基于虚拟仪器的三维超声研究平台及其临床应用

VIP免费
3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.59MB 62 页 15积分
侵权投诉
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论..........................................................................................................1
§1.1 课题来源与意义 .....................................................................................1
§1.2 国内外研究、发展现状 .........................................................................2
§1.3 三维超声成像临床应用 .........................................................................3
§1.4 三维超声成像的主要组成部分 .............................................................5
§1.4.1 三维超声扫描.............................................................................. 5
§1.4.2 三维重建...................................................................................... 6
§1.4.3 三维成像...................................................................................... 7
§1.5 本文的主要工作和意义 .........................................................................8
第二章 三维超声采集..........................................................................................10
§2.1 总体架构 ...............................................................................................10
§2.1.1 虚拟仪器介绍............................................................................ 10
§2.1.2 平台架构设计.............................................................................11
§2.2 三维机械扫描 .......................................................................................12
§2.2.1 步进电机.................................................................................... 12
§2.2.2 三维超声扫描探头机械机构.................................................... 14
§2.2.3 三维扫描驱动............................................................................ 15
§2.3 超声发射与接收 ...................................................................................17
§2.3.1 超声发射与接收原理................................................................ 17
§2.3.2 超声发射与接收的实现............................................................ 18
§2.4 数据存储 ...............................................................................................19
§2.5 三维超声采集界面 ...............................................................................20
§2.5.1 三维扫描流程............................................................................ 20
§2.5.2 系统软件集成............................................................................ 21
§2.5.3 采集界面实现............................................................................ 21
第三章 三维超声成像与测量..............................................................................24
§3.1 三维重建成像 .......................................................................................24
§3.1.1 三维重建成像原理.................................................................... 24
§3.1.2 三维重建成像 MATLAB 函数介绍 ...........................................24
§3.1.3 三维重建成像 MATLAB 实现 ...................................................26
§3.2 实验一：气球扫描试验 .......................................................................29
§3.2.1 实验条件.................................................................................... 29
§3.2.2 气球三维超声成像.................................................................... 29
§3.2.3 气球三维图像切割.................................................................... 30
§3.2.4 气球超声测量............................................................................ 31
§3.3 实验二：膀胱组织扫描实验............................................................... 33
§3.3.1 试验条件.................................................................................... 33
§3.3.2 膀胱 B型超声成像 ....................................................................33
§3.3.2.1 数字扫描变换 DSC ................................................................33
§3.3.2.2 膀胱 B型超声成像 ................................................................ 34
§3.3.3 膀胱三维超声成像.................................................................... 34
§3.3.4 膀胱三维图像切割.................................................................... 35
§3.3.5 膀胱三维图像旋转.................................................................... 36
§3.3.6 膀胱超声测量............................................................................ 37
第四章 总结与展望..............................................................................................39
§4.1 步进电机定位....................................................................................... 39
§4.2 系统平台校正....................................................................................... 40
§4.3 三维重建优化....................................................................................... 41
§4.4 增强实时性........................................................................................... 43
附录一 LM1876 功能框图 .................................................................................. 44
附录二 LabVIEW 程序 ........................................................................................45
附2.1 程序 超声换能器激励控制子 VI ........................................................ 45
附2.2 程序 步进电机控制子 VI .................................................................... 45
附2.3 程序 超声数据采集子 VI .................................................................... 46
附2.4 程序 超声数据存储子 VI .................................................................... 46
附2.5 程序 在线显示_LabVIEW 调用 MATLAB 函数子 VI ...................... 47
附录三 MATLAB 程序 .........................................................................................48
附3.1 程序 Function_TwoDim DSC_NeurogenicBladder.m ....................48
附3.2 程序 Function_ThreeDimRec_NeurogenicBladder.m ................... 53
参考文献..................................................................................................................59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................61
致 谢......................................................................................................................62
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源与意义
由于具有经济灵活无创伤的特性，超声成像技术在临床上应用广泛。随着超
声技术以及计算机图形学的进一步发展，近年来三维超声成像技术取得了长足的
进步，正在逐步进入临床应用[1]。但是，由于三维成像的复杂性，许多有关技术仍
然有待研究和提高。
为了适应不同的研究目的，我们设计实现了一个基于计算机的三维超声研究
平台，该平台是在原有基于虚拟仪器的三维超声成像系统[2]的基础之上进行的二次
开发，考虑到原有系统只是实现了对水箱中目标进行超声扫描的局限性，以及临
床应用研究的需要，平台改进了系统的设计，将三维超声扫描机构装上探头外壳，
探头外壳设计成封闭状且可手持，探头内注入蓖麻油作为超声耦合介质，使其适
合于人体组织的三维超声扫描，由于三维扫描机构工作在封闭的蓖麻油环境下，
原有的步进电机定位光耦已不再合适，并且在步进电机的控制上采用线性控制以
取代原来的 PWM 控制，以提高平台系统的性能。
该平台包括三维超声数据采集与三维重建成像两大部分。考虑到临床三维超
声检测的要求，对原有三维超声数据采集系统进行了改进，对病灶沿轴向作 180
度扫描,获取病灶体的 48 个不同截面的超声信息，保存成可读取的文本数据。在
三维重建成像的实现上，针对临床应用的特点，将原有成像系统作了相应的修改，
使其功能更加完善，可进行 3D 重建成像、超声测量、空间定位等，可为临床三维
超声技术的研究提供功能强大、使用灵活的实验平台。基于这一平台，我们也可
进一步研究临床三维超声信息的采集，病灶体 3D 重构的方法与效果，以及相关的
图像处理算法的优劣比较。
本文利用该平台采集了人体膀胱三维超声数据，并对数据进行了三维超声成
像试验研究。该重建的膀胱三维超声图像能够从各个角度观察对象，可以直观地
对膀胱组织进行立体定位，进而能够进行多角度切片观察，以及三维生物测量等。
该平台的建立将使得三维超声数据采集与三维超声成像应用研究更加广泛，例如
胎儿检查、超声心动图分析等等。
基于虚拟仪器的三维超声研究平台及其临床应用
2
§1.2 国内外研究、发展现状
超声医学影像技术作为医学影像学的一门新兴学科，经历了从 A 超、M 超、B
超、彩色多普勒超声几个阶段。
三维超声成像技术（three-dimensional ultrasono-graphy)的研究始于 20
世纪 70 年代[3]，由于成像过程慢、使用复杂限制了其在临床上的广泛应用[4]。
自从 1989 年由 Kretytechnik AG 首先发明三维超声并推向市场应用以来，三
维超声临床检查使用至今已有十多年历史[5]。随着计算机技术的飞速发展，三维超
声成像取得长足进步，已经进入临床应用阶段。
近来一些公司也开始将 3D 成像加入到他们的仪器中。目前超声三维技术应用
较为成熟的有 PHILIPS 公司 HD11XE 三维超声诊断仪，其装有三维容积探头，探头
换能器工作频率 3~9MHz 。检查方法：受检者先行二维超声矢状切面和冠状切面检
查，然后开启三维功能进行三维超声透明模式和表面模式取样，再进行 X、Y、Z
轴的平移或旋转查找，取得最佳的视觉客观图像，并将二维和三维原始图像进行
存盘后分析。
美国 Diagnostic Ultrasound Corporation，BladdderScan BVI2500XL。它是
一款基于 B-mode 的超声测容设备，利用机械扇扫传感器所获得的膀胱的 12 个截
面图象，自动计算出所测膀胱的容积，以 mL 表示，最后在 LCD 屏上显示。
Kretz 公司的 COMBISON 530。该产品在一个特制的 3D 探头内安装有机械扇
扫装置，可在两个垂直的方向上做扫描。工作时超声换能器沿 x，y两个方向做均
匀扫描，各采集一系列二维图像。而后根据两个主向的图像重组三维数据。该系
统所得到的三维图像分率较低。
另外，GE 公司的 LOGIQ7 彩色超声诊断仪，Easy—3D 三维超声工作站，TomTec
三维超声成像系统等[6-7]，都是近年来较为优秀的三维超声技术的领跑者。
在国内，东软公司于 2001 年推出了中国首台多声束三维超声诊断系统
——NAS-2000[8]。同时，以清华大学为首的高校也在三维超声技术的研究上做出
了卓越的成绩，但科研和临床总体水平离世界最先进水平还有相当距离。
第一章 绪 论
3
§1.3 三维超声成像临床应用
三维超声成像技术自应用于临床以来，已在以下方面显示出了其临床应用的
价值：对含液性结构和病变可显示其立体形态、内部结构和内壁特征；对被液体
环绕的结构和病变，可清楚显示其表面特征；采用透明成像技术可显示实质性脏
器内部结构的形态和空间位置关系；利用血流彩色多普勒信息可重建实质脏器内
的血管三维图像等等。
1、膀胱组织
膀胱的含液性结构使之成为三维超声检测的理想部位之一。通过三维超声重
建成像可显示膀胱肿瘤呈菜花状、乳头状或团块状[1]，如图 1-1、1-2 所示，能显示
肿瘤与壁的空间关系、基底部及表面情况，肿瘤的数目、大小、方位、与输尿管
开口的空间关系也能清晰显示。对伴有大量血尿、膀胱炎症、尿道狭窄的病人，
膀胱镜检查有困难或禁忌时，三维超声成像仍能顺利进行。
此外，利用三维超声对膀胱的容积进行生物测量也是便利有效的方法[9]。通过
自动判断其中的尿液量，能够达到临床应用中对导尿术实施时机的准确性，减少
插入导尿管的盲目性，减轻患者的痛苦并降低尿路感染的风险。
图1-1 菜花状膀胱肿瘤 图 1-2 团块状膀胱肿瘤
2、眼球及眶内疾病
眼球的生物学特性使之成为三维超声重建的理想部位，三维超声能清楚显示
玻璃体内条状及膜状病变，如视网膜脱离、玻璃体内机化物、玻璃体炎症、脉络
膜病变、晶体后脱位等。视网膜脱离时，三维超声不仅能直观显示网膜脱离的起
止部位、大小、范围，而且能显示出视网膜破口的形状、数目。随着高频超声的
应用，三维超声对球后的病变也能较好地显示，能准确评价球后病变(如肿瘤)与眼
球、视神经及眼外肌之间的关系，如图 1-3 所示为玻璃体后脱落的三维超声成像，
图1-4 为玻璃体增生三维超声成像图。与 MRI 和 CT 相比较，三维超声可反复检查
而不必担心放射线诱发白内障。另外，三维超声能更准确计算肿瘤的大小、容积，
并可能对病变作出较精确的定位以指导手术医师及放射治疗医师的工作。目前，
基于虚拟仪器的三维超声研究平台及其临床应用
4
三维超声已经运用于诊断视网膜母细胞瘤，脉络膜黑色素瘤的容积测量，评估猿
猴在青光眼发作早期巩膜筛板的塑性变形问题[10]。
图 1-3 玻璃体后脱落三维超声成像 图 1-4 玻璃体增生三维超声成像
3、颅脑
三维超声在颅脑的应用包括肿瘤和动静脉畸形的定位及其与周围重要结构的
毗邻关系[11]。术中颅脑肿瘤三维超声（intra-operative ultrasound，IOUS）可为术者
提供更加准确、清晰的肿瘤立体图像，帮助术者了解病变的空间位置关系，术中
超声已经成为指导手术、协助手术治疗不可缺少的工具[12]。
4、妇产科
采用三维超声成像可以从一个独特的角度检查子宫内的胎儿发育状况。
胎儿面部观察是高危妊娠超声检查的重要内容，三维超声较二维超声能够显
著改善诊断水平的部位，主要是胎儿颅面、脊柱、四肢、脐带等，能更准确地显
示解剖结构，可更清晰观察胎儿面部解剖结构及其相互关系。对于常规二维超声
难以确诊的畸形，如唇裂、腭裂等，三维超声均能提供帮助。并能够清楚地显示
胎儿不同发育阶段的形态结构，如图 1-7 所示，很容易发现先天性胎儿发育畸形，
为优生优育、减少畸形胎儿出生率提供了有力的诊断手段[13]。图 1-8 为对胎儿进行
的面部三维重建图，通过三维成像能看到各种生动的胎儿面部表情，不仅为产科
医生提供了便利，而且有助于孕妇及家属减少产前犹豫症，增进与孩子的亲情。
图1-5 子宫内胎儿重建图 图 1-6 胎儿面部重建图
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论..........................................................................................................1§1.1课题来源与意义.....................................................................................1§1.2国内外研究、发展现状..................................................................

展开>> 收起<<
基于虚拟仪器的三维超声研究平台及其临床应用.pdf

共62页,预览7页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：62 页 大小：2.59MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 62
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注