CN113261987A - 一种基于运动目标的三维超声成像方法及*** - Google Patents

一种基于运动目标的三维超声成像方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种基于运动目标的三维超声成像方法及***，其中，涉及的一种基于运动目标的三维超声成像方法，包括以下步骤：S1、采集运动目标的二维超声图像序列；S2、根据二维超声图像序列提取运动曲线；S3、根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；S4、将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像；本发明不需要额外的采集辅助图像，操作简便，对运动目标不同运动时相的区分，准确性高，计算复杂度较低，提升了医生的检查效率。

Description

一种基于运动目标的三维超声成像方法及***
技术领域
本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种基于运动目标的三维超声成像方法及***。
背景技术
三维超声成像通过对一系列二维超声图像序列进行三维重建，可以呈现传统二维超声无法呈现的立体解剖结构，但是在对处于运动中的目标如颈动脉、心脏进行三维超声成像时，由于这些目标在不同的运动时相会有不同的形态，如果对二维超声图像序列不加任何处理直接进行三维重建，会使得运动目标不同时相的不同形态混杂在一起，最终导致重建结果发生扭曲失真，从而影响诊断。
现有的技术中，一般使用辅助手段对运动目标中不同形态的二维图像进行区分再进行三维成像。如在对心脏进行三维超声成像时，在采集二维超声图像序列的同时，同步采集心电信号或者M模式图像等辅助信号，采集完成后先根据辅助信号对不同时相的二维进行分类，然后再分别进行三维成像。这种方法必须借助辅助信号才能完成对运动目标的三维重建，图像采集和处理过程比较繁杂。为此，有必要对其进行改进，以克服实际应用中的不足。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于运动目标的三维超声成像方法及***。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于运动目标的三维超声成像方法，包括以下步骤：
S1、采集运动目标的二维超声图像序列；
S2、根据二维超声图像序列提取运动曲线；
S3、根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；
S4、将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像。
作为优选方案，所述步骤S2中根据二维超声图像序列提取运行曲线具体为：
Figure BDA0002991816100000021
其中，I为二维超声图像序列，F为帧数，M、N分别为每帧图像像素的行数和列数，R为提取到的运动曲线，Trans为提取方法。
作为优选方案，所述提取方法Trans包括主成分分析法、独立成分分析法。
作为优选方案，所述步骤S2还包括：
对运动曲线进行滤波平滑处理，具体为：
R*(i)＝aR*(i-1)+(1-a)R(i)
其中，R(i)为滤波前的运动曲线，R*(i)为滤波后的运动曲线，a为滤波系数，i为当前帧索引。
作为优选方案，所述步骤S3具体为：
根据运动曲线提取不同时相，将不同时相的对应位置分别进行帧图像提取，生成不同运动形态的成像目标图像，从而得到相对应的二维超声图像序列。
作为优选方案，所述步骤S4具体为：
将不同时相对应的二维超声图像序列与每帧二维图像对应的空间位置相结合，以实现三维重建。
作为优选方案，所述步骤S4后还包括：根据时相在运动曲线上的先后位置，将重建的三维超声图像依次进行显示。
本发明还提供一种基于运动目标的三维超声成像***，包括：
采集模块，用于采集运动目标的二维超声图像序列；
第一提取模块，用于根据二维超声图像序列提取运动曲线；
第二提取模块，用于根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；
重建模块，用于将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像。
作为优选方案，还包括：
显示模块，用于根据时相在运动曲线上的先后位置，将重建的三维超声图像依次进行显示。
作为优选方案，所述第一提取模块包括：
处理模块，用于对运动曲线进行滤波平滑处理。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明不需要额外的采集辅助图像，操作简便，对运动目标不同运动时相的区分，准确性高，计算复杂福较低，提升了医生的检查效率。
本发明通过截取和降采样处理，减小计算复杂度、降低计算的耗时。
附图说明
图1是实施例一的一种基于运动目标的三维超声成像方法的流程图；
图2是实施例一的一种基于运动目标的三维超声成像方法的运动曲线不同位置与二维图像序列对应关系示意图；
图3是实施例一的一种基于运动目标的三维超声成像方法的对不同时相的二维超声图像序列分别三维重建的示意图；
图4是实施例三的一种基于运动目标进行三维超声成像***的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例一：
本实施例提供一种基于运动目标的三维超声成像方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、采集运动目标的二维超声图像序列；
S2、根据二维超声图像序列提取运动曲线；
S3、根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；
S4、将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像。
步骤S1之前先对运动目标参数进行初始化设置，包括运动时相数目的设定，一般可以设置为2～4个，还包括运动曲线低通滤波器截止频率的设定。
具体地，步骤S1的采集运动目标的二维超声图像序列，具体为：
用户首先需要获取运动目标良好的二维超声图像，然后再选择三维超声成像的感兴趣区域，不同时相的二维超声图像序列最终会分别进行三维重建，为了保证三维超声图像的质量，需要采集足够帧数的二维超声图像序列，运动目标在进行周期性运动时，运动形态的数目与需要采集的二维超声图像序列的总帧数呈正比例关系。
步骤S2根据二维超声图像序列提取运动曲线，具体为：
通过下式(1)对二维超声图像序列提取运动曲线，将成像目标的运动简化为一维曲线，以方便后续的处理；
Figure BDA0002991816100000041
其中，I表示二维图像序列，F为帧数，M、N为每帧图像像素的行列数，R为提取到的运动曲线，Trans表示提取方法，提取方法包括主成分分析、独立成分分析，此外，为了更进一步的降低提取运动曲线的计算量，只对用户选择的待截取区域内的超声图像序列进行运动曲线提取，将待截取区域之外的图像截掉。
本实施例的提取方法采用主成分分析，可以将高维度的变量转换为多个低维度变量的线性组合，成像目标在二维图像平面的运动经过主成分分析转变为一维的运动曲线，具体如下式(2)所示，
IM×N×F→DK×F≈UK×tVt×F (2)
其中，矩阵D中的每个列向量代表像素的灰度强度在每个时间点的动态变化，在动力学模型假设中，矩阵D可以转化为主成分向量U和空间加权矩阵V的线性组合，M、N、F分别为图像序列矩阵I中的图像高度、宽度和帧数，K＝M×N表示D中像素的总数目，t表示主成分的个数，UK×t表示D的第t个主成分向量；
另外，主成分向量UK×t通过下式(3)进行估计：
Figure BDA0002991816100000051
其中，Vt×F表示D的协方差矩阵t个最大特征值的特征向量，本实施例将第二个主成分作为提取到的运动曲线。
主成分分析需要人为设定主成分的数目，数目过下，精度较低；数目过高，复杂度较高，一般为3～5个为宜；此外，还需要设定使用主成分作为运动曲线的预测结果，有用的经验值为2；对运动曲线进行时相提取，用于寻找相同幅值的点位置。
步骤S2还包括：对运动曲线进行滤波平滑处理，为了提高运动曲线的准确性，在时相提取之前需要先对运动曲线作滤波处理，通过采用低通滤波器，滤除高频噪声，使得运动曲线更加平滑。
具体滤波方法可以采用FIR、IIR或均值滤波等方法，以实现对运动曲线的平滑。
本实施例采用IIR低通滤波，滤波过程如式(4)所示，
R*(i)＝aR*(i-1)+(1-a)R(i) (4)
其中，R*(i)为滤波后的运动曲线，R(i)为滤波前的运动曲线，a为滤波系数。
步骤S3根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列，具体为：
根据运动曲线提取不同时相，将不同时相的对应位置分别进行帧图像提取，生成不同运动形态的成像目标图像，从而得到相对应的二维超声图像序列；其中，运动曲线的横坐标为二维图像序列的帧数编号，纵坐标为归一化幅值，运动曲线的不同幅度值对应不同时相的二维图像，即不同运动形态的成像目标图像。
如图2所示，本实施例中选取了两个运动时相，分别对应运动曲线中的波谷和波峰，将波谷和波峰对应的二维图像序列分别进行三维重建并显示，即实现对运动目标的三维超声成像，曲线的所有波峰对应的二维图像序列，对应成像目标的同一种运动形态，记为A形态；曲线的所有波谷对应的二维图像序列，对应成像目标的另一种形态，记为B形态；通过对运动曲线的波峰、波谷位置的提取，即可得到不同运动时相的二维超声图像序列；除了波峰波谷之外，运动曲线的其它中间位置也可以提取出来，对应成像目标的其它运动时相。
根据运动曲线提取时相，实际上就是寻找运动曲线上某些特征值，如波峰、波谷等对应的横坐标位置，具体的方法可以采用阈值法。阈值法的过程是先找到运动曲线大于幅度阈值的所有点位置，然后剔除这些点中点间隔小于间隔阈值的点，最终留下的点即为波峰点，波谷点的定位过程与波峰点类似，区别是首先要寻找的是小于幅度阈值的所有点位置。
步骤S4将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像，如图3所示，具体为：
根据不同时相提取对应的二维图像序列，将不同时相对应的二维超声图像序列分别存储，以备后续分别进行三维重建，由于三维重建不仅需要二维图像序列，还需要每帧二维图像对应的实际空间位置，所以在对不同时相的二维超声图像进行存储的同时，也要存储对应的空间位置；通过将不同时相对应的二维超声图像序列与每帧二维图像对应的空间位置相结合，从而实现三维重建。
本实施例中步骤S4之后还包括：根据时相在运动曲线上的先后位置，将重建的三维超声图像依次进行显示。
具体地，对不同时相的二维图像序列分别进行三维图像重建并显示，按照不同时相在运动曲线上的先后位置，按顺序显示三维超声图像的重建结果，以供用户查看。
本实施例与现有技术相比，具有以下有益效果：
本实施例不需要额外的采集辅助图像，可以根据运动目标的二维超声图像序列进行不同运动时相的区分，准确度更高，计算复杂度较低，操作简便，提升了医生的检查效率。
实施例二：
本实施例提供一种基于运动目标的三维超声成像方法，与实施例一的不同之处在于：
本实施例中采集运动目标的二维超声图像序列之后还包括截取和降采样处理，能够减小计算复杂度、降低计算的耗时。
其它具体实施步骤可以参考实施例一。
实施例三：
如图4所示，本实施例提供一种基于运动目标的三维超声成像***，包括：
采集模块11，用于采集运动目标的二维超声图像序列；
第一提取模块12，用于根据二维超声图像序列提取运动曲线；
第二提取模块13，用于根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；
重建模块14，用于将不同时相的二维超声图像序列进行分类，并分别进行三维超声图像重建，以形成三维超声图像。
进一步地，本实施例的***还包括显示模块，用于根据时相在运动曲线上的先后位置，将重建的三维超声图像依次进行显示。
第一提取模块12包括：
处理模块，用于对运动曲线进行滤波平滑处理。
需要说明的是，本实施例提供的一种基于运动目标的三维超声成像***与实施例一相对应，在此不多做赘述。
本实施例与现有技术相比，具有以下有益效果：
本实施不需要额外的采集辅助图像，操作简便，对运动目标的不同运动时相的区分，准确性高，计算复杂度较低，有助于提升医生检查效率。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集运动目标的二维超声图像序列；
S2、根据二维超声图像序列提取运动曲线；
S3、根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；
S4、将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，所述步骤S2中根据二维超声图像序列提取运行曲线具体为：
Figure FDA0002991816090000011
其中，I为二维超声图像序列，F为帧数，M、N分别为每帧图像像素的行数和列数，R为提取到的运动曲线，Trans为提取方法。
3.根据权利要求2所述的一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，所述提取方法Trans包括主成分分析法、独立成分分析法。
4.根据权利要求1所述的一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
对运动曲线进行滤波平滑处理，具体为：
R*(i)＝aR*(i-1)+(1-a)R(i)
其中，R(i)为滤波前的运动曲线，R*(i)为滤波后的运动曲线，a为滤波系数，i为当前帧索引。
5.根据权利要求1所述的一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
根据运动曲线提取不同时相，将不同时相的对应位置分别进行帧图像提取，生成不同运动形态的成像目标图像，从而得到相对应的二维超声图像序列。
6.根据权利要求1所述的一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
将不同时相对应的二维超声图像序列与每帧二维图像对应的空间位置相结合，以实现三维重建。
7.根据权利要求1所述的一种基于运动目标的三维超声成像方法，其特征在于，所述步骤S4后还包括：根据时相在运动曲线上的先后位置，将重建的三维超声图像依次进行显示。
8.一种基于运动目标的三维超声成像***，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集运动目标的二维超声图像序列；
第一提取模块，用于根据二维超声图像序列提取运动曲线；
第二提取模块，用于根据运动曲线的不同时相，提取对应的二维超声图像序列；
重建模块，用于将不同时相的二维超声图像序列分别进行三维重建，以形成三维超声图像。
9.根据权利要求8所述的一种基于运动目标的三维超声成像***，其特征在于，还包括：
显示模块，用于根据时相在运动曲线上的先后位置，将重建的三维超声图像依次进行显示。
10.根据权利要求8所述的一种基于运动目标的三维超声成像***，其特征在于，所述第一提取模块包括：
处理模块，用于对运动曲线进行滤波平滑处理。
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