一種雙模式乳腺三維成像裝置與方法

2023-12-01 13:05:56 3

一種雙模式乳腺三維成像裝置與方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型的雙模式乳腺三維成像裝置與方法，該裝置包括主機體、臺架、掃描平臺、測量臂、超聲成像單元、紅外成像單元和控制模塊，以及安裝在測量臂內的紅外成像裝置，安裝在掃描平臺內的探頭掃描機構，探頭掃描機構上的超聲波探頭和紅外光發射裝置，掃描機構與紅外成像裝置相對。本裝置在一次掃描中，同時進行超聲圖像信號和紅外圖像信號採集，超聲圖像與紅外圖像在空間上相關聯，重建乳房三維容積超聲圖像和紅外圖像，實現兩種模式圖像的疊加分析，利於對乳房組織的檢查和診斷，無創無損無輻射。
【專利說明】一種雙模式乳腺三維成像裝置與方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於生物醫學成像領域，用於乳腺造影和乳腺疾病的檢測，尤其涉及一種採用超聲波、紅外光同步掃描顯示乳房內部三維結構超聲波圖像和紅外圖像的的雙模式乳腺三維成像裝置，以及基於該裝置的雙模式三維成像方法。

【背景技術】
[0002]在乳腺(乳房)的造影檢查中，常用檢測設備包括乳腺鑰靶X線成像、超聲成像、光學成像以及核磁共振(MRI)等。其中，乳腺鑰靶X線成像有著較寬泛的檢測等級，成像簡便，具有可重複性，為目前乳腺癌檢查的新標準。但鑰靶X線成像具有X射線輻射，需要特殊的防護使用環境，並且對緻密性的乳腺檢查效果不佳。超聲和核磁共振(MRI)也在乳腺癌診斷過程中起到補充作用。核磁共振具有明顯的靈敏度優勢，但其使用耗時而且費用高。超聲為最常使用的醫療影像設備，適於不同場合的使用，具有成本和價格優勢，常用於乳腺癌的檢查。但常規超聲系統在乳腺檢查的使用，受到了幾方面的局限:一是對醫生的識片技能要求高，另一方面成像缺乏重複性。臨床上常用的乳腺超聲多為二維B型超聲，這種傳統的超聲成像模式僅能提供乳腺某一斷面的圖像，具有一定的局限性。
[0003]乳腺三維超聲能夠解決上述二維超聲所存在的問題，提供乳腺結構的三維超聲圖像。基於三維圖像，醫生可以得到腫塊精確的位置、大小和邊界等信息。此外，其他界面的圖像，如乳腺冠狀面圖像，也可以通過三維超聲圖像得到，這些角度的圖像可以為醫生提供更多、更準確的診斷信息，提高該病診斷的準確性。目前世界上有三家公司開發了自動全乳超聲成像系統，如 Siemens Healthcare、U-Systems Inc.、和 SonoCin6。Siemens 的 ABUS系統採用了一個特製的掃描頭，該掃描頭類似一個X-Y運動架，帶動超聲探頭在該運動架上移動。操作人員將該掃描頭放置於被測組織上，掃描架帶動超聲探頭移動，與此同時採集超聲圖像和位置信息。完成掃描後將採集到的數據組進行融合，以形成乳腺組織的三維超聲圖像(容積成像)。U-Systems Inc.和SonoCine的系統基於超聲探頭與三維掃描臂的集成。這些系統已被臨床證明具有良好的臨床價值。
[0004]光學成像能夠反映被測組織的功能信息，如血紅蛋白、血氧等，這些信息對於腫瘤的診斷具有很大的價值。但因為被測組織對光線的散射作用，光學成像的空間解析度較低，導致過去採用的紅外乳腺成像儀或熱像儀臨床效果欠佳，同時現行的紅外乳腺成像儀類似簡單的CCD照相，不具備斷層成像，或容積成像的功能，難以從CCD圖像獲取組織內部信息，醫生從紅外影像難以作出診斷，另外這類紅外乳腺成像儀也缺乏重複性，不能與其他影像融合或匹配。
[0005]前些年美國DOBI公司研發的動態光學乳腺成像系統採用了透射似的成像，將乳腺組織以類似鑰靶機的形似夾在光源和成像相機之間，並以固定多光點照射的方式獲得組織在不同光點源照射下的圖像，根據光散射模型進行光學重建來獲得組織的光學斷層成像。加之其夾緊機構為一氣囊，可以給定壓力。由此系統可以在一段時間獲得乳腺組織在加壓後的功能信息(有氧血和脫氧血)變化，輔助醫生進行診斷。但該技術的最大問題有兩個:一是光學圖像需要外部的鑰靶X圖像或超聲圖像來配合定位，藉以發現可疑區域；但因為外部圖像和光學圖像在空間上缺乏相關性，難以配合使用；二是局部固定點光源的光學成像難以獲得穩定的斷層圖像重建。


【發明內容】

[0006]本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種採用超聲波、紅外光同步掃描顯示乳房內部三維信息的超聲波圖像和紅外圖像的雙模式乳腺三維成像裝置，以及基於該裝置的雙模式三維成像方法。
[0007]本發明的技術方案是提供一種雙模式乳腺三維成像裝置，其設計要點在於，包括:
夾壓裝置，具有放置乳房的開口部，用於通過使用第一夾持部和第二夾持部來夾著並壓迫乳房；
超聲成像裝置，包括相連接的超聲波探頭和超聲模塊，超聲波探頭設置在所述開口部上，，超聲成像裝置根據所提供的超聲波採樣信號將超聲波發射到所述壓迫的乳房，並接收來自所述乳房的反射波信號，獲得所述壓迫的乳房的超聲圖像信號；
紅外光發射裝置，其出光部設置在所述開口部上，根據所提供的光學成像信號將紅外光發射到所述壓迫的乳房；
紅外成像裝置，設置在所述開口部上並與出光部相對，感測透過所述壓迫的乳房的散射紅外光，生成紅外圖像信號；
控制模塊，向超聲成像裝置提供所述超聲波採樣信號，同步向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供所述光學成像信號。
[0008]本發明在應用中，還有如下進一步優化改進的技術方案:
進一步地，超聲成像單元根據超聲波時空信息以及超聲圖像信號進行二維影像化處理，獲得超聲波探頭所在位置坐標處的受壓迫的乳房的超聲波影像；
所述超聲波時空信息包含超聲波探頭的位置坐標和超聲圖像採集時間構成的信息；
所述超聲成像單元對不同位置坐標處的超聲波影像進行融合處理，重建受壓迫的乳房的三維超聲波圖像。
[0009]進一步地，紅外成像單元根據紅外光時空信息以及紅外圖像信號進行二維影像化處理，獲得出光部所在位置坐標處的受壓迫的乳房的紅外影像；
所述紅外光時空信息指紅外光發射裝置的出光部的位置坐標、紅外光波長、紅外光發射時間構成的信息；
所述紅外成像單元對不同位置坐標處的紅外影像進行融合處理，重建受壓迫的乳房的三維紅外圖像。
[0010]進一步地，本發明雙模式乳腺三維成像裝置還包括機架，以及
臺架，其通過第一轉動副、第一滑動副和機架連接，相對於機架轉動和上下移動；
掃描平臺，其設置在臺架一端，構成所述夾壓裝置的第一夾持部；掃描平臺內置控制模塊以及設置在探頭掃描機構上的超聲波探頭和紅外光發射裝置的出光部；超聲波探頭經超聲模塊和控制模塊連接，紅外光發射裝置和控制模塊連接；
測量臂，其設置在臺架另一端，通過第三滑動副和臺架連接，相對於臺架兩端方向往復移動，構成所述夾壓裝置的第二夾持部；測量臂內置紅外成像裝置，紅外成像裝置和控制模塊連接；
所述掃描平臺和測量臂之間相對面構成放置乳房的所述開口部。。
[0011 ] 進一步地，所述探頭掃描機構，包括掃描平板、導軌及第四電機，掃描平板通過第四滑動副和導軌連接，掃描平板通過第四絲槓副和第四電機連接，第四電機經電機控制器與控制模塊連接；
至少一個所述超聲波探頭固定在所述掃描平板上，紅外光發射裝置的由至少一路輸出光纖構成的出光部固定在掃描平板上並位於超聲波探頭的一側；超聲波探頭和紅外光發射裝置的出光部的兩側分別安裝採集觸發傳感器，其和控制模塊連接，用於觸發紅外圖像或/和超聲波圖像的採集操作；
所述掃描平板兩側上部分別連接有用於承載受壓迫乳房的掃描滑動面膜。
[0012]進一步地，所述紅外光發射裝置包括輸出光纖束、光開關、輸入光纖束、光源組、光開關控制器和光源控制器，輸出光纖束的一端設置在所述探頭掃描機構上構成所述出光部，輸出光纖束的另一端和光開關連接，光開關和光源組間由輸入光纖束連接，光開關經光開關控制器和控制模塊連接，光源組經光源控制器和控制模塊連接。
[0013]進一步地，所述機架的上部設有用於控制探頭掃描機構運動的按鍵組，所述按鍵組和控制模塊連接；
機架的下部設有主機箱，主機箱上方設有顯示裝置，主機箱的一側的支撐板上設有操作鍵盤，主機箱內部設有主機，顯示裝置和操作鍵盤與主機連接，主機和控制模塊通信連接；
超聲波探頭、超聲模塊和主機依次電連接，紅外成像裝置與主機電連接。
[0014]進一步地，所述測量臂的下端設有對紅外光高透射的組織壓板，所述組織壓板上設有用於測量作用於被測乳房上壓力的壓力傳感器，壓力傳感器和控制模塊連接。
[0015]進一步地，所述探頭掃描機構的掃描平板上設置2個平行設置的超聲波探頭，2個超聲波探頭部分重疊；掃描平板上均勻分布設置由4路輸出光纖構成的紅外光發射裝置的出光部。
[0016]本發明的技術方案是提供一種雙模式乳腺三維成像方法，採用上述的雙模式乳腺三維成像裝置，其設計要點在於，包括以下步驟:
Si控制模塊，控制探頭掃描機構運動，並向超聲成像裝置提供超聲波採樣信號，同步向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供光學成像信號；
S2根據所提供的超聲採樣信號，超聲模塊採集超聲波探頭的超聲圖像信號，並獲得該時刻的超聲波時空信息；
S3根據所提供的光學成像信號，紅外光發射裝置依次將選定波長的紅外光經選定的輸出光纖發射到所述壓迫的乳房，紅外成像裝置同步感測透過所述壓迫的乳房的散射紅外光，生成紅外圖像信號；並獲得該時刻的紅外光時空信息；
S4掃描完成後，超聲成像單元將獲得的超聲圖像信號組和其對應的超聲波時空信息組進行圖像處理和三維重建，獲得三維超聲圖像；
S5掃描完成後，紅外成像單元將獲得的紅外圖像信號組和其對應的紅外光時空信息組進行圖像處理和三維重建，獲得三維紅外光學圖像。
[0017]本發明在實際應用中，還有如下進一步改進的技術方案:
進一步地，所述步驟Si還包括以下子步驟:
SBll控制模塊驅動探頭掃描機構確定被測壓迫的乳房組織的採樣範圍；
SB12控制模塊根據設定的採樣參數確定採樣間隔；
SB13控制模塊驅動探頭掃描機構從被測壓迫的乳房的一側向另一側移動,反覆向超聲成像裝置提供採樣信號，同步向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供光學成像信號。
[0018]進一步地，所述步驟S4還包括以下子步驟:
SB41所述超聲波時空信息包含超聲波探頭的位置坐標和超聲圖像採集時間的信息；SB42所述超聲成像單元根據所述超聲波時空信息以及超聲圖像信號進行二維影像化處理，去除無效圖像區域，獲得超聲波探頭所在位置坐標處的受壓迫的乳房的超聲波影像；
SB43所述超聲成像單元對不同位置坐標處的超聲波影像進行融合處理，生成受壓迫的乳房在每個掃描位置的二維超聲圖像；
SB44超聲成像單元對不同位置坐標處的二維超聲圖像進行融合處理，獲得被測組織的三維超聲波圖像。
[0019]進一步地，所述步驟S5還包括以下子步驟:
SB51所述紅外光時空信息指紅外光發射裝置的出光部的位置坐標、紅外光波長、紅外光發射時間構成的信息；
SB52所述紅外成像單元根據所述紅外光時空信息以及紅外圖像信號進行二維圖像處理，獲得出光部所在位置坐標處的受壓迫的乳房的紅外影像；
SB53所述紅外成像單元對不同位置坐標處的紅外影像進行融合處理，根據光散射模型，進行光學圖像重建，生成受壓迫的乳房的三維紅外圖像。
[0020]進一步地，在步驟SI前還包括以下步驟:
在掃描平臺的掃描滑動面膜上均勻塗覆對紅外光透明的超聲耦合劑；
被測乳房組織置於掃描滑動面膜上並移動測量臂夾著壓迫乳房。
[0021]本發明系一種新型的雙模式乳腺三維成像裝置與方法，其包括機架、臺架、掃描平臺、測量臂、超聲成像單元、紅外成像單元和控制模塊，以及安裝在測量臂內的紅外成像裝置，安裝在設置在掃描平臺內的探頭掃描機構上的超聲波探頭和紅外光發射裝置，紅外光的出光部設在探頭掃描機構上，並和紅外成像裝置相對。掃描平臺設置在臺架的下部；測量臂設在臺架上部，並通過第三滑動副和臺架連接，測量臂沿著第三滑動副可以相對臺架上下移動。臺架通過第一轉動副、第一滑動副和機架連接，臺架相對於機架可以轉動、上下移動。因此，測量臂可以上下移動以適合不同人體的高度。掃描平臺內置探頭掃描機構，探頭掃描機構通過第二轉動副和掃描平臺固定，探頭掃描機構可以按90度、180度旋轉，對乳房進行縱向或橫向的掃描檢測。探頭掃描機構上設置一個或多個超聲波探頭及紅外光出光部設置一根和多根輸出光纖，以適應不同大小乳房的掃描成像。另外，本發明對超聲探頭規格型號沒有特殊要求和限制，可以選擇裝配不同的超聲探頭和超聲模塊，具有靈活性。在使用中，把乳房放置在掃描平臺上，移動測量臂壓迫乳房，對乳房進行定位，乳房所受的壓迫力由設置在位於測量臂下端的組織壓板上的壓力傳感器測量，並在顯示裝置上顯示。乳房定位後，對乳房進行自動成像掃描，在一個掃描位置，同時進行紅外圖像信號和超聲圖像信號採集，掃描完成後，獲得一組對應不同組織斷面位置的超聲圖像，和一組對應不同出光光纖位置的組織紅外圖像序列。超聲成像單元對上述的超聲圖像組重建獲得被測乳房組織的三維超聲圖像；採用組織光學散射模型，紅外成像單元對多點源組織散射紅處圖像組序列進行三維模型重建獲得被測組織的三維紅外圖像，因為超聲成像和光學成像是在同一空間同步採集獲得，獲得的乳房組織的三維超聲成像和三維光學成像相互關聯，另外，在掃描過程中乳房不移動，乳房組織的狀態保持一致性，三維容積超聲成像和紅外成像在空間上相關聯度高，實現兩種模式圖像的疊加分析，用於對乳房組織的檢查和診斷，無損無創無輻射。
[0022]有益效果
超聲圖像和紅外光圖像信號同步採集，重建的兩種三維圖像在空間上相關聯，有利於醫生從超聲的結構影像和紅外光線的功能影像兩方面來診斷乳腺病症，提高對乳腺組織病症診斷的準確性。
[0023]本裝置的成像無損無創無輻射，適於不同年齡段人群的檢查。
[0024]適應不同大小乳腺的掃描成像，通過一個或多個超聲探頭實現對不同大小乳房的掃描成像；本發明對超聲探頭規格沒有特殊要求和限制，可以選擇裝配不同的超聲探頭和超聲波模塊，具有靈活性。
[0025]掃描中乳房靜止，被測乳房放置在掃描平臺上的掃描滑動面膜和組織壓板之間，並由組織壓板壓迫，則在掃描過程是乳房不移動，乳房組織的狀態始終保持一致。
[0026]全自動掃描，通過設置在掃描平臺內的探頭掃描機構、控制模塊及主機，實現乳房掃描由設備自動完成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1本發明的雙模式乳腺三維成像裝的示意圖。
[0028]圖2臺架示意圖。
[0029]圖3掃描平臺示意圖。
[0030]圖4探頭掃描機構示意圖。
[0031]圖5本發明控制原理框圖。
[0032]圖6控制模塊框圖。
[0033]圖7圖像採集框圖。
[0034]其中，1-機架，101-主機箱，102-按鍵組，2_臺架，3_掃描平臺，31-掃描滑動面膜，32-滑動面膜導向輪，4-測量臂，41-組織壓板，5-開口部，6-控制模塊，7-探頭掃描機構，71-超聲波探頭，72-出光部，73-採集觸發傳感器，74-掃描平板，75-導軌，76-第四電機，8-顯示裝置，9-操作鍵盤，10-紅外成像裝置。

【具體實施方式】
[0035]為了闡明本發明的技術方案及技術目的，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明做進一步的介紹。
[0036]實施方式I三維成像裝置:
(I)成像裝置:
如圖1至圖4所示，一種雙模式乳腺三維成像裝置包括機架1、臺架2、掃描平臺3、測量臂4、主機箱101、控制模塊6、顯示裝置8、探頭掃描機構7、放置乳房的開口部5和操作鍵盤9。主機箱101設置在機架I的下部，主機箱101內部放置有主機，主機箱101上方檯面上放置顯示裝置8，主機箱101的一側(圖1所示的前側，靠近使用者一側)的伸出的水平支撐板上放置操作鍵盤9，顯示裝置8和操作鍵盤9與主機連接，主機和控制模塊6通信連接。機架I和主機箱101也可是分離結構，顯示裝置8優選為液晶顯示屏，也可以為等離子顯示屏、CRT顯示屏、LED顯示屏中的一種。所述機架1、主機箱101、主機、操作鍵盤9、顯示裝置8、人機互動界面、滑鼠、印表機外部通訊構成主機體。臺架2設置在機架I的上部，臺架2通過第一轉動副、第一滑動副和機架I連接，臺架2相對於機架I可以旋轉運動和上下移動，以適應不同被測者的身高和體型。第一轉動副經第一減速機和固定在機架上的第五電機連接，第五電機驅動臺架2相對於機架I旋轉運動。第一轉動副和第二絲槓副連接，第二電機和第二絲槓副連接，驅動臺架2相對於第二滑動副上下滑動，即實現臺架2相對於機架I上下滑動。掃描平臺3設置在臺架2 —端，如圖1所示，掃描平臺3設在臺架2的下部，掃描平臺3內置探頭掃描機構7、紅外光發射裝置和控制模塊6。進一步地，探頭掃描機構7通過第二轉動副固定在掃描平臺3內，第二轉動副經第二減速機和第六電機連接，第六電機固定在掃描平臺3內，探頭掃描機構7相對於掃描平臺3可以進行轉動,改變掃描方向。比如，探頭掃描機構7進行90或180度旋轉，對被測乳房進行橫向或縱向掃描檢測。掃描平臺3內設有承載受壓迫的乳房的長帶狀的掃描滑動面膜31，掃描滑動面膜31的兩端分別固定在用於固定超聲波探頭和紅外光出光部的掃描平板的兩側的上部，使掃描滑動面膜31和掃描平板的上表面齊平。掃描滑動面膜31貼合在滑動面膜導向輪32上，如圖3所示，4個滑動面膜導向輪32平行設置在掃描平臺3的內部，用於掃描滑動面膜31的滑動導向。測量臂4設置在臺架2另一端，如圖1所示，測量臂4設置在臺架2的上部，測量臂4通過第三滑動副和臺架2連接，相對於臺架2兩端方向往復移動，如圖1所示，即測量臂4可以相對臺架2上下移動。進一步地，測量臂4和第三絲槓副連接，第三絲槓副和第三電機連接，用於驅動測量臂4相對於臺架2沿第三滑動副進行上下滑動運動。測量臂4內設有紅外成像裝置10，如圖2所示。紅外成像裝置10分別和控制模塊6以及主機連接；測量臂4的下端設有對紅外光高透射的組織壓板41，組織壓板41的材料優選為對紅外波段透明的塑料材料。組織壓板41上設有用於測量作用於被測乳房上壓力的壓力傳感器，壓力傳感器和控制模塊6連接，壓力值在顯示裝置上顯示。如圖1所示，機架2的前側上部設有按鍵組102，按鍵組102和控制模塊6連接，用於控制探頭掃描機構7和測量臂4的移動。
[0037]其中，上述探頭掃描機構7，如圖4所示，包括掃描平板74、導軌75，第四絲槓副、第四位移傳感器及第四電機76，掃描平板74通過第四滑動副和導軌75連接，掃描平板74通過第四絲槓副和第四電機76連接，第四電機76及第四位移傳感器均和電機控制器連接，電機控制器和控制模塊6連接。掃描平板74在沿掃描運動方向的兩側分別各設置I個採集觸發傳感器73，如圖4所示，即在掃描平板74的前端(相對於被測者方位觀察)左右兩側分別各設置I個上述採集觸發傳感器73，採集觸發傳感器73和控制模塊6連接，用於觸發紅外圖像或/和超聲波圖像的採集操作。掃描平板74上設置一個或多個超聲波探頭71、由一路或多路輸出光纖構成的紅外光發射裝置的出光部72，所述出光部72位於超聲波探頭71的一側。本實例子中優選地，如圖4所示，兩個扁長的「線型」超聲波探頭71平行設置在掃描平板74。為方便後續的圖像配準融合，兩個超聲波探頭71平行但不共線，且兩個超聲波探頭71之間有小部分區域重疊。兩個超聲波探頭71分別和超聲模塊連接，超聲模塊分別與控制模塊6以及主機連接。
[0038]其中，上述紅外光發射裝置包括輸出光纖束、光開關、輸入光纖束、光源組、光開關控制器和光源控制器，如圖6所不。輸出光纖束的一端設置在所述探頭掃描機構7的掃描平板74上構成出光部72，所述出光部72和紅外成像裝置10的位置相對；輸出光纖束的另一端和光開關連接，光開關和光源組之間通過輸入光纖束連接進行發光光源輸出光的I禹合傳輸。光開關和光開關控制器連接，光開關控制器和控制模塊6內置的光電控制板連接，光源組和光源控制器連接，光源控制器和控制模塊6內置的光電控制板連接，控制模塊6的光電控制板通過光源控制器控制每個發光光源的發光功率。每個光源的輸出光耦合到輸入光纖束的一路輸入光纖上，由該路輸入光纖傳輸到光開關，控制模塊6的光電控制板通過光開關控制器控制光開關操作選擇輸出光纖束中的一路輸出光纖輸出紅外光。通常，光源組有m個發光光源,每個發光光源可以發射不同波長的紅外光,輸入光纖束有m條,輸出光纖有η條。如圖6所在本實施方式中,優選地,輸入光纖束有2路輸入光纖,輸出光纖束有4路輸出光纖，光源組有2個不同波長的光源Wl和光源W2。根據兩個光源W1、光源W2以及4根輸出光纖的組合狀態關係，在一次紅外圖像採集中，紅外成像裝置採集到8幅圖像構成的紅外圖像序列Tl，Τ2，Τ3，Τ4，Τ5，Τ6，Τ7，Τ8。每幅紅外圖像對應著不同光源發射的不同波長的紅外光和不同位置的輸出光纖的選擇，具有如下所示:
ο Tl:光源為W1，出光位置Cl ; ο Τ2:光源為W1，出光位置C2 ; ο Τ2:光源為W1，出光位置C3 ; ο Τ2:光源為W1，出光位置C4 ; ο Τ2:光源為W2，出光位置Cl ; ο Τ2:光源為W2，出光位置C2 ; ο Τ2:光源為W2，出光位置C3 ; ο Τ2:光源為W2，出光位置C4。
[0039]其中，掃描平臺3和測量臂4構成用於夾壓、定位乳房的夾壓裝置，進一步地，掃描平臺3的上表面和測量臂4下端的組織壓板41構成所述夾壓裝置的用於放置乳房的開口部5，其中掃描平臺3為第一夾持部，組織壓板41為第二夾持部。
[0040]所述控制模塊6內置有用於計算採樣間隔的採樣計算單元，控制模塊6向電機控制器發送控制信號，第四電機76驅動探頭掃描機構7左右移動，採樣計算單元根據採集觸發傳感器73的信號的變化情況確定被測乳房的邊界來確定測量範圍。例如，探頭掃描機構7從右向左運動過程中，左側的採集觸發傳感器73的信號先後將發生兩次階躍變化，第四位移傳感器記錄的與採集觸發傳感器73的信號發生階躍變化相對應的兩個位移值，此兩位移值的差值即為被測乳房的檢測/掃描範圍。控制模塊6的採樣計算單元根據設定的採樣參數、檢測/掃描範圍通過計算確定對被壓迫的乳房的採樣間隔，採樣間隔可以是時間間隔，即採樣時間延時，也可是空間間隔，即採樣空間間距，本實施方式中，採用採樣時間延時進行描述。控制模塊6根據採樣時間延時反覆地向超聲波探頭71提供超聲採樣信號，同時向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供光學成像信號。
[0041](2)超聲波成像: 超聲模塊根據接收到的超聲採樣信號，控制超聲波探頭71將超聲波發射到受壓迫的乳房，並接收來自所述乳房的反射波信號，生成乳房組織剖面的超聲波圖像信號，超聲波圖像信號及超聲波時空信息傳輸至主機進行存儲。超聲波時空信息指由超聲波探頭的位置坐標、超聲波發射時間、超聲波接收時間、第一夾持部和第二夾持部間距構成的信息。超聲成像單元，從主機的存儲器中讀取超聲波圖像信號、超聲波時空信息，生成所述壓迫的乳房的超聲波圖像；超聲成像單元根據上述超聲波時空信息以及超聲波圖像進行二維影像化處理，去除無效影像區域，獲得超聲波探頭所在位置坐標處的受壓迫的乳房的超聲波影像。超聲成像單元再對不同位置坐標處的超聲波影像進行融合處理，重建受壓迫的乳房的三維超聲波圖像。此超聲圖像處理及三維超聲波圖像構建的方法均為現有技術，在此不再詳述。
[0042](3)紅外成像:
紅外光發射裝置根據接收到的光學成像信號，將由發光光源數和構成出光部的輸出光纖數的組合狀態數依次將選定波長的紅外光經選定的輸出光纖發射到所述壓迫的乳房；紅外成像裝置10根據光學成像信號感測透過所述壓迫的乳房的透射紅外光，生成乳房組織紅外圖像信號序列，即在一次超聲波圖像採集中，要進行多次紅外圖像採集，生成紅外圖像序列；紅外圖像信號序列和紅外光時空信息序列傳輸至主機進行存儲。紅外光時空信息指紅外光發射裝置的出光部的位置坐標、紅外光波長、紅外光發射時間、第一夾持部和第二夾持部間距構成的信息。完成掃描後，紅外成像單元，從主機的存儲器中讀取紅外圖像信號序列、紅外光發射時空信息序列，紅外成像單元根據上述紅外光時空信息序列以及紅外圖像信號序列進行二維影像化處理，獲得出光部所在位置坐標處的受壓迫的紅外影像序列；紅外成像單元再對不同位置坐標處的紅外影像序列和紅外光時空信息序列進行融合處理，以投射式光散射模型重建受壓迫的乳房的三維紅外圖像。此紅處圖像處理及三維紅外圖像構建的方法均為現有技術，在此不再詳述。
[0043](4)本發明的系統結構:
三維成像裝置的主機安裝了用於控制掃描、圖像信號採集並對圖像信號處理的雙模式乳腺三維成像軟體，該軟體內置有超聲成像單元和紅外成像單元，其圖像處理、成像算法均為現有技術，在此不再進一步描述。開啟本發明的三維成像裝置，顯示屏點亮，並啟動雙模式乳腺三維成像軟體，在顯示屏上顯示用戶界面。用戶通過該用戶界面可以設置控制參數、控制系統運行、查看運行狀態、採集的數據、採集圖像數據，進行數據處理生成三維超聲圖像和三維紅外圖像，以及報告列印和對外網絡通訊。
[0044]主機，計算機主機和簡稱，該主機與顯示屏、操作鍵盤、控制模塊、超聲波探頭、紅外成像裝置相連接，如圖5所示。主機運行雙模式乳腺三維成像軟體，實施圖像採集，光源控制，掃描控制，和超聲成像控制，並實現數據處理計算，完成三維超聲圖像重建和光學斷層成像重建處理。
[0045]紅外成像裝置，採用高靈敏度紅外CXD成像相機，也可以為CMOS其它類型紅外成像相機。紅外成像相機與主機相連，在掃描過程中，採集乳腺組織的紅外圖像信號，並把所採集的紅外圖像信號傳輸到主機進行存儲。
[0046]控制模塊，控制模塊是圖像信號採集中進行掃描控制和協調的核心單元，其與主機通訊連接，主機運行雙模式乳腺三維成像軟體，顯示用戶界面，用戶通過用戶界面操作雙模式乳腺三維成像裝置進行超聲圖像信號和經外圖像信號採集及圖像處理。控制模塊對光源組、光開關、探頭掃描機構的掃描運動進行控制，並給紅外相機和超聲模塊提供同步的光學成像信號和超聲波採樣信號。該同步信號使探頭掃描機構的位置和圖像採集的時間同步起來，即探頭掃描機構運動到某一位置時同時進行超聲圖像採集和紅外圖像採集，使兩種圖像在空間上相關聯。
[0047]超聲模塊，超聲模塊系超聲波探頭的驅動模塊，具有普通黑白超聲的功能，並能夠驅動一個或多個「線形」超聲探頭工作，超聲模塊連接超聲波探頭A和超聲波探頭B，實現乳腺超聲成像採集。超聲模塊與主機連接，實現圖像採集的控制和數據傳送。
[0048](5)控制模塊
如圖6所控制模塊6包括光電控制板、光開關控制器、光源控制器、電機控制器，所述光開關控制器、光源控制器、電機控制器分別和光電控制板電連接。光電控制板和紅外成像裝置10、超聲模塊相連接，超聲模塊和兩個超聲波探頭71 (即超聲波探頭A和超聲波探頭B，如圖5示)相連接。當探頭掃描機構7運動到一位置時，控制模塊6的光電控制板向與超聲波探頭71相連接的超聲模塊發送超聲波米樣信號，並同時向光開關控制器和紅外成像裝置10發送光學成像信號，實現超聲波圖像和紅外光圖像同步採集，這樣的超聲波圖像和紅外光圖像在空間上相關聯。光電控制板分別與光源控制器和光開關控制器相連接，光源控制器與光源組中的光源相連接用於驅動光源發光，控制光源的輸出光功率。光開關控制器通過控制光開關操作來選擇紅外光源的出光波長及構成出光部的輸出光纖束的輸出光纖。所述光電控制板與電機控制器相連接，電機控制器與驅動探頭掃描機構7的第四電機連接，設置在掃描平板74的採集觸發傳感器73、用於第四電機行程鎖定的限位器、與第四電機連接的位移傳感器均於電機控制器連接。
[0049]實施方式2三維成像方法:
一種雙模式乳腺三維成像方法，如圖7所示，開啟本發明的三維成像裝置，顯示屏點亮，啟動雙模式乳腺三維成像軟體，裝置進行自檢，自動進行初始化，運動部件復位，探頭回歸初始位置；在顯示屏上顯示用戶界面，用戶通過該用戶界面設置控制參數，如掃描時間或圖像採樣數；雙模式乳腺三維成像方法還包括以下步驟:
調節臺架2的高度，使其與被測人員的身高相適應。
[0050]在掃描平臺2的掃描滑動面膜31上表面上均勻塗覆對紅外光透明的超聲耦合劑。超聲耦合劑為標準醫用超聲耦合劑。
[0051 ] 被測人員的被測乳房置於掃描滑動面膜31上，移動測量臂4，使測量臂4下部的組織壓板41夾著壓迫乳房，完成被測乳房的定位和壓緊。乳房受到的壓迫力由設置在組織壓板41上的壓力傳感器測量，並在顯示屏上顯示。
[0052]對被測乳房啟動掃描檢測，首先確定被測乳房的邊界範圍，控制模塊6控制第四電機76驅動探頭掃描機構7從被測乳房的一側向另一側均速運動，根據採集觸發傳感器73信號量的變化情況確定被測乳房檢測範圍。例如，檢測範圍為30cm，探頭掃描機構7的平均掃描速度為lcm/s,則探頭掃描機構7從被測乳房的一側移動到另一側耗時30秒。
[0053]接著確定採樣間隔，控制模塊6內置的用於計算採樣間隔的採樣計算單元根根上述的檢測範圍以及設定的採樣參數通過計算確定對被壓迫的乳房的採樣間隔，採樣間隔有米樣時間延時和米樣空間間距兩種表徵方法，本實施方式中，米樣間隔米用米樣時間延時表徵。例如，設定的採樣時間延時為I秒，即每隔I秒採樣I次，需採樣30次。
[0054]控制模塊6根據採樣時間延時每隔I秒向與超聲波探頭71連接的超聲模塊提供超聲波採樣信號，同時向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供光學成像信號。
[0055]控制模塊6向電機控制器提供驅動信號以驅動第四電機76，第四電機76帶動控制探頭掃描機構7從被測壓迫的乳房的一側向另一側均速運動，例如，探頭掃描機構7從被測乳房的右側向左側(被測者方位觀察)勻速移動。
[0056]探頭掃描機構7從乳房的右側向左側移動過程中，在其從右側移入被測乳房時設置在左側的採集觸發傳感器73的信號量發生階躍變化而右側的採集觸發傳感器73的信號量未發生階躍變化，即此時，左側的採集觸發傳感器73是『I』狀態，右側的採集觸發傳感器73是『0』狀態。控制模塊6根據左、右兩側的採集觸發傳感器73的信號量的上述狀態進行運算判斷已進入乳房檢測區，並啟動圖像採集操作。此時，超聲模塊根據所提供的超聲波採樣信號驅動超聲波探頭71將超聲波發射到所述壓迫的乳房，超聲波探頭71接收來自所述乳房的反射波信號，生成超聲波圖像信號，並把超聲波圖像信號及超聲波時空信息經超聲模塊傳輸至主機進行存儲。超聲波時空信息包括超聲波探頭的位置坐標、超聲波發射時間、超聲波接收時間、第一夾持部和第二夾持部間距構成。
[0057]在一次超聲波圖像採集的同時，根據所提供的光學成像信號，控制模塊6的光電控制板控制構成出光部的輸出光纖和輸出紅外光波長。控制模塊6的光電控制板控制紅外光發射裝置的光開關、發光光源組及輸出光波長，根據光源組和輸出光纖束的組合狀態數，按照所述組合狀態循環依次選擇一種輸出紅外光波長及構成出光部72的一路輸出光纖，將紅外光經所述輸出光纖發射到所述壓迫的乳房。
[0058]下面以一個例子來簡要地說明紅外圖像採集時的發光光源(紅外光波長)及出光部的輸出光纖如何選擇。
[0059]例如，光源組有2個不同波長的光源，光源1、波長W1，光源2、波長W2。輸入光纖束有2路輸入光纖，輸出光纖束有4路輸出光纖。根據兩個光源W1、光源W2以及4根輸出光纖的組合關係，在一次超聲圖像採集期，紅外成像裝置採集到8幅紅外圖像Tl，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8。每幅紅外圖像對應著不同光源發射的不同波長的紅外光和不同位置的輸出光纖的選擇，具有如下所示:
ο Tl:光源為W1，出光位置Cl ; ο T2:光源為W1，出光位置C2 ; ο T2:光源為W1，出光位置C3 ; ο T2:光源為W1，出光位置C4 ; ο T2:光源為W2，出光位置Cl ; ο T2:光源為W2，出光位置C2 ; ο T2:光源為W2，出光位置C3 ; ο T2:光源為W2，出光位置C4。
[0060]紅外成像裝置10根據所提供的光學成像信號感測透過所述壓迫的乳房的透射紅外光，生成紅外光圖像信號。在一次超聲波圖像採集過程中，進行了 8次紅外圖像採集，產生一個由8幅紅外圖像構成的紅外圖像信號序列。把紅外圖像信號序列和紅外光時空信息序列傳輸至主機進行存儲；紅外光發射時空信息指紅外光發射裝置的出光部的位置坐標、紅外光波長、紅外光發射時間、第一夾持部和第二夾持部間距構成的信息。
[0061]按照上述超聲波圖像信號和紅外圖像信號的採集方法，根據控制模塊6依次提供的超聲採樣信號、光學成像信號進行超聲波圖像和紅外光圖像採集操作，完成30次的乳房剖面的超聲圖像信號和紅外光圖像信號序列採樣，並存儲到主機的存信儲器中。
[0062]探頭掃描機構7從乳房的右側向左側移動過程中，當其從左側移出被測乳房時，設置在左側的採集觸發傳感器73的信號量未發生階躍變化而右側的採集觸發傳感器73的信號量發生階躍變化，即左側的採集觸發傳感器73是『0』狀態，右側的採集觸發傳感器73是『I』狀態。控制模塊6根據左、右兩側的採集觸發傳感器73信號的狀態情況進行運算判斷已移出乳房檢測區，並停止圖像採集操作。
[0063]主機的存儲器存儲了對乳房組織進行掃描的不同剖面的超聲波圖像信號組及超聲波時空信息組；主機的存儲器存儲了對乳房組織進行掃描的不同出光位置的紅外圖像信號序列組及紅外光時空信息序列組。
[0064]掃描採樣結術後，掃描平臺3的探頭掃描機構7復位。
[0065]主機的雙模式乳腺三維成像軟體中顯示構建的三維超聲波圖像、三維紅外光圖像。
[0066]超聲成像單元，從主機的存儲器中讀取超聲波圖像信號組、超聲波時空信息組，生成所述壓迫的乳房的超聲波圖像組。
[0067]超聲成像單元根據上述超聲波時空信息組以及超聲波圖像組進行二維影像化處理，去除無效圖像區域，獲得超聲波探頭所在位置坐標處的受壓迫的乳房的剖面掃描的超聲波影像。超聲成像單元對不同位置坐標處的超聲波影像進行處理，生成受壓迫的乳房在每個掃描位置的二維超聲圖像；再對不同位置坐標處的二維超聲圖像進行融合處理，重建受壓迫的乳房的三維超聲波圖像。超聲圖像處理及重建系現有技術，在此不再詳述。
[0068]紅外成像單元，從主機的存儲器中讀取不同發光源位置掃描的紅外圖像信號序列組及紅外光時空信息序列組。採用光學散射模型，紅外成像單元對不同發光源位置掃描的紅外圖像信號序列組及紅外光時空信息序列組進行二維影像化處理，獲得出光部所在位置坐標處的受壓迫的乳房的紅外影像組；紅外成像單元對不同位置坐標處的紅外影像組進行融合處理，重建受壓迫的乳房的三維紅外圖像。紅外圖像處理及重建系現有技術，在此不再詳述。
[0069]本發明的超生成像和光學成像是在同一空間同步採集獲得，獲得的乳房組織的三維超聲成像和三維光學成像在空間上相互關聯，另外，在掃描採樣過程中乳房不移動，乳房組織的狀態保持一致性，三維容積超聲成像和紅外成像在空間上相關聯度更高，實現兩種模式圖像的疊加分析，利於對乳房組織的檢查和診斷，無損無創。相對與現有技術，本發明具有如下進步性:
I)超聲圖像和紅外光圖像信號同步採集，重建的兩種三維圖像在空間上相關聯，有利於對乳腺組織的診斷。
[0070]2)本裝置的成像無損無創無輻射，適於不同年齡段人群的檢查。
[0071]3)適應不同大小乳腺的掃描成像，通過一個或多個超聲探頭實現對不同大小乳房的掃描成像；本發明對超聲探頭規格沒有特殊要求和限制，可以選擇裝配不同的超聲探頭和超聲波模塊，具有靈活性。
[0072]4)掃描中乳房靜止，被測乳房放置在掃描平臺上的掃描滑動面膜和組織壓板之間，並由組織壓板壓迫，則在掃描過程是乳房不移動，乳房組織的狀態始終保持一致。
[0073]5)全自動掃描，通過設置在掃描平臺內的探頭掃描機構、控制模塊及主機，實現乳房掃描由設備自動完成。
[0074]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，本發明要求保護範圍由所附的權利要求書、說明書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種雙模式乳腺三維成像裝置，其特徵在於，包括: 夾壓裝置，具有放置乳房的開口部，用於通過使用第一夾持部和第二夾持部來夾著並壓迫乳房； 超聲成像裝置，包括相連接的超聲波探頭和超聲模塊，超聲波探頭設置在所述開口部上，，超聲成像裝置根據所提供的超聲波採樣信號將超聲波發射到所述壓迫的乳房，並接收來自所述乳房的反射波信號，獲得所述壓迫的乳房的超聲圖像信號； 紅外光發射裝置，其出光部設置在所述開口部上，根據所提供的光學成像信號將紅外光發射到所述壓迫的乳房； 紅外成像裝置，設置在所述開口部上並與出光部相對，感測透過所述壓迫的乳房的散射紅外光，生成紅外圖像信號； 控制模塊，向超聲成像裝置提供所述超聲波採樣信號，同步向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供所述光學成像信號。
2.根據權利要求1所述的一種雙模式乳腺三維成像裝置，其特徵在於，還包括: 機架，以及 臺架，其通過第一轉動副、第一滑動副和機架連接，相對於機架轉動和上下移動； 掃描平臺，其設置在臺架一端，構成所述夾壓裝置的第一夾持部；掃描平臺內置控制模塊以及設置在探頭掃描機構上的超聲波探頭和紅外光發射裝置的出光部；超聲波探頭經超聲模塊和控制模塊連接，紅外光發射裝置和控制模塊連接； 測量臂，其設置在臺架另一端，通過第三滑動副和臺架連接，相對於臺架兩端方向往復移動，構成所述夾壓裝置的第二夾持部；測量臂內置紅外成像裝置，紅外成像裝置和控制模塊連接； 所述掃描平臺和測量臂之間相對面構成放置乳房的所述開口部。
3.根據權利要求2所述的一種雙模式乳腺三維成像裝置，其特徵在於: 所述探頭掃描機構，包括掃描平板、導軌及第四電機，掃描平板通過第四滑動副和導軌連接，掃描平板通過第四絲槓副和第四電機連接，第四電機經電機控制器與控制模塊連接; 至少一個所述超聲波探頭固定在所述掃描平板上，紅外光發射裝置由至少一路輸出光纖構成的出光部固定在掃描平板上並位於超聲波探頭的一側；超聲波探頭和紅外光發射裝置的出光部的兩側分別安裝採集觸發傳感器，其和控制模塊連接，用於觸發紅外圖像或/和超聲波圖像的採集操作； 所述掃描平板兩側上部分別連接有用於承載受壓迫乳房的掃描滑動面膜。
4.根據權利要求2所述的一種雙模式乳腺三維成像裝置，其特徵在於: 所述紅外光發射裝置包括輸出光纖束、光開關、輸入光纖束、光源組、光開關控制器和光源控制器，輸出光纖束的一端設置在所述探頭掃描機構上構成所述出光部，輸出光纖束的另一端和光開關連接，光開關和光源組間由輸入光纖束連接，光開關經光開關控制器和控制模塊連接，光源組經光源控制器和控制模塊連接。
5.根據權利要求2所述的一種雙模式乳腺三維成像裝置，其特徵在於: 所述機架的上部設有用於控制探頭掃描機構運動的按鍵組，所述按鍵組和控制模塊連接； 機架的下部設有主機箱，主機箱上方設有顯示裝置，主機箱的一側的支撐板上設有操作鍵盤，主機箱內部設有主機，顯示裝置和操作鍵盤與主機連接，主機和控制模塊通信連接； 超聲波探頭、超聲模塊和主機依次電連接，紅外成像裝置與主機電連接。
6.一種雙模式乳腺三維成像方法，採用權利要求5所述的雙模式乳腺三維成像裝置，其特徵在於，包括以下步驟: SI控制模塊，控制探頭掃描機構運動，並向超聲成像裝置提供超聲波採樣信號，同步向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供光學成像信號； S2根據所提供的超聲波採樣信號，超聲模塊採集超聲波探頭的超聲圖像信號，並獲得該時刻的超聲成像時空信息； S3根據所提供的光學成像信號，紅外光發射裝置依次將選定波長的紅外光經選定的輸出光纖發射到所述壓迫的乳房，紅外成像裝置同步感測透過所述壓迫的乳房的散射紅外光，生成紅外圖像信號；並獲得該時刻的紅外光時空信息； S4掃描完成後，超聲成像單元將獲得的超聲圖像信號組和其對應的超聲波時空信息組進行圖像處理和三維重建，獲得三維超聲圖像； S5掃描完成後，紅外成像單元將獲得的紅外圖像信號組和其對應的紅外光時空信息組進行圖像處理和三維重建，獲得三維紅外光學圖像。
7.根據權利要求6所述的一種雙模式乳腺三維成像方法，其特徵在於，所述步驟SI還包括以下子步驟: SBll控制模塊驅動探頭掃描機構確定被測壓迫的乳房組織的採樣範圍； SB12控制模塊根據設定的採樣參數確定採樣間隔； SB13控制模塊驅動探頭掃描機構從被測壓迫的乳房的一側向另一側移動，以設定的採樣時間間隔向超聲成像裝置提供超聲當採樣信號，同步向紅外光發射裝置和紅外成像裝置提供光學成像信號。
8.根據權利要求6所述的一種雙模式乳腺三維成像方法，其特徵在於，所述步驟S4還包括以下子步驟: SB41所述超聲波時空信息包含超聲波探頭的位置坐標和超聲圖像採集時間的信息；SB42所述超聲成像單元根據所述超聲波時空信息以及超聲圖像信號進行二維影像化處理，去除無效圖像區域，獲得超聲波探頭所在位置坐標處的受壓迫的乳房的超聲波影像； SB43所述超聲成像單元對不同位置坐標處的超聲波影像進行融合處理，生成受壓迫的乳房在每個掃描位置的二維超聲圖像； SB44超聲成像單元對不同位置坐標處的二維超聲圖像進行融合處理，獲得被測組織的三維超聲波圖像。
9.根據權利要求6所述的一種雙模式乳腺三維成像方法，其特徵在於，所述步驟S5還包括以下子步驟: SB51所述紅外光時空信息指紅外光發射裝置的出光部的位置坐標、紅外光波長、紅外光發射時間構成的信息； SB52所述紅外成像單元根據所述紅外光時空信息以及紅外圖像信號進行二維圖像處理，獲得出光部所在位置坐標處的受壓迫的乳房的紅外影像； SB53所述紅外成像單元對不同位置坐標處的紅外影像進行融合處理，根據光散射模型，進行光學圖像重建，生成受壓迫的乳房的三維紅外圖像。
【文檔編號】A61B5/00GK104382558SQ201410671160
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】王維平 申請人:南京星頓醫療科技有限公司