[发明专利]一种从三维断层成像中提取及融合二维图像的方法

权利要求书

1.一种从三维断层成像中提取及融合二维图像的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用X光断层成像仪器，对目标三维空间发射X光信号，使用断层成像重建目标三维空间图像；

步骤2，使用超声传感器对目标三维空间进行探测，采集信号并重建当前探测平面内的图像；

步骤3，利用位移传感器和角度传感器检测出超声传感器在三维空间中的位置和角度信息；

步骤4，结合超声传感器的位置和角度信息，从三维X光断层图像中提取当前探测平面的二维图像并与超声图像进行图像融合；

步骤1中，所述X光断层成像仪器包括一组用于发射和接收X光信号的环形传感器，环形传感器能够自由移动来对三维空间的不同截面成像；

在对目标三维空间发射并采集X光信号时，环形传感器设定的工作模式是全角度发射模式，即环形传感器上每一个角度的传感器元轮流发射信号，而所有的传感器元同时开启接收模式接收信号；

采集X光信号时，X光环形传感器采集的信号包括X光穿透目标三维空间后的传输信号，发射与采集的过程都由环形传感器实时进行；

步骤2中，所述超声传感器是线阵超声传感器，包括一组以上的线性排列的传感器元组，线阵超声传感器通过手持方式自由控制，在对目标三维空间发射与采集超声信号过程中，能够对目标三维空间的任意位置进行探测；

步骤2中，在对目标三维空间发射并采集超声信号时，线阵超声传感器设定的工作模式是同一组传感器元发射并接收，发射超声信号时，超声传感器使用一组线阵传感器元协同工作，发射波束形成后的波阵列，或者让每一个传感器元单独工作，各自发射信号；

采集超声信号时，超声传感器采集的信号是目标三维空间内对超声波的反射信号，发射与采集的过程都由线阵超声传感器实时进行；

步骤2中，所述重建当前探测平面内的图像，使用的重建信号是线阵超声传感器采集到的目标三维空间对超声波的反射信号，使用的重建方法是基于反射信号的波束形成以及延时叠加重建方法：

波束形成法，是利用线阵传感器发射不同时延的信号使信号能够聚焦在一个区域或者一个方向，信号聚焦后能够增加该区域或该方向上的图像质量，图像重建时需要使用波束发射时采用的时延；

延迟叠加法，在接收信号延迟叠加时，延迟是对应波束形成时的发射信号延迟，通过延迟后的叠加能够重建出发射信号的聚焦成像区域，对于沿一个方向聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：

其中d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，round代表四舍五入取整函数，i_n代表第n个传感器元，pitch代表传感器元的长度，θ代表发射波阵面聚焦的方向角，c₀代表成像区域的背景声速值，dt代表抽样时间间隔，对于沿一个区域聚焦的波束形成，信号延迟的计算公式为：

其中F代表聚焦区域中心点与传感器阵列中心之间的距离；

已知每个传感器元发射信号延迟d_n后，根据传感器元接收的信号重建二维超声图像；

所述根据传感器元接收的信号重建二维超声图像包括如下步骤：

步骤2-1，将每个传感器元接收的信号根据该传感器元的发射信号延迟作时延处理；

步骤2-2，根据二维图像中每个像素点和传感器元之间的距离，将超声接收信号对应叠加到每一个像素点上，从而重建出二维超声图像，计算公式如下：

P_i代表一个截面内二维超声图像中第i个像素点的值，N代表一个线阵超声传感器中传感器元的总数，S_n代表第n个传感器元的接收信号，t表示时间自变量，d_n表示第n个传感器元发射信号的延迟，R_n代表当前计算的像素点与第n个传感器元之间的距离，c₀代表成像区域的背景声速值；

步骤3中所述位移传感器和角度传感器，分别是能够实时监测超声传感器空间位置的传感器和能够实时监测超声传感器角度信息的传感器，通过位移传感器和角度传感器，同步获取当前超声传感器的空间位置和角度信息；

所述空间位置和角度信息，与超声传感器的移动和旋转过程是一一对应的，即超声传感器作出任何的移动和旋转动作，都会通过位移传感器和角度传感器探测到位置坐标和角度信息的变化，并且根据当前超声传感器的位置坐标和角度信息，能够唯一确定超声传感器的移动和旋转过程；

步骤3中所述角度传感器为三轴加速度传感器，其检测角度信息的过程如下：

步骤3-1，以角度传感器芯片所在处为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，即右手背对角度传感器芯片放置，伸出拇指即指向X轴的正方向，伸出食指即指向Y轴的正方向，伸出中指即指向Z轴的正方向，当芯片倾斜时，重力加速度大小为g，所在方向为g轴，X轴方向的加速度大小为A_x，其与水平线夹角为α₁，与重力加速度夹角为α；Y轴方向的加速度大小为A_y，其与水平线夹角为β₁，与重力加速度夹角为β；Z轴方向的加速度大小为A_z，其与水平线夹角为γ₁，与重力加速度夹角为γ，其中α＝90°-α₁，β＝90°-β₁，γ＝90°-γ₁，A_x＝gcosα，A_y＝gcosβ，A_z＝gcosγ；

步骤3-2，根据g轴和X、Y、Z轴间的几何关系得到：

步骤3-3，计算出角度和加速度之间的关系：

tanα₁表示角度α₁的正切值，tanβ₁表示角度β₁的正切值，tanγ₁表示角度γ₁的正切值，根据这组公式实时得到超声传感器的角度信息；

步骤3中，所述位移传感器为Kinect体感检测装置，Kinect体感检测装置使用两个景深摄像头和一个彩色摄像头进行图像采集，通过后续对图像的处理分析可以实现即时动态捕捉、影像辨识以及物体的空间定位功能，当应用于超声传感器的空间位置检测时，Kinect体感检测装置设定一片固定的三维空间区域作为检测区域，以两个景深摄像头之间基线的中点作为原点，根据右手定则建立三维直角坐标系，右手背对景深摄像头放置，拇指方向即摄像头间基线的方向为X轴，食指方向即为Y轴，中指方向即景深摄像头的拍摄方向即为Z轴，通过动态捕捉技术实时捕捉检测区域内设定好的超声传感器，在确定超声传感器三维空间坐标的过程中，通过物体跟踪识别，Kinect体感检测装置在二维平面上定位物体的坐标(x,y)，对于Z轴方向上深度的定位，Kinect使用光源点阵编码技术，通过投射点阵光源以及捕捉反射回来的点阵，Kinect体感检测装置根据如下公式计算出被检测物体的深度，即Z轴坐标：

其中，z是深度，即Z轴坐标，b1是Kinect体感检测装置两个景深摄像头之间的基线长度，f是摄像头的焦距，d是视差距离，根据该计算公式，Kinect体感检测装置的空间定位功能能够实时监测超声传感器的移动，从而判断出传感器的实时三维空间坐标，即空间位置信息；

步骤4包括：

步骤4-1，将目标三维空间模拟为长方体，其任意一顶点所在处为原点，建立三维直角坐标系，每一次进行探测时，位移传感器会检测到超声传感器的空间坐标(x,y,z)，角度传感器能检测出超声传感器的空间角度(α₁,β₁,γ₁)，设超声传感器阵列由N1个传感器组成，总长度为L，每个传感器元的长度为探测深度为D，以超声传感器阵列的中间点为探测点，则超声传感器阵列的两个顶点坐标(x₁，y₁)和(x₂，y₂)分别为：

根据超声传感器顶点的坐标以及超声传感器的探测深度计算出探测到的二维图像的另外两个顶点(x₃，y₃)和(x₄，y₄)，其坐标分别为：

x₃＝x₁+Dcosγ₁,y₃＝y₁+Dsinγ₁，

x₄＝x₂+Dcosγ₁,y₄＝y₂+Dsinγ₁，

根据这四个顶点坐标，确定当前超声传感器探测平面内所有像素的坐标；

步骤4-2，以超声传感器阵列中的传感器元的长度W作为空间采样间隔，将当前超声传感器探测平面内所有像素的连续坐标值离散化，非整数坐标值按四舍五入法进行整数化，当二维探测平面内所有的像素坐标都确定后，根据这些坐标从三维X光断层图像中提取对应的像素值，即得到当前探测平面内的X光断层图像，接着对超声图像和X光断层图像进行图像融合，采用线性融合公式：

f(x_i)＝aμ(x_i)+br(x_i)+c,

其中x_i是二维方向向量，用于表示当前像素点在二维图像中的位置，i表示二维图像中每一个像素点的索引值，f(x_i)表示融合后的图像当前像素点的值，μ(x_i)表示当前像素点X光断层图像的强度值，代表的物理含义是当前探测位置上物体对X光的衰减系数，r(x_i)表示当前像素点超声图像的反射系数，其计算公式如下：

其中I(x_i)表示在x_i位置原始超声信号的强度值，p代表的是超声探测装置的动态范围，线性融合公式中的三个融合系数a，b，c用最小二乘法求出，这三个系数必须使如下表达式达到最小值：

其中u(x_i)表示当前像素点超声图像的强度值，根据上述表达式得到融合系数的求解公式如下所示：

根据上述公式计算得到X光断层图像与超声图像的融合图像。