一种基于惯性导航系统的三维超声重建系统

1.本发明属于三维超声成像技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于惯性导航系统的三维超声重建系统。


背景技术：

2.自由臂(free-hand)三维成像，即由人手自由移动超声探头在目标物上作扫描，利用光学三维空间传感技术捕获超声探头的位置及方向信息。目前常用的三维空间传感技术包括空间参照物或信号及相应的探测器。例如，使用电磁发射器来发射电磁波作为参考信号，探测器根据电磁波场强的变化来判断探头的位置和方向变化。再比如，使用安放在探头表面的一个或多个的光学传感器来作为参考物，并使用一个或多个环绕超声探头的摄像头来探测探头的位置及方向。
3.上述的三维空间传感技术各自存在着自身的优点与局限性，其中，对于电磁传感技术而言，其会受到外界电磁波的干扰。而基于光学传感器的技术，在有光线遮挡时会影响其定位。
4.此外，传统的超声成像手术是医生手持超声探头，在患者身上的目标区域移动，采集该区域的超声图像。扫描得到的是二维超声图像，采集到的目标区域的信息有限，且如果通过该图像信息进行手术，还要依靠医生在大脑中将其转化为三维信息，以找到扫描的最佳位置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于惯性导航系统的三维超声重建系统，根据陀螺仪和加速度计的输出建立导航坐标系，解算出运载体在导航坐标系中的位置和姿态，进而实现三维超声图像的重建。
6.为实现上述发明目的，本发明基于惯性导航系统的三维超声重建系统，其特征在于，包括：
7.超声成像模块包括超声探头和移动终端；超声探头对目标的感兴趣区域进行超声扫描，得到某一时刻的二维超声图像，再通过移动终端显示二维超声图像；
8.二维超声成像装置用于存储超声成像模块传递过来的二维超声图像，并将二维超声图像传递给空间信息处理模块；
9.惯性导航系统模块包括陀螺仪和加速度计；其中，陀螺仪用于测量超声探头某一时刻在惯性导航坐标系下的三轴角速度(w
x
,wy,wz)，加速度计用于测量超声探头某一时刻在惯性导航坐标系下的三轴加速度a；
10.空间信息处理模块包括修正单元和校准单元；其中，修正单元获取惯性导航系统模块发送的三轴角速度(w
x
,wy,wz)和加速度a，从而计算出某一时刻相对于0时刻的姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m；将姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m作为超声探头的三维空间信息，那么二维超声图像按照姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m排列在三维空间中得到三维超声图像；
11.校准单元将二维超声图像中每个像素点通过映射转换到三维空间，再用转换得到的三维超声图像校准修正单元得到三维超声图像，然后将校准后的三维超声图像发送给三维重建模块；
12.三维重建模块包括计算机和显示器；计算机先配准惯性导航坐标系和显示器的坐标系，然后建立惯性导航坐标系到医学影像的投影关系；计算机接收到空间信息模块发送的三维超声图像后按照建立的投影关系投影到显示器上，完成三维重建，从而用于引导医生进行手术。
13.本发明的发明目的是这样实现的：
14.本发明基于惯性导航系统的三维超声重建系统，通过超声探头扫描得到二维超声图像，再结合陀螺仪和加速度采集到不同时刻超声探头在惯性导航坐标系下的位置和姿态，而任意时刻超声探头和二维超声图像的关系是固定的，所以可以得到任意时刻二维超声图像在惯性导航坐标系下的相对位姿信息关系，通过三维重建模块将一系列二维超声图像按其相对位置关系和姿态，统一显示在惯性坐标系下，并投影到计算机上以实现三维超声显示，并且能实时引导医生进行手术。
15.同时，本发明基于惯性导航系统的三维超声重建系统还具有以下有益效果：
16.(1)、惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，并以陀螺仪和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺仪和加速度计的输出建立导航坐标系，解算出运载体在导航坐标系中的位置和姿态；相比于传统的电磁传感技术和光学传感器技术，该技术受到外界环境的影响很小，不受外界电磁干扰和光线遮挡的影响；
17.(2)、本发明不需要医生靠经验调整角度找最佳的扫面位置，其可以实时显示三维超声图像；
18.(3)、本发明重建后的三维超声成像精度和稳定性好，那么三维重建后所有二维超声图像拼接后可以实时显示三维超声图像信息，以引导医生进行手术。
附图说明
19.图1是本发明基于惯性导航系统的三维超声重建系统一种具体实施方式架构图；
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
21.实施例
22.图1是本发明基于惯性导航系统的三维超声重建系统一种具体实施方式架构图。
23.在本实施例中，如图1所示，本发明基于惯性导航系统的三维超声重建系统，包括：
24.超声成像模块包括超声探头和移动终端；超声探头对目标的感兴趣区域进行超声扫描，得到某一时刻的二维超声图像，再通过移动终端显示二维超声图像；
25.二维超声成像装置用于存储超声成像模块传递过来的二维超声图像，并将二维超声图像传递给空间信息处理模块；
26.惯性导航系统模块包括陀螺仪和加速度计；其中，陀螺仪用于测量超声探头某一时刻在惯性导航坐标系下的三轴角速度(w
x
,wy,wz)，加速度计用于测量超声探头某一时刻在惯性导航坐标系下的三轴加速度a；
27.在本实施例中，惯性导航系统模块选用捷联式惯性导航系统，惯性导航系统模块具体选用北斗gps车载定位惯性导航模块中科微atgm332d多系统组合，其可以获取精度、高度、航向、速度、位移等信息。惯性导航系统模块集成在超声探头上，即陀螺仪和加速度计集成在超声探头上，那么超声探头对目标的感兴趣区域进行超声扫描时，获得的每一张二维超声图像都显示出其拍摄时的位姿；
28.空间信息处理模块包括修正单元和校准单元；其中，修正单元获取惯性导航系统模块发送的三轴角速度(w
x
,wy,wz)和加速度a，从而计算出某一时刻相对于0时刻的姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m；在本实施例中，姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m的计算方法为：
29.计算姿态角(β
x
,βy,βz)：
30.在x轴，i时刻相对于0时刻转动的姿态角
31.在y轴，i时刻相对于0时刻转动的姿态角
32.在z轴，i时刻相对于0时刻转动的姿态角
33.计算位移m：
34.计算i时刻的速度：
35.计算i时刻相对于0时刻转动的位移：；
36.将姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m作为超声探头的三维空间信息，那么二维超声图像按照姿态角(β
x
,βy,βz)和位移m排列在三维空间中得到三维超声图像；
37.校准单元将二维超声图像中每个像素点通过映射转换到三维空间，再用转换得到的三维超声图像校准修正单元得到三维超声图像，然后将校准后的三维超声图像发送给三维重建模块；
38.三维重建模块包括计算机和显示器；计算机先配准惯性导航坐标系和显示器的坐标系，然后建立惯性导航坐标系到医学影像的投影关系；计算机接收到空间信息模块发送的三维超声图像后按照建立的投影关系投影到显示器上，完成三维重建，从而用于引导医生进行手术。
39.在本实施例中，三维超声图像重建的具体过程为:
40.设0时刻惯性导航坐标系下第j个像素点的坐标为
41.计算三维重建后每个像素点的三维坐标：
42.i时刻x轴重建后的坐标值为：
[0043][0044]
i时刻y轴重建后的坐标值为：
[0045][0046]
i时刻z轴重建后的坐标值为：
[0047][0048]
当计算完每个像素点三维重建后的坐标值后，从而得到重建后的三维超声图像。
[0049]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。