[发明专利]超声探头自动空间标定方法及装置

说明书

超声探头自动空间标定方法及装置，准确、高效且易于使用，即使在图像成像缺失和噪声干扰的情况下也可以正确识别，即使没有经验的用户也可以执行精确的探头标定。方法包括：(1)设计一种扩展N线标定体模，通过在横向和纵向上排布多个N线结构，增加超声图像中的有效基准点数量；(2)基于扩展N线标定体模超声图像进行快速标定：通过斑点分割、平行线限制和基准点识别的步骤准确识别所有斑点编号，并通过非线性迭代优化方法计算出超声探头标定矩阵。

技术领域

本发明涉及医学图像处理的技术领域，尤其涉及一种超声探头自动空间标定方法，以及超声探头自动空间标定装置。

背景技术

徒手跟踪超声成像是一种廉价，安全，无创的技术，跟踪允许将超声波与其他方式进行配准以进行计划和导航。尽管存在3D超声探头，但B型或2D探头由于其相对较高的图像质量和较低的成本而在临床实践中仍被广泛使用。

为了进行有效的可视化和导航，使用手持式探头获取的2D US切片必须与患者的基础3D解剖结构相关，包括其他相关信息，例如诊断3D MR或CT扫描。通常，这需要将跟踪器牢固地连接到常规超声探头上，通过外部跟踪系统(例如，光学或电磁跟踪器)连续地监视跟踪器，从而实时提供US探头的位置和方向。这种超声引导的导航系统的关键组成部分是标定2D US图像平面与探头跟踪器之间的刚性转换矩阵。

由于标定原理简单，基于N线模型的标定方法仍然是应用最为广泛的方法。在经典的N线体模中，每层N线由两条平行线和一条斜线组成，只有中间斜线的基准点才是有效基准点。对于3个N线的标定体模，每张图像上的有效基准点只有3个，需要采集大量不同位置的图像才得到稳定的标定结果。理论上，可以增加单张图像特征点的数量，从而提高标定过程的效率。Pagoulatos首先使用了多层N线标定体模来提高标定效率。但是该方法中的N基准点识别是通过手动选点完成，每张图需要大约2分钟。Lindseth提出了使用多层金字塔N线体模实现超声探头标定，证明了多层N线体模标定精度优于单点体模和交叉线体模。Hsu设计了一种多层N线体模，其体模需要使用一个薄膜作为地标去辅助分割所有基准点。但是该方法不能够识别位于平行线上的斑点噪声。此外，该方法要求检测到超声图像中的全部N线基准点，缺少任意一个基准点都无法标定。因此，多层N线结构增加了特征的识别难度，尤其是对于图像伪影较多的低频超声探头，因为相似尺度的图像伪影和噪声有时会被误认为是图像特征。此外，在标定过程中还需要考虑斑点识别的准确性。在超声图像中，不同位置斑点的形态结构都不一样，在靠近探头位置斑点成像质量较好，远离探头的位置，图像伪影变大，影响斑点识别的准确性，从而影响标定结果准确性。

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超声探头自动空间标定方法，其准确、高效且易于使用，即使在图像成像缺失和噪声干扰的情况下也可以正确识别，即使没有经验的用户也可以执行精确的探头标定。

本发明的技术方案是：这种超声探头自动空间标定方法，其包括以下步骤：

(1)设计一种扩展N线标定体模，通过在横向和纵向上排布多个N线结构，增加超声图像中的有效基准点数量；

(2)基于扩展N线标定体模超声图像进行快速标定：通过斑点分割、平行线限制和基准点识别的步骤准确识别所有斑点编号，并通过非线性迭代优化方法计算出超声探头标定矩阵；

所述步骤(1)中，扩展N线标定体模的导线孔为三角形，设计多层并且每层上有两个以上的N线结构，一种线为N的斜线，另一种线为N的平行线，将三维N线连接方式投影在前面板上，根据前后面板交点位置定义每条线的编号；在设计连线方式上，上下相邻两层的结构不重复，斜线两端点的水平方向距离小于30mm，相邻层之间的宽度为10mm，共有12层N线，模型中共有51根平行线和33根斜线，采用集合表示体模的l层线集，其中第i层线集中包含：个平行线w^p、个斜线w^o。