[发明专利]基于二维超声图像的四维重建方法及装置

说明书

基于二维超声图像的四维重建方法及装置，利用机械臂夹持系统固定2D US探头分别采集训练数据以及测试数据，测试数据采集过程中利用贴在患者左腹部的定位磁片实时记录该位置处的空间位置信息，针对采集到的训练数据根据相邻位置切片间的连续性进行正样本对以及负样本对的划分，建立连续性预测网络，在重建阶段，结合呼吸信号的相似性以及图像内容的连续性实现对2D US切片序列的4D重建，建立插值网络，将不存在切片缺失的重建图像叠加人为生成的掩模版后提取矢状面切片作为网络输入，以未叠加掩模版的原始重建图像矢状面切片作为金标准进行学习，获得插值模型，在测试阶段实现对待插值图像的补全。

技术领域

本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种基于二维超声图像的四维重建方法，以及基于二维超声图像的四维重建装置，适用于四维超声成像领域与基于超声图像引导的微创手术领域。

背景技术

近年来，4D(四维)成像的发展为研究者和医生提供了三维器官或病灶的呼吸运动，在临床阶段具有优异的病变检测能力。4D成像能采集到不同呼吸阶段下器官或病灶部位的3D图像，组成一个具有3D运动的4D(3D+t)的图像序列。例如4D核磁共振成像(MRI)、4D计算机断层扫描(CT)，将人体内部的三维呼吸运动可视化，更好的辅助医生掌握其器官运动的规律。

目前医学图像领域常用的成像技术主要有：电子计算机断层扫描成像(CT)、磁共振成像(MR)以及超声成像(US)。而在4D图像中，MR/CT具有高分辨率成像的能力使得组织结构变得清晰。但其缺点在于两类图像除了漫长的采集过程外，CT成像过程中的辐射会对人体造程二次伤害，而MR成像成本高价格，相对昂贵，加大了患者的经济负担。相比之下，超声以实时性、安全性和低成本的独特优势在肝脏肿瘤治疗中得到了广泛的应用。受呼吸影响，肝脏会周期性地沿头足方向发生移动。传统的2D超声图像无法完全跟踪肝脏器官的这种3D运动。因此，时间依赖性结构重建(即4D重建)对于捕获呼吸诱导的肝脏运动具有重要意义。此外，目前3D US探头可以提取到实时性较好的3D US图像，但相比于传统的2D US，3D US探头的价格昂贵，所获取的3D US图像视野有限、分辨率低，且具有高声阻抗的结构会导致遮挡，使得图像采集不完全。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于二维超声图像的四维重建方法，其能够避免治疗中对患者造成的二次伤害，降低成本的同时简化操作，利用普通的2D US探头进行重建数据的采集，以提供大视角、高质量的4D US图像。

本发明的技术方案是：这种基于二维超声图像的四维重建方法，其包括以下步骤：

(1)利用机械臂夹持系统固定2D US探头分别采集训练数据以及测试数据，测试数据采集过程中利用贴在患者左腹部的定位磁片实时记录该位置处的空间位置信息；

(2)针对获得的磁片记录信息，利用主成分分析法PCA对其进行降维得到一维信号，作为该患者的呼吸信号并对呼吸信号进行分段处理；针对采集到的训练数据根据相邻位置切片间的连续性进行正样本对以及负样本对的划分；

(3)建立连续性预测网络，将制作好的正样本对以及负样本对作为网络输入，分别以1和0作为标签进行学习，获得连续性预测模型；在重建阶段，结合呼吸信号的相似性以及图像内容的连续性实现对2D US切片序列的4D重建；

(4)建立插值网络，针对重建过程中由于引入呼吸信号限制而导致个别呼吸相位下某些位置处缺少合标准切片的现象，对重建图像进行插值补全；将不存在切片缺失的重建图像叠加人为生成的掩模版后提取矢状面切片作为网络输入，以未叠加掩模版的原始重建图像矢状面切片作为金标准进行学习，获得插值模型，在测试阶段实现对待插值图像的补全。