自由式三维超声成像方法、装置和系统的制作方法[0002]二维超声在临床获得了许多应用，但是也存在着很多局限性:人体器官原本是三维的，医生在诊断、治疗时只能在头脑中用众多二维超声图像重建出人体的三维结构，如此导致效率降低并容易造成误诊。三维超声成像显示直观，在采集了人体器官的三维数据后，能直观地显示感兴趣部位的三维立体结构，取代了以往凭医生经验重建三维图像的过程。同时，医生可通过人机交互技术实现任意切面的显示，为医生提供了从不同角度观察脏器提供了可能。三维超声成像可以向医生提供感兴趣器官(如肛肠、食道、腹部肝、肾等)在体内的空间位置及其三维形态，从而为进行人体腔内和体外的超声诊断、介入性手术治疗提供依据。这将有利于减少在治疗中对正常组织的损伤。此外，三维超声可以精确测量结构的参数，能更准确地反映人体器官和病变的形状、体积、轮廓、器官间的邻接等。[0003]传统的三维超声系统主要可以分为四类:三维超声专用容积探头、基于机械臂的三维超声系统、无定位器的三维超声系统、自由式三维超声系统。三维超声专用容积探头是将换能晶片和驱动装置包容于探头内，机械装置驱动晶片做等距的扇扫或环形扫描；而后面三种方式都是利用传统的二维超声设备结合特定的空间定位信息来获取一序列的二维超声图像，然后利用三维超声重建方法生成三维超声体数据。从三维超声的临床应用角度来看，自由式三维超声更符合医生操作习惯和手术室环境，是目前应用前景比较广的一种方案。[0004]传统的自由式三维超声系统主要由传统的二维超声系统、光学或电磁定位系统、图像采集卡、安装 有重建软件系统的图形工作站构成。在超声系统的手持探头上固定一个空间定位传感器，用于获得2D超声检查探头相对于定位系统本身坐标原点的精确空间位置(包括:位置信息、方位信息)。这些空间定位信息数据流将被定位系统的控制单元采集到，并传输到重建软件系统。为了采集每一帧的超声图像，通常给图形工作站安装了一个视频采集卡。[0005]由于自由式三维超声系统的临床应用对实时性要求较高，当前绝大部分的三维超声重建方法，例如:最邻近体素法(Voxel Nearest Neighbor)、最邻近像素法(PixelNearest Neighbor)、距离加权法(Distance Weighted),都是基于简单、速度相对较快的数据插值、拟合算法，特别难于调整插值邻域大小这一参数。如果过大，则会造成重建图像质量的下降(模糊效应)，如果过小，则又可能会在重建的图像中留下较大的空隙。
[0006]基于此，有必要针对传统的三维超声系统重建图像质量差的问题，提供一种能提高图像重建质量的自由式三维超声成像方法和装置。[0007]此外，还有必要提供一种能提高图像重建质量的自由式三维超声成像系统。[0008]一种自由式三维超声成像方法，包括以下步骤:
[0009]根据直接对超声图像采集得到的二维超声图像构建三维的体数据结构；
[0010]将二维超声图像中的各像素分配到所述构建的三维的体数据结构的体数据中，形成已知体素值区域和空体素值区域；
[0011]采用基于方向加权函数根据邻近已知体素值区域对空体素值区域进行插值填补。
[0012]一种自由式三维超声成像装置，包括:
[0013]构建模块，用于根据直接对超声图像采集得到的二维超声图像构建三维的体数据结构；
[0014]分配模块，用于将二维超声图像中的各像素分配到所述构建的三维的体数据结构的体数据中，形成已知体素值区域和空体素值区域；
[0015]填补模块，用于采用基于方向加权函数根据邻近已知体素值区域对空体素值区域进行插值填补。
[0016]一种自由式三维超声成像系统，包括二维超声主机、二维超声探头、空间定位系统和图形工作站；所述空间定位系统与图形工作站相连，所述二维超声探头与二维超声主机相连，所述二维超声主机与图形工作站相连；所述二维超声探头上安装空间定位传感器，所述空间定位传感器用于获取二维超声探头相对于所述空间定位系统自身坐标原点的空间位置，并将所述空间位置发送给所述空间定位系统；所述空间定位系统用于将所述空间位置发送给所述图形工作站；所述二维超声探头用于采集二维超声图像，并将采集的二维超声图像直接发送给所述二维超声主机；所述二维超声主机将所述二维超声图像发送给所述图形工作站；所述图形工作站包括所述的自由式三维超声成像装置。
`[0017]上述自由式三维超声成像方法、装置和系统，因直接对超声图像采集得到所需的二维超声图像，不需进行二次转换，提高了图像质量，通过基于方向加权函数进行插值填补，较好的保存了图像的边缘信息，进一步提高了图像的质量。
[0018]此外，采用沿空体素值区域的边界的法向量方向按距离递增的遍历顺序进行填充，可确保离已知体素值区域的边界近的空体素首先被填写，然后围绕在其邻域的结构可以很好的传播到其最近的空体素中；通过快速步进算法生成的距离进行递增遍历，提高了体数据重建的速度。



[0019]图1为一个实施例中自由式三维超声成像系统的应用示意图；
[0020]图2为一个实施例中自由式三维超声成像方法的流程图；
[0021]图3为一个实施例中根据直接对超声图像采集得到的二维超声图像构建三维的体数据结构的步骤的流程图；
[0022]图4为包围盒确定示意图；
[0023]图5为采用基于方向加权函数对空体素值区域填补的示意图；
[0024]图6A为采用沿空体素值区域的边界的法向量方向按距离递增的遍历顺序进行填充的示意图；
[0025]图6B为传统的线性遍历方式；[0026]图7为一个实施例中自由式三维超声成像装置的结构示意图；
[0027]图8为一个实施例中构建模块的内部结构示意图；
[0028]图9为一个实施例中填补模块的内部结构示意图；
[0029]图10为另一个实施例中自由式三维超声成像装置的结构示意图。

[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]图1为一个实施例中自由式三维超声成像系统的应用示意图。如图1所示，该自由式三维超声成像系统，包括二维超声探头102、二维超声主机104、空间定位系统106和图形工作站108。空间定位系统106与图形工作站108相连，二维超声探头102与二维超声主机104相连，二维超声主机104与图形工作站108相连。
[0032]二维超声探头102上安装空间定位传感器110，该空间定位传感器110用于获取二维超声探头相对于空间定位系统106自身坐标原点的空间位置，并将该空间位置发送给空间定位系统106。其中，空间位置包括位置信息和方位信息。
[0033]空间定位系统106用于将该空间位置发送给图形工作站108。
[0034]二维超声探头102用于采集手术床120上的病人130的二维超声图像，并将采集的二维超声图像直接 发送给二维超声主机104。
[0035]二维超声主机104将该二维超声图像及空间位置发送给图形工作站108。
[0036]图形工作站108包括自由式三维超声成像装置，通过自由式三维超声成像装置对二维超声图像及空间位置进行处理构建三维超声图像的体数据。
[0037]上述自由式三维超声成像系统，通过二维超声主机直接对超声图像进行采集，无需使用采集卡的二次转换，避免了因超声图像二次变换而导致图像质量下降的问题，提高了图像的质量。
[0038]图2为一个实施例中自由式三维超声成像方法的流程图。如图2所示，该自由式三维超声成像方法，包括以下步骤:
[0039]步骤202，根据直接对超声图像采集得到的二维超声图像构建三维的体数据结构。
[0040]具体的，二维超声图像为二维超声探头直接采集，并传输给二维超声主机的，不需经过视频采集卡的二次转换，提高了图像采集的质量。该体数据结构包括确定体数据的坐标原点、坐标各维度大小、体素间的物理间隔等。
[0041]图3为一个实施例中根据直接对超声图像采集得到的二维超声图像构建三维的体数据结构的步骤的流程图。如图3所示，步骤202包括:
[0042]步骤302，获取二维超声图像的四个顶点。
[0043]步骤304，将各顶点从局部坐标变换为世界坐标。
[0044]具体的,局部坐标变换为世界坐标的公式为:v = Ti^viO其中，Vi为顶点的局部坐标，V为顶点的世界坐标。
[0045]步骤306，根据预先设定的条件构建包围盒，得到三维的体数据结构。
[0046]具体的，包围盒由它的最小点(Xmin，Ymin, Zmin)和最大点(Xmax，Ymax, Zmax)完全确定，如图4所示,最小点I,最大点6。本实施例中，预先设定条件的代码包括: