄的3D图像都存储在存储设备上。后期需要时再将数据上传到云端的图像处理单元，图像处理单元再进行处理，重建三维图像。
进一步的，所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息包括：所述采集探头与所述诊断部位接触点的三维坐标位置信息以及所述采集探头相对于所述诊断部位的方向角度位置信息。
本发明还提供了一种三维成像方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1：采集探头采集诊断部位的二维图像，并传递给图像处理单元；
S2:3D摄像装置拍摄包含所述采集探头实时位置以及诊断部位的3D图像，并传递给所述图像处理单元；其中，所述采集探头采集二维图像与所述3D摄像装置拍摄3D图像可以同步进行，也可以不同步进行。
S3：所述图像处理单元根据所述3D图像获取所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息；
S4：所述图像处理单元根据所述采集探头的六自由度位置信息以及所述二维图像重建三维图像。具体来说，所述图像处理单元可以对每幅二维图像匹配所述采集探头对应的六自由度位置信息，然后根据匹配后的二维图像重建三维超声图像。
此外，本发明的成像方法还可以包括S5：显示装置显示所述三维图像。
综上所述，与现有技术相比，本发明的三维成像***采用3D摄像装置与采集探头相结合，可以生成三维超声图像，而且可以根据需要，进行实时重建；此外，本发明的三维成像***的成像质量更高，准确度也更高不受定位装置接收器与发射器灵敏度的限制，并且即使采集探头或者诊断部位发生偏移，也不会对成像精确度造成影响。而且整个三维成像***的体积小，操作方便，采集探头可不受限制的自由移动，操作自由度高。本发明的成像方法操作步骤简单，检测结果可实时呈现，具有较大的临床诊断价值。
Claims (10)
1.一种三维成像***，其特征在于，包括采集探头、3D摄像装置和图像处理单元；
所述采集探头用于采集诊断部位的二维图像；
所述3D摄像装置用于拍摄包含所述采集探头实时位置以及诊断部位的3D图像；
所述图像处理单元与所述采集探头和所述3D摄像头通信连接，并接收所述采集探头采集的二维图像和所述3D摄像头拍摄的3D图像；
所述图像处理单元还用于根据所述3D图像获取所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息，并根据所述采集探头的六自由度位置信息以及所述二维图像重建三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种三维成像***，其特征在于，所述3D摄像装置的拍摄时间与所述采集探头的采样时间同步。
3.根据权利要求1所述的一种三维成像***，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置与所述图像处理单元通信连接，所述显示装置用于显示所述三维图像。
4.根据权利要求3所述的一种三维成像***，其特征在于，所述图像处理单元和所述显示装置集成在电子设备上。
5.根据权利要求3所述的一种三维成像***，其特征在于，所述图像处理单元设置在云端。
6.根据权利要求1所述的一种三维成像***，其特征在于，所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息包括：所述采集探头与所述诊断部位接触点的三维坐标位置信息以及所述采集探头相对于所述诊断部位的方向角度位置信息。
7.根据权利要求1所述的一种三维成像***，其特征在于，所述采集探头为超声探头，所述三维成像***用于三维超声成像。
8.一种三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：采集探头采集诊断部位的二维图像，并传递给图像处理单元；
S2:3D摄像装置拍摄包含所述采集探头实时位置以及诊断部位的3D图像，并传递给所述图像处理单元；
S3：所述图像处理单元根据所述3D图像获取所述采集探头相对于所述诊断部位的六自由度位置信息；
S4：所述图像处理单元根据所述采集探头的六自由度位置信息以及所述二维图像重建三维图像。
9.根据权利要求8所述的一种三维成像方法，其特征在于，所述采集探头采集二维图像与所述3D摄像装置拍摄3D图像同步进行。
10.根据权利要求8所述的一种三维成像方法，其特征在于，所述S4具体包括：所述图像处理单元对每幅二维图像匹配所述采集探头对应的六自由度位置信息，然后根据匹配后的二维图像重建三维图像。
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