文章目錄
- 0 基礎知識
- 0.1 探頭
- 0.2 三維重建的流水線
- 0.2.1 資料采集
- 0.2.2 重建
- 0.2.3 體重建
- 0.2.4 顯示
- 0.2.5 渲染
- 0.2.6 應用
- 1 Real-time freehand 3D ultrasound imaging
- 1.1 系統
- 1.2 校準
- 1.3 重構方法
- 1.3.1 SDW interpolation
- 1.3.2 Bezier interpolation
- 1.4 GPU重建
- 1.4.1
- 1.4.2
- 1.5 ray-casting 顯示
- 1.6 結論
- 1.7 Bezier Interpolation for 3-D Freehand Ultrasound
- 2 An Inertial-Optical Tracking System for Portable, Quantitative, 3D Ultrasound
- 2.1 Stradwin
- 3 形變問題
- 4 Model-based correction of ultrasound image deformations due to probe pressure
- 4.1 方法
- 4.2 本文方法
- 4.3 詳細方法
0 基礎知識
0.1 探頭
凸形探頭，線性探頭，3D超聲探頭，
[外鍊圖檔轉存失敗,源站可能有防盜鍊機制,建議将圖檔儲存下來直接上傳(img-aQKXxNcp-1635211280043)(https://cdn.shopify.com/s/files/1/0458/5573/5971/products/convex-probe-99c2-5ir-compatible-for-samsung-medison-head_large.jpg?v=1609595322)]
0.2 三維重建的流水線
0.2.1 資料采集
二維陣列掃描、機械掃描、跟蹤徒手掃描和非跟蹤徒手掃描
黑點發出超音波，組成了黃色的金字塔。
這三個都是3D的探頭，對某塊感興趣區域，做持續的掃描。
在超聲探頭上，添加傳感器擷取位置和方向，就是freehand的掃描方式。有電磁，光學和聲學傳感器。還有沒傳感器的。
最流行的就是：電磁跟蹤系統，有安裝在探頭上的電磁傳感器以及跟蹤傳感器在探頭上的位置和方向的電磁發射器。然後将記錄的空間資訊傳送到計算機工作站進行重建和可視化。
光學：安裝在探頭上的标記物和一個或多個錄影機跟蹤标記物。
有商用的成品
，北極星光學跟蹤系統和Optotrak Certus是用于三維超聲成像系統的兩種商用光學跟蹤器，都是北方資料公司(NDI)的産品。然而，光學跟蹤系統中發現的問題是，安裝在探頭上的标記太大，導緻超聲掃描過程不友善[1，并且錄影機的視線不能被遮擋[1。
為了解決這個問題，文獻[13]中的工作建立了一種帶有
慣性傳感器
的光學跟蹤系統，用于徒手三維超聲成像，而不需要相機等外部參考。實驗是基于模型的，使用了CCD相機以及dsp，圖檔相對位置判斷位置和方向。缺點 ：陀螺儀的漂移。
完全不加傳感器的話，效果會很差。
0.2.2 重建
2D圖像和位置方向 —> 去除噪聲 —> 增強 —> 分給找到組織，
二進制坐标轉三維坐标。
0.2.3 體重建
确定體的大小，坐标，圓點，體素的大小。
先填充體，會有空體素，以及多個像素對應一個體素。
再把空體素算出來。
基于像素的方法(PBM，使用簡單，結果模糊，最近鄰确定)、基于體素的方法(VBM)和基于函數的方法(FBM，研究不多)
像素最近鄰法(PNN)、體素最近鄰法(VNN)、距離權重法(DW)、徑向基函數法(RBF)、基于圖像的算法
0.2.4 顯示
面繪制和體繪制，多平面重建技術，GPU加速
0.2.5 渲染
光束投射法，區分組織和液體
0.2.6 應用
三維超聲成像用于産科有兩個主要優點。首先，三維超聲成像可以用來确定胎兒數量、胎兒表面特征和胎盤位置[41]。體繪制可以很好地區分組織和周圍的羊水，是以适合于三維觀察。
1 Real-time freehand 3D ultrasound imaging
1.1 系統
定位裝置型号：MiniBird, Ascension Technology Corporation,
Burlington, VT, USA
1.2 校準
确定B超和定位裝置的資料延遲，盡量保證同步。
1.3 重構方法
原理就是将掃描到的圖檔上的x，y二維的坐标，轉移到三維的x,y,z坐标。
使用the squared distance weighted (SDW) (Huang et al. 2005) and Bezier inter-polation (Huang et al. 2015)
權重平方距離插值(SDW)(Huang et al.。2005)和Bezier插值(Huang等人。2015年)兩種方法。
這兩種方法都要bin filling and hole filling.
可以知道，二維的點轉到三維，肯定會很稀孰，是以需要插值填補，避免模糊。
1.3.1 SDW interpolation
1.3.2 Bezier interpolation
1.4 GPU重建
100ms的時間用于計算，大多數時間用來顯示。
1.4.1
1.4.2
1.5 ray-casting 顯示
光線投射體渲染是從3D體積資料建立2D圖像的過程。
重建後，從3個角度檢視
1.6 結論
- 選擇四階Bezier曲線來模拟體素強度
- 不能用與心髒等跳動的器官，成像速度跟不上形變的程度。
- 兩種插值方法，需要20s或者6s，可以憋氣避免形變
- 應用于相對靜止的軟組織，例如肌肉骨骼組織、靜止器官
1.7 Bezier Interpolation for 3-D Freehand Ultrasound
這篇論文講的就是本系統所使用的插值算法，确實3d重建了一個嬰兒。同一個作者
2 An Inertial-Optical Tracking System for Portable, Quantitative, 3D Ultrasound
光學傳感器（一個CCD相機，圖檔之前的差别來判斷位置）和6軸陀螺儀，
系統整體更側重于硬體
2.1 Stradwin
3D超聲校準
缺點1：誤差比較大
缺點2：不适合皮膚，圖檔之間的差别比較小，CCD景深1mm，不太能看出差别
缺點2：隻使用了模型
3 形變問題
徒手3D成像是需要接觸手臂的，如果是心髒等部位的話，考慮也不好補償。
為了表征不同接觸力下的組織變形，力傳感器提供接觸力測量:
Trajectory-based Deformation Correction in Ultrasound Images
4 Model-based correction of ultrasound image deformations due to probe pressure
4.1 方法
基于圖像的配準方法和基于生物力學模型的方法。
圖像：空間正則化，樣條的插值， 加力傳感器，在US探頭上安裝力傳感器并為每個像素建立與接觸力與像素位移相關的經驗回歸模型(使用已建立的美國散斑跟蹤技術進行測量)
生物力學模型：需要知道要測量的組織的力學性質，然後預測力導緻的變形。
生物力學模型，更真實。不過總是有一些強假設，可能 不适合真實情況。結合CT圖像，結合彈性圖像，做校準。需要一些其他裝置
4.2 本文方法
首次允許在超聲圖像中使用從圖像本身獲得的組織機械參數的個性化估計來補償探頭壓力，而不需要知道探頭壓力引起的空間凹陷，也不需要力傳感器。
相似工作 ：L. Han et al., Development of patient-specific biomechanical models for predicting large breast deformation. Phys
Med Biol 57:455-472, 2012.
本文提出的是估計每幅圖像相對于參考無變形圖像的形變場的方法。該方法基于2D生物力學模型，該模型考慮了圖像中描繪的組織的機械參數，以預測真實的變形場。這些參數與變形場一起被估計，以便最大化參考圖像和校正圖像之間的互資訊。然後，通過應用反變形場來校正圖像。
可以近似看作是一個配準問題，序列圖像ABCDEFG，ABCD被校準，沒校準的E和D配準。