基于虚拟器的三维超声扫描与成像系统设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.86MB 95 页 15积分
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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 .................................................................................3
§1.3 三维超声成像临床应用 .................................................................................4
§1.4 三维超声成像的主要组成部分 .....................................................................7
§1.4.1 三维超声图像的获取方法 ...................................................................7
§1.4.2 三维重建方法 .....................................................................................11
§1.4.3 三维图像成像方法 .............................................................................13
§1.5 本文的主要工作和意义 ...............................................................................15
第二章 三维超声扫描系统实现 .................................................................................17
§2.1 系统总体设计方案 .......................................................................................17
§2.1.1 系统概要 .............................................................................................17
§2.1.2 虚拟仪器 .............................................................................................18
§2.1.3 PWM 微步电机驱动芯片 A3973SB ................................................. 21
§2.2 三维机械扫描 ...............................................................................................23
§2.2.1 步进电机 .............................................................................................23
§2.2.2 三维超声扫描探头机械机构 .............................................................27
§2.2.3 三维扫描驱动 .....................................................................................29
§2.3 超声发射与接收 ...........................................................................................31
§2.3.1 超声发射与接收原理 .........................................................................31
§2.3.2 超声发射与接收的实现 .....................................................................32
§2.4 系统控制 .......................................................................................................33
§2.4.1 三维扫描流程 .....................................................................................33
§2.4.2 系统软件设计 .....................................................................................35
§2.4.3 系统界面 .............................................................................................42
§2.5 数据存储 .......................................................................................................43
§2.6 软件支持 .......................................................................................................44
第三章 三维超声成像与测量实验 .............................................................................45
§3.1 实验环境 .......................................................................................................45
§3.2 三维重建概要 ...............................................................................................45
§3.3 二维图像处理 ...............................................................................................46
§3.3.1 数字扫描变换 .....................................................................................46
§3.3.2 实时显示 .............................................................................................47
§3.4 三维重建 .......................................................................................................50
§3.4.1 三维表面表达 .....................................................................................50
§3.4.2 三维重建流程 .....................................................................................52
§3.4.3 MATLAB 实现三维重建 ................................................................... 52
§3.5 三维成像实验 ...............................................................................................54
§3.5.1 轮廓提取 .............................................................................................54
§3.5.2 三维平滑 .............................................................................................56
§3.5.3 三维图像处理 .....................................................................................59
§3.6 三维生物测量 ...............................................................................................61
§3.6.1 切平面面积计算 .................................................................................62
§3.6.2 体积计算 .............................................................................................62
§3.6.3 误差分析 .............................................................................................62
第四章 总结与展望 .....................................................................................................64
§4.1 系统构建改进 ...............................................................................................64
§4.1.1 电机驱动 .............................................................................................64
§4.1.2 虚拟仪器 .............................................................................................65
§4.1.3 系统封装 .............................................................................................68
§4.2 三维重建优化 ...............................................................................................69
§4.2.1 成像质量 .............................................................................................69
§4.2.2 实时性 .................................................................................................71
附录一 3973 功能框图 ................................................................................................72
附录二 LabVIEW 程序变量列表 ...............................................................................73
附录三 MATLAB 程序 ...............................................................................................74
附3.1 程序 StoreChangeData_CollectVersion.m ................................................ 74
附3.2 程序 ThreeDim_CollectVersion.m ............................................................ 81
参考文献 .........................................................................................................................87
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................94
致 谢 .............................................................................................................................95
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源与意义
人们如今所熟悉的超声是由医疗领域以外的科学家发现并应用的。1822 年，
Daniel Colladen 与Charles-Francois Sturn 力图通过在 Geneva 湖中同时敲击水下的
钟与引爆黑火药，来计算声速，从此开始了人们对声音的研究。随后， Pierre 和
Jacques Curie 发现的电磁效应，使得人们产生频率超过 20000Hz 的声音，即超声，
成为可能。
自1956 年John Wild 与John Reid 首先将超声成像应用于医学诊断上[1]，半
个多世纪以来，超声成像从 A型超声诊断仪发展到 B型超声诊断仪，直至多普勒
超声诊断仪，成像方法不断发展。20 世纪 90 年代高频（>50MHz 频段）技术的兴
起，超声成像的分辨力已优于 70μm，超过常人的裸眼，称作超声生物显微术
（ultrasound biomicroscopy，UBM[2]）。如今超声成像涉及到大量人体器官的扫查。
由于超声成像与 CT、MRI 相比较，具有无放射损害、非侵入性、价格便宜(如表
1-1 所示)、使用方便等优点，使其越来越受医生与患者的欢迎。
表1-1 超声、CT、MRI 诊断费用比较[3]
费用项目(USD)
超声
CT
MR
技术人员薪资
17.35
25.28
61.07
设备
7.48
23.22
50.79
维护
4.66
21.44
38.42
造影剂
0.11
8.09
20.8
胶片
3.97
7.95
21.24
医学手术补给
1.19
4.63
12.58
看护
0
1.65
4.15
计划-接受-记录
1.89
2.28
6.71
搬运
1.23
0.5
0.67
管理
3.52
4.34
18.61
官方秘书
2.9
1.28
4.43
图像库
2.15
2.8
4.7
医院费用
2.56
6.03
14.43
其他
1.28
2.81
8.36
总计
50.26
112.32
266.96
传统的 B型超声图像中，医生只能获得人体某一断面的二维灰度图像，想要
对病患体内的脏器、病灶形态、位置进行更深入地了解，医生必须根据自己的经
基于虚拟仪器的三维超声扫描与成像系统设计与实现
2
验对多幅二维图像在大脑中进行合成以理解其三维解剖结构。这一过程需要长时
间的训练和相当的熟练程度，对医生提出了很高的要求，也使某些方面的诊断有
一定的局限性。这就在一定程度上影响了临床诊断的准确性与治疗的有效性。特
别是对一些畸形的或病变的脏器，二维图像的诊断更显得欠缺。
与传统的二维超声成像相比，三维超声成像具有如下优势:
1、图像显示直观
通过三维超声扫描获得人体结构的三维数据，医生或研究人员由人—机交互
方式，可实现三维图像的放大、旋转及切片，从不同角度观察脏器的整体或切面。
从而极大地帮助医生全面了解病情，提高疾病诊断的准确性。
2.、准确定位病变组织
三维超声成像可以向医生提供肿瘤(尤其是腹部肝、肾等器官)在体内的空间位
置及其三维形态，从而为进行体外超声治疗和超声导向介入性治疗手术提供依据。
这将有利于避免在治疗中损伤正常组织。手术过程中的一项危险就是大出血。由
于医生通过软组织难以判断肿瘤与肝脏丰富的内部血管网之间的关系。一旦手术
开始，解剖关系会发生改变，使得根据标记和血管来确定手术器件的位置，变得
困难。在肝脏手术中，实时的三维系统是一个重要的辅助工具，可以用来计划手
术路径，也可以周期性地得到最新的有关手术平台与血管之间的相对关系，这样
可以减少血管损坏与大出血的危害。此外随着三维成像的发展，手术中的每一步
（包括手术路径，插入工具，确认位置，执行治疗，以及评价效果）都会得到发
展。这会减少外科器械的准备时间，缩短住院周期，使病人得到更好的治疗，以
及更高的满意程度。就如 Razavi 博士[4]所说，“一旦拥有了一台三维系统，会使医
生对于手术目标有更精确的定位与导航，这会带来势不可挡的效果”。
3、精确测量结构参数
膀胱容积是泌尿科临床应用的重要参数[5]。利用三维超声进行膀胱测容，能够
以非侵入式方法随时对膀胱中的尿液量进行测量，帮助截瘫和手术期无法自行排
尿的病人自动判断尿液量并进行导尿。此外，心室容积[6]、心内膜面积等也是心血
管疾病诊断的重要依据。通过三维超声扫描获得了脏器的三维结构信息后，这些
参数的精确测量就有了可靠的依据。
4.、便利地模拟手术环境
通过三维超声采集的数据，经过计算机处理与重建，能够为医生提供逼真的
体内环境与手术场景，以便在计算机上研究手术规划，手术预演，手术导航，完
成模拟手术。此外还可以利用现代通讯网络，对某一病例展开多方会诊，或进行
远程手术。同时，三维超声成像也为医学教学提供了极好的手段与方法。
第一章 绪 论
3
5、缩短数据采集时间
二维诊断中，医生需要长时间检查人体器官以便在大脑中形成病变器官的三
维形态。成功的三维超声成像系统在很短时间里就可采集到足够的数据，并存入
计算机。医生可以通过计算机存储的图像进行诊断，而不必要在病人身上反复使
用二维探头扫查。甚至在病人离开医院后，医生们还可以在一起从不同的角度观
察病变的组织和脏器。
§1.2 国内外研究、发展现状
三维超声成像的概念最初由 Baun 和Greewood[7]在1961 年提出。他们对人体
器官采集一系列平行的二维超声截面的基础上，用叠加的方式得到了器官的三维
图像。在此之后，很多人进行了这方面的研究工作，试验了各种方法。诸如 Dekker[8]
在1974 年采用的机械臂方法，1976 年Moritz 提出的回声定位方法，1979 年首次
被Raab 应用的电磁定位方法［2］
，以及 Duke 大学 Vonn Ramm[9]等人研制的二维面
阵探头体积射束方法等等。这些方法都着眼于获取进行三维重建的超声体积数据。
成像方面，Dekker 在1974 年完成了首例心脏三维重建。1986 年，Martin 利用经食
道超声探头(IEE)获得了静态的三维图像。1990 年，Wollschlge 用回拉式 IEE 探头
重建了动态心脏三维超声图像。胎儿三维形体的重建[10]与血管的三维超声成像也
有许多人在研究，并取得了不少成果。
在20 世纪末，有许多科学家进行 3D 超声研究[11~17]。由于在实时的低成本系
统中进行数据采集、重建并显示 3D 图像，需要大量的计算，使得 3D 技术发展缓
慢。随着计算机硬件成本降低以及计算机图形学的发展与应用，带动了 3D 超声成
像技术发展迅速。在过去的一些综述以及书中，描述了 3D 超声成像的发展
[10,12,14,17,19~22]。通过总结这些综述的不同方法，可以发现在 3D 解剖视角或通过 3D
超声图像进行生物容积测量中，所重视的是采集数据进行量化后的几何精确度。
近来一些公司也开始将 3D 成像加入到他们的仪器中。目前超声三维软件应用
较为成熟的有德国 TomTec 公司生产的 Echoscan 三维超声成像系统以及奥地利
Kretz 公司生产的 Voluson 530D 三维超声成像系统。GE 公司的 LOGIQ7 彩色超声
诊断仪与 Easy—3D 三维超声工作站，飞利浦 ENVISON 超声成像仪，应用也非常
普遍。此外，Ultra3D 系统[23]采用意大利的 DU6 彩色多普勒三维超声集成系统，
是一种集软件和硬件接口于一体的三维超声图像成像系统，图像质量、速度较为
理想，但价格昂贵，大约在 100 万美元以上。VOLUS 3D 系统[24]，是德国的一家
公司研制的三维超声集成系统，其特点是 3D 结合 2D 扫描结果进行医学观察、诊
断，提供了更为方便的交互，更有利于结合医生的专业知识进行诊断。使用较多
基于虚拟仪器的三维超声扫描与成像系统设计与实现
4
的还有法国、日本等公司的系统[25]。国内的东软公司在 2001 年推出了中国首台多
声束三维超声诊断系统——NAS-2000[26]。其速度、质量等方面同国外产品相比较
有较大差距，且价格不低，用户不多。清华大学也曾做过一些工作，但科研和临
床总体水平离世界最先进水平还有相当距离。
§1.3 三维超声成像临床应用
三维超声成像自应用于临床以来，业已在以下方面显示其临床应用价值：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。
1、实时三维超声心动图（real-time or live three-dimensional echocardiography）
① 三维超声不仅能显示心脏解剖结构的二维断面图像，而且可观察与断面相
垂直的前侧和后侧结构的立体形态，对了解心脏各个结构的空间走向、腔室大小、
周邻组织、连接关系、有无畸形及形态异常有很大帮助。② 超声检查时通过对三
维数据库选择适当的剖切平面，能获取某些结构的全貌如瓣口的鸟瞰图，观察瓣
膜形态、开口面积、活动状态、有无瓣裂或穿孔等；在房、室间隔平面图上，能
清晰显示缺损有无、位置、形状、面积等，这些信息是二维图像所难以看到的。
③ 实时三维能同步显示感兴趣区域内的组织结构的立体活动状况，成像快速，如
同电视直播，没有时间延误，便于介入治疗与外科手术中直接进行监护，了解手
术后病变矫正的效果，诊断有无漏误，及时发现残余分流，为手术如何进行提供
具有重要参考价值的信息。④ 此种成像方式能在瞬息之间同时获得心脏各个部位
的变化，对观察心肌灌注声学造影时微泡分布的区域以及心肌电激动传导顺序有
重要意义。⑤ 三维图像显示的各个结构形态逼真，接近于实际解剖所见，容易为
临床医师甚至非医务人员所认识理解。双方有共同语言，交流非常方便。
2.、动态三维多普勒血流成像
利用二维彩色多普勒进行动态三维重建时，在图像采集过程中可尽量抑制图
像上心脏结构的反射，仅留彩色多普勒血流信息，再按灰阶编码进行动态三维重
建，即可获得实时的立体灰阶多普勒血流信号，借以了解立体血流束的起止部位、
途径、范围、长度等。若对血流束进行垂直切割，也可正确地了解缺损、瓣口关
闭不全及狭窄处血流的横断面的大小与剖面形态，由此可半定量地了解血流状态，
是临床上很有发展潜力的、新的动态三维多普勒血流成像技术。
3、颈动脉与脑
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...................................................

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：95 页 大小：3.86MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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