[发明专利]基于CT影像模拟与定位的超声培训系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于CT影像模拟与定位的超声培训系统，适用于医学超声培训领域。

背景技术

当超声在人体内传播时，由于人体各种组织存在声学特性差异，超声波会在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射以及多普勒频移等物理现象。应用超声诊断仪接收这些反射、散射信号，可以显示各种组织及其病变的形态，再结合病理学和临床医学，医师可以对病变部位、性质和功能障碍程度做出准确诊断。

另外，由于超声无辐射、成像速度快，可被广泛应用于临床微创手术的引导过程中。然而，由于超声成像原理复杂以及噪声干扰问题，超声影像所表现的人体生理结构不直观，医生需要丰富的经验和知识才能够对病灶做出准确的判断。而传统的超声医疗人员培训是在有经验的超声医师指导下通过真实手术来完成的，这种训练方法成本高，而且可能会因为培训人员的操作不当引起病人的痛苦或者并发症。因此，超声模拟培训系统作为一种经济有效的培训方式而迅速发展起来。

当前超声模拟培训系统分为两大类，一种是基于超声三维体数据的模拟系统，该系统只有超声探头在已获得的超声三维体数据的范围内进行探测时才能得到准确的模拟效果，一旦探头离开这个范围，模拟图像失真度高。另一种是基于CT体数据的超声模拟系统，该系统是将基于CT体数据构建的随机噪声图像、传播图像、吸收图像和反射图像叠加来获取超声模拟图像，其优点是CT图像更容易获取，并且可以将模拟图像与源图像的信息进行融合，为医师提供更全面的病人病理情况。该类超声模型系统已经成为目前国内外研究的热点，并取得了一定的成果，如挪威奥斯陆大学研发的UltraSim系统、德国施特拉尔松德科技大学研发的SONOSim3D系统等。但仍然存在几个方面的缺陷：

1.基于CT体数据的超声图像模拟方法的计算复杂度高，很难满足医学超声培训对实时性的要求；

2.由于三维体数据渲染以及图像融合显示的精确度与算法复杂度成正比，在满足实时性时，图像三维结构信息不完整，显示效果模糊；

3.CT成像中的血液不会发生多普勒效应，基于CT图像的超声模拟图像中血管失真度高，而血管（特别是肝脏、肾脏等）是判断器官病灶的重要依据；

4.人体腹腔器官组织的形态与位置因人而异，而采用同一实体模型模拟不同人体的腹腔需要完成虚拟三维体数据与实物之间的弹性配准。

因而，实时超声图像模拟系统须满足以下条件：（1）可以实现人体任意角度的超声模拟，实现病患的全面性诊断；（2）模拟图像具有较高的真实度；（3）计算速度快；（4）须实时融合超声模拟图像和三维体数据，以此来进一步提高超声模拟系统在手术导航、虚拟手术等临床医学领域中的地位。

发明内容

为克服现有超声模拟培训系统的不足，本发明研发一种基于CT影像模拟与定位的超声培训系统，通过GPU加速实现超声图像模拟以及CT体数据渲染，提高系统的实时性，为超声培训提供一种便利的工具。

该种基于CT影像模拟与定位的超声培训系统，包括曲面匹配模块、超声模拟探头位姿跟踪模块、图像增强与超声图像模拟生成模块和融合显示模块；

曲面匹配模块用于以实物模型为标准，将读取的人体CT体数据与实物模型数据进行表面匹配，通过基于薄板样条的插值方法实现曲面的弹性变换；

超声模拟探头位姿跟踪模块用于采用标志点跟踪的方法实时计算超声模拟探头相对于实体模型的位姿，根据位姿矩阵获取任意角度的CT图像切片；

图像增强与超声图像模拟生成模块用于采用多尺度增强方法，提高CT图像中的血管对比度，并基于CT体数据实现超声图像的模拟；

融合显示模块用于基于CUDA的加速完成CT体数据的渲染显示，并根据已获取的位姿矩阵，将超声模拟图像与三维CT图像融合显示。

曲面匹配模块采用基于八叉树的曲面匹配方法进行表面匹配，具体包括以下步骤：

（1）在待配准图像中，即人体腹腔模型数据表面选取标记点；

（2）建立两幅图像标记点之间的对应关系；

（3）将两幅图像的标记点以纹理形式载入到GPU，在GPU采用基于八叉树的匹配算法求取图像之间的配准变换；

（4）将求得的变换作用于待配准图像，实现图像的弹性匹配，并通过基于薄板样条的插值方法实现曲面的弹性变换。

与现有的超声模拟培训系统相比，本系统的优点在于：

1.采用标志点跟踪的方法实时计算超声模拟探头的位姿，计算复杂度低且位姿矩阵准确，能实时获取任意角度的CT切片图像，便于超声模拟；