科技与生活杂志：三维超声标定及模板设计 |
| 2012-10-08 11:34 作者：郑林浩1，么娆1 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网10月8日讯】据《科技与生活》杂志2012年第15期载文称，三维超声相比二维超声可以提供更多更详细的位置信息，且成像直观。本文主要阐述了三维超声标定的原理及方法，并设计了一个“N”型模板来引导超声扫描定位，使缺陷的形状与位置自动化呈现。实验证明：通过自行设计的该N型模板，只需要提取6张超声图像并且自动提取超声图像中的特征点，通过这种方法只要3分钟左右就能实现标定，可以满足实际的操作需要。
超声检测作为一种重要的无损检测技术不仅具有穿透能力强、设备简单、使用条件和安全性好、检测范围广等根本性的优点。同时与CT、x射线、核磁共振等多种医疗手术导引手段相比，超声导引具有廉价、安全、实时等优势，因此在各种穿刺和病灶消融当中有比较广泛的应用[1，2]。所以在所有无损检测中，超声无损检测技术是发展最快，应用最广的一种无损检测技术。但是传统超声检测以二维图像作为输出数据，存在以下问题：二维超声图像信息具有空间局限性，检测人员需要根据经验在大脑中构建缺陷的三维形状。具备上述经验的检测人员需要经过3-5年的专业训练。即使经过专业的训练，由于个体差异，掌握该项技术的水平不尽相同。针对以上问题，本研究通过设计一种模板来引导超声探头进行扫描成像，从而使二维超声图像向三维空间定位成为可能，后续才能通过计算机构建缺陷的三维图像。
1三维超声标定发展进程
随着国内外超声无损检测技术的高速发展，使得超声检查技术逐渐趋向成熟。目前，三维超声的获取方法有三种：利用二维面阵探头发射体积超声束从而获得实时的三维空间数据的方法；利用马达带动超声探头进行匀速地扫描从而获得三维空间的数据；自由手动扫描（Freehand）的三维超声方法。Freehand具有体积小、在任意角度均能扫描和能进行不连续扫描等优点成为手术过程中的首选。在手动超声三维成像中，重要步骤之一是获取各幅图像位姿以便进行图像对准，图像位姿的获取可以采用光学或磁场跟踪，光学跟踪容易受到遮挡，而且对光线很敏感，因此更多的是采用磁场跟踪[3]。
根据标定的模板不同，大致可分为三类：点式，线式和面式。点式模板是通过拟合某点的测量计算位置与实际位置来进行标定，在整个水槽中只有一个目标点，这样的话，每次捕捉到该点的难度比较大；线式和面式模板都是通过比较拟合测量计算两点之间的线段距离和实际距离，来进行标定，线式和面式的方法都是计算点距的方式，需要的点数多，辨别也不易[4]。线式与面式相比算法简单，成像速度相对较快，所以本研究通过研究一种改进的N型线式模板来引导超声成像。
2三维标定成像原理
由于超声波能够穿透物体的表面，所以通过超声波可以获取被测试件内部的结构声学特性信息，超声成像技术使这些变成人眼可见的图像。由于人眼不能直接感知声像，所以需要通过光学或者电子学的方式使其转换为光学图像，用扫描仪器可以完成这一转换过程。
在超声探头上安装磁定位接收器，可以直接得到接受器相对于发射器坐标系之间的关系，需要通过进一步标定计算图像与接收器坐标系之间的关系，来获得各幅图像的位置和姿态。
传统的扫描仪器只能呈现二维的平面图像，而三维超声图像的重建需要将像素点在超声图像平面坐标系内的坐标转化为在磁定位器发射器坐标系中的坐标。通过三维标定可以获取固定在超声探头上的接收器确立的空间坐标系与超声平面坐标系之间的转换关系[5]。
3模板设计
本研究小组设计了一个“N”型的模板来引导超声定位，该“N”型模板由“N”型线框及模板框架组成。“N”型线框由一组直径为0.2mm的棉线构成，该棉线富有一定的弹性，使得棉线在干燥和潮湿状态下均保持绷紧。棉线从模板的前后壁上直径为1mm的小孔穿过，在模板框架中央形成上下两层，每层两个，共4个“N”型线框，这样能保证检查的点是在一个三维的空间上。每条线中央都固定有一个圆珠，共10个圆珠。每层的两个“N”型线框有一条共用边，每个“N”型线框具有相同的尺寸（160mm×45mm），且都平行于模板坐标系的平面，“N”型端点在模板坐标系中的坐标已知，如图1所示。上述参数的精度通过模板及穿线孔的加工精度得以保证。
图1“N”型模板
如图2所示，每当扫描仪经过一个位置，就可以得到一组像素坐标数据，经过反复多次的扫描纪录，使得当扫描仪在任何位置扫描时都有效的反映出相应的数据。通过自行设计的该“N”型模板，只需要提取6张超声图像并且自动提取超声图像中的特征点，通过这种方法只要3分钟左右就能实现标定，可以满足实际的操作需要。
图2扫描过程
4三维重建
相对于标准断层CT、MR图像的三维重建，非平行的FreeHand方式超声图像重建首先需要将不规则的像素转化到世界坐标系中进行空间插补形成标准空间体数据。其具体过程是指将采集到的一系列二维超声图像上的像素点放置到相应的三维晶格上，重构过程中，首先根据磁定位器的定位数据以及感应器与超声探头的关系得到每幅超声平面在基准坐标系中的位置，后将不规则采集得到的超声图像中的每个像素放到相应的空间晶格坐标系内，如图3所示。然后对标准体数据进行三维重建[6]。
图3三维超声重建
5结论
本研究通过研究超声无损检测模板的工作原理和成像原理，设计了一个“N”型模板来引导超声探头进行扫描成像。研究结果表明，用此模板进行扫描定位计算，算法更为简单，速度和精度较常规模板都有一定提升。为实现二维图像向三维图像转换提供了一个很重要的技术支持。
作者简介
郑林浩（1990-），男，湖北天门人，本科，学生，研究方向：超声无损检测。
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