用于超聲圖像的3d獲取的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于超聲圖像的3D獲取的方法和系統(tǒng)
[0001] 說明書
[0002] 本發(fā)明涉及在生物軟組織的超聲（US)成像中使用的方法和系統(tǒng)。更具體地，其涉 及具有向用戶交互實(shí)時(shí)反饋的US獲取協(xié)議。方法允許對(duì)用于（不限于）圖像引導(dǎo)的手術(shù) 或診斷干預(yù)以及在此期間的感興趣的特定的解剖結(jié)構(gòu)的快速和準(zhǔn)確的成像和定位。尤其是 內(nèi)部器官，諸如肝臟。另外，本發(fā)明確保特別是對(duì)于診斷、分割（例如將數(shù)字圖像分割為與 諸如血管等成像對(duì)象的特征對(duì)應(yīng)的兩個(gè)或更多的區(qū)域）和登記的進(jìn)一步圖像處理的滿意 圖像內(nèi)容。
【背景技術(shù)】
[0003]由于基于解剖結(jié)構(gòu)的3D表示的應(yīng)用的高潛能，三維（3D)超聲成像被增加使用并 且變得在臨床環(huán)境中廣泛地使用。在傳統(tǒng)的二維（2D)超聲成像中，醫(yī)師在用手移動(dòng)超聲換 能器的同時(shí)在感興趣的區(qū)域獲取一系列圖像?；谒褂玫膭?dòng)作模式和內(nèi)容，他隨后執(zhí)行 基礎(chǔ)解剖的心理上的3D重建。這種心理過程具有各種缺點(diǎn)：丟失定量信息（解剖結(jié)構(gòu)之間 的距離、與其他器官相關(guān)的準(zhǔn)確位置之間的距離等）以及結(jié)果3D信息依賴于并且僅被知曉 于執(zhí)行掃描的醫(yī)師。
[0004] 使用3D超聲（US)成像以及圖像數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理顯著地幫助消除上述缺陷。3D回 波描記術(shù)（echography)的另外的益處如下：在3D體中保留了在所謂的2D切片當(dāng)中的空間 關(guān)系，其允許由另一個(gè)醫(yī)師預(yù)先記錄的超聲圖像的離線檢測(cè)。使用所謂的任意平面切片技 術(shù)，由于被患者的其他結(jié)構(gòu)施加的幾何約束導(dǎo)致不能被獲取的圖像平面現(xiàn)在可以被容易地 渲染。另外，可以通過體可視化以及準(zhǔn)確體評(píng)估[1]大大改善診斷任務(wù)。
[0005] 使用復(fù)雜的超聲系統(tǒng)獲取3DUS-圖像，在各種專利申請(qǐng)中對(duì)其進(jìn)行了描述。主要 存在兩個(gè)方法獲得3D數(shù)據(jù)：其一是使用允許掃描感興趣體的2D相位陣列探針，另一個(gè)是從 使用在感興趣區(qū)域上移動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)超聲獲取的一系列2D圖像重建3D體。
[0006] 2D相位陣列探針技術(shù)使用壓電元件的二維陣列。通過電氣地導(dǎo)引陣列元件來掃描 體。已經(jīng)介紹專用3DUS探針用于主要在產(chǎn)科和心臟成像中的實(shí)時(shí)3D體獲取。典型的設(shè) 備示例是V〇丨uson? 730 (GE醫(yī)療系統(tǒng)）和:iU22D(飛利浦醫(yī)療系統(tǒng)，Bothell,WA,USA)。 兩個(gè)系統(tǒng)都旨在所有空間方向（軸向、橫向和立向）上生成具有典型40體每秒的高獲取率 的高質(zhì)量3DUS圖像。使用這種技術(shù)可以獲得完整填充的3D體。
[0007] 此技術(shù)的主要缺點(diǎn)是視野被探針的尺寸限制并且如此的探針昂貴并且只存在于 高端超聲設(shè)備中。一個(gè)替代是如[2]、[3]所提議的、從一系列2D圖像中組合3D掃描。這 種技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)超聲探針（1-D壓電陣列）以及掃描感興趣區(qū)域的不同方法（探針解譯、探 針旋轉(zhuǎn)、使用探針位置追蹤的自由臂掃描）。用于3D圖像的超聲系統(tǒng)、探針和方法是現(xiàn)有技 術(shù)并且在[4-10中]被描述。在所謂自由臂超聲探針的情況下，需要自由臂超聲校準(zhǔn)[11]。 為了確保均勻并且完全填滿3D體，可以使用均勻速度、相等方向和角度執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取，如 [6]所述。為了克服獲取偽影，復(fù)雜的重建以及組合算法已經(jīng)在US6012458Aand[12]中作 為示例被描述。
[0008] 3D超聲的新興應(yīng)用是其使用在操縱軟組織手術(shù)的登記中。手術(shù)操縱系統(tǒng)用于基于 3D圖像數(shù)據(jù)引導(dǎo)醫(yī)師，經(jīng)常在手術(shù)之前在計(jì)算機(jī)斷層攝影（CT)或磁共振成像（MRI)中獲取 3D圖像數(shù)據(jù)。因?yàn)檐浗M織在成像和手術(shù)之間的時(shí)間中可以變形和移動(dòng)，所以需要附加手術(shù) 期間信息數(shù)據(jù)以將手術(shù)前圖像數(shù)據(jù)扭曲（登記）到做手術(shù)的患者。作為實(shí)時(shí)、非侵入和通 ?？色@取的，超聲成像是用于獲取如此手術(shù)期間數(shù)據(jù)的有前途的形態(tài)。如上述，尤其3D超 聲成像很適合獲取這樣在器官動(dòng)作和變形上的信息。
[0009] 所有3D超聲獲取技術(shù)面臨的共同挑戰(zhàn)是圖像質(zhì)量上的變化和指示對(duì)于進(jìn)一步的 圖像處理（諸如診斷、分割和登記）獲取的數(shù)據(jù)是否充足的措施的缺乏。用于進(jìn)一步處理 的圖像數(shù)據(jù)的適合性取決于圖像內(nèi)容，感興趣的結(jié)構(gòu)和背景之間的對(duì)比、圖像中存在的偽 影的數(shù)量以及圖像均勻性和體掃描的密度。一旦完成掃描或者回顧進(jìn)一步處理（例如在導(dǎo) 引手術(shù)中獲取3D數(shù)據(jù)集、以及嘗試注冊(cè)以及分析注冊(cè)結(jié)果）的結(jié)果后，執(zhí)行掃描的用戶就 經(jīng)常訪問所有這些因素。如果掃描的結(jié)果是不充足的，則需要重復(fù)整個(gè)獲取處理-這浪費(fèi) 時(shí)間并且是冗長(zhǎng)的，因?yàn)槠洳淮_定是否掃描的反復(fù)導(dǎo)向更好的結(jié)果。
[0010] 用于在超聲獲取期間引導(dǎo)/反饋的現(xiàn)有技術(shù)的可用狀態(tài)可以被分類為
[0011] -用于獲取期望的圖像內(nèi)容的引導(dǎo)
[0012] -用于定期換能動(dòng)作的引導(dǎo)
[0013]-基于解剖學(xué)的通用模型的3D成像的引導(dǎo)
[0014] 如下面的附圖所討論的：
[0015] 用于獲取期望的圖像內(nèi)容的引導(dǎo)
[0016] 在US2012065510中所獲取的B-模型的內(nèi)容與期望的圖像的模型比較以便訓(xùn)練 用戶獲取解剖結(jié)果的期望視圖。對(duì)于每個(gè)獲取的圖像計(jì)算期望目標(biāo)圖像的配合質(zhì)量測(cè)量并 且將其顯示給用戶。用戶隨后移動(dòng)超聲探針直到獲取具有充足配合的圖像。此方法提供了 2D圖像的圖像質(zhì)量的反饋但是沒有提供如何改善圖像質(zhì)量的精確建議，也沒有給出用于進(jìn) 一步處理的圖像的使用性的指示。
[0017] 在US2007016016中提出用于圖像處理的通用交互助理。助理將所獲取的圖像與 預(yù)先存儲(chǔ)的目標(biāo)圖像比較。如果所獲取的圖像和目標(biāo)圖像的類似度不充足，則助理嘗試推 薦用于改善圖像質(zhì)量的動(dòng)作。如先前討論的專利中，直接比較兩個(gè)圖像的圖像內(nèi)容并且不 考慮進(jìn)一步處理步驟。
[0018] 用于宙期換能動(dòng)作的引導(dǎo)
[0019] 在US005645066中描述了用于引導(dǎo)自由臂3D掃描的系統(tǒng)。該方法訓(xùn)練用戶在期 望的感興趣區(qū)域以常規(guī)速度移動(dòng)以獲得2D超聲圖像的常規(guī)間隔的組，其隨后被組合為3D 體。被圖形地提供的反饋表示用戶用于組合的圖像緩沖的填充量組合，而沒有調(diào)查圖像質(zhì) 量或給出生成的3D圖像體的任何信息。
[0020] 在US2012108965中描述了用于教導(dǎo)用戶執(zhí)行用于彈性造影成像的正確的探針 動(dòng)作的方法。通過在US探針內(nèi)部使用諸如加速計(jì)等傳感器，其動(dòng)作被測(cè)量并且與用于彈性 造影成像的期望動(dòng)作模式比較。系統(tǒng)隨后向操作者提供可視或聽覺型反饋以便促進(jìn)正確的 動(dòng)作。此系統(tǒng)限制于在換能器空間內(nèi)感應(yīng)動(dòng)作并且不提供針對(duì)圖像內(nèi)容的質(zhì)量的任何反 饋。
[0021] 在US20090036775中描述了用于可視化腹腔鏡檢查超聲成像期間的掃描進(jìn)展的 方法。基于換能器的方位測(cè)量，以3D顯示所獲取的超聲圖像并且如果掃描中存在空隙或如 果掃描速度過快或過慢則高亮顯示超聲圖像周圍的幀。這使得用戶能夠重新掃描缺失區(qū)域 并且確保達(dá)到常規(guī)探針動(dòng)作。如上述專利中，沒有提供針對(duì)圖像內(nèi)容的反饋。
[0022] 基于解剖學(xué)的通用樽銦的3D成像的引導(dǎo)
[0023] 在EP1929956中描述了用于引導(dǎo)心臟超聲的獲取的裝置。系統(tǒng)具體地顯示具有3D 解剖模型的US圖像平面的交叉以便評(píng)估心臟上的數(shù)據(jù)獲取中的進(jìn)展?；痉治霰灰虼讼?制為圖像的幾何位置并且不包括關(guān)于圖像數(shù)據(jù)的后續(xù)使用的附加標(biāo)準(zhǔn)。
[0024] 在US20080187193中提出了形成用于US掃描的引導(dǎo)圖像的裝置。基于獲取的一 系列圖像，選擇最適合的3D形狀模型并且將其顯示到用戶。此3D形狀模型隨后作用為用 于相同結(jié)構(gòu)的后續(xù)成像的引導(dǎo)圖像。這使能系統(tǒng)掃描和重要解剖特征的高效定位。裝置旨 在向特定目標(biāo)位置引導(dǎo)超聲掃描但是不著眼于獲得期望的、預(yù)定義質(zhì)量的3D體圖像。
[0025] 基于上述描述，本發(fā)明的基本問題是提供一種緩和3D超聲數(shù)據(jù)集的獲取，即對(duì)象 (例如身體或身體部位，特別是患者的諸如肝臟的器官）的感興趣體的3D模型，并且特別允 許檢查所獲取的3D模型的質(zhì)量以便能夠確保獲取的3D模型的具體進(jìn)一步使用的方法和系 統(tǒng)。
[0026] 通過具有權(quán)利要求1的特征的方法和具有權(quán)利要求15的特征的系統(tǒng)解決了此問 題。在對(duì)應(yīng)的子權(quán)利要求中分別聲明了優(yōu)選實(shí)施例并且描述如下。
[0027] 依據(jù)權(quán)利要求1根據(jù)本發(fā)明的方法包括步驟：提供對(duì)象（例如個(gè)人/患者的身體 部位或身體，比如諸如肝臟的器官）的預(yù)先獲取的3D圖像或模型（即對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集），在顯示 器（例如，計(jì)算機(jī)的圖像用戶界面（GUI))上顯示所述預(yù)獲取圖像，在所述預(yù)獲取圖像（例 如，在具有與顯示器連接的計(jì)算機(jī)的GUI幫助的顯示器）中選擇對(duì)象的感興趣體（例如，應(yīng) 被檢查的對(duì)象的特定體），并且特別地通過對(duì)應(yīng)地針對(duì)對(duì)象（例如患者的身體上）定位超 聲（US)探針來針對(duì)所述預(yù)獲取圖像（的本地坐標(biāo)系統(tǒng)，例如）調(diào)節(jié)所述感興趣體的空間位 置，特別針對(duì)所述預(yù)獲取圖像在所述顯示器上可視化所述感興趣體（也表示為V0I)的當(dāng)前 空間位置，特別以實(shí)時(shí)，并且特別在所述顯示器上顯示通過超聲波探針的方式在感興趣體 中以實(shí)時(shí)獲取的當(dāng)前（例如2D)超聲圖像，其中特別在顯示的預(yù)獲取3D圖像上覆蓋感興趣 體的可視化，并且特別地使用所述超聲探針的當(dāng)前空間位置在所述顯示器上更新感興趣體 的可視化，特別地使用追蹤系統(tǒng)確定其超聲探針的當(dāng)前空間位置（例如，在所謂空間固定、 患者固定或相機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)中）。
[0028] 現(xiàn)在，當(dāng)如計(jì)劃選擇或調(diào)節(jié)感興趣體的空間位置時(shí)（隨后V0I在感覺上保持不再 被調(diào)節(jié)的靜態(tài)），觸發(fā)在所述感興趣體中的超聲圖像的獲取以便生成在所述感興趣體中的 所述對(duì)象的3D模型（即表示模型或可選地3D超聲圖像的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集），其中特別通過所 述超聲探針的方式，特別通過針對(duì)對(duì)象（例如在感興趣體上）的超聲探針的預(yù)定姿態(tài)的具 體運(yùn)動(dòng)，或超聲探針的特定預(yù)定義位置或通過預(yù)定時(shí)期內(nèi)不移動(dòng)超聲探針或者甚至自動(dòng)地 來執(zhí)行所述觸發(fā)；并且在沿著感興趣體或在感興趣體上移動(dòng)超聲探針（例如優(yōu)選在對(duì)象的 V0I中可以獲取圖像的對(duì)象上或者跨越該對(duì)象移動(dòng)超聲探針）的同時(shí)通過在用于生成所述 3D模型的感興趣體中的所述超聲探針的方式獲取（特別是術(shù)中）多個(gè)超聲圖像，其中在所 述顯示器上以實(shí)時(shí)特別顯示當(dāng)前圖像，其中在所述顯示器上以二維和/或三維（例如在顯 示器上表示的3D觀察器中）顯示當(dāng)前圖像，其中特別在顯示的預(yù)獲取圖像上重疊所述三維 顯示當(dāng)前超聲圖像，并且自動(dòng)確定當(dāng)前超聲圖像在感興趣體是否具有像素，其中在當(dāng)前圖 像在感興趣體中沒有像素的情況下，自動(dòng)丟棄當(dāng)前圖像（即沒有組成到3D模型/超聲圖像 中），否則（即當(dāng)圖像在VOI中具有像素或體素時(shí)）分割當(dāng)前超聲圖像并且將其組成到要 生成的、在顯示器上實(shí)時(shí)顯示的所述3D模型并且特別地被重疊到顯示的預(yù)獲取圖像上，其 中特別在將新的當(dāng)前超聲圖像組成到3D模型的情況下，更新顯示器上的顯示的3D模型并 且在所述獲取所述超聲圖像時(shí)自動(dòng)確定用于要生成的3D模型的質(zhì)量測(cè)量，其中一旦所述 質(zhì)量測(cè)量已經(jīng)達(dá)到預(yù)定水平，就結(jié)束所述獲取所述超聲圖像，其中特別地所述質(zhì)量測(cè)量至 少是其中之一：在感興趣體中掃描的單個(gè)（2D)超聲圖像的數(shù)量，在感興趣體中獲取的超聲 圖像的（3D)密度（例如在掃描的像素或體素以及VOI的像素或體素的數(shù)量（即VOI體） 之間的比率），具體圖像特征的數(shù)量和/或分布，特別是在感興趣體（例如，諸如腫瘤、血管 等）中分割的解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)量，以及用于掃描超聲圖像的定時(shí)。也可以應(yīng)用其他標(biāo)準(zhǔn)。
[0029] 例如，在獲取的（2D)超聲圖像超過預(yù)定數(shù)量的情況下停止獲取，或者在V0I中的 2D超聲圖像的密度超過預(yù)定密度值的情況下停止獲取，或者在檢測(cè)到具體圖像特征的特定 數(shù)量和/或分布的情況下停止獲取，或者在預(yù)定時(shí)期后（