本发明涉及一种超声影像数据成像方法和超声模拟仿真系统。
背景技术：
：随着科技的进步和超声医学的不断发展,以及日益复杂的医疗环境，传统的教学模式已经不适应现代医疗的需求。医学模拟教育可以改变以往传统的“师承制”教育模式，通过借助高端模拟人、模拟设备，让医学生或年轻医生反复练习，熟练掌握临床知识，提升专业技能，保证患者安全，提升整体医疗安全和医疗质量，这无疑是未来医学教育的发展趋势所在。在超声医学领域，医学超声成像诊断作为一种专业的诊断方法需要大量的案例数据对超声医师进行超声专科教学和超声影像数据库。目前现有的技术是通过真实超声仪器设备上生成的ct影像进行超声模拟还原成扇形超声影像数据，然后再导入到本地软件内进行可视化呈现，由于ct影像数据量大，运算时间长，最终的超声模拟数据需要一定的运算时间才能获得，使得诊断及教学效率较低，另外仅在超声仪器设备上呈现得到影像也不利于多人观摩教学及专家会诊。同时这种方法因为放射性因素无法大面积使用，而且对于胎儿等特殊群体也无法使用。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是：现有超声影像数据成像运算时间长，很多情况无法使用，成像效率低的问题。为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种超声影像数据成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将超声扫描设备采集的医学数字成像和通信文件解析成数据序列帧文件；步骤二、通过形状算法对数据序列帧运算生成对应的体素影像数据；步骤三、将体素影像数据转化为对应的体素数据；步骤四、使用成像空间定位装置进行体素数据的读取截面成像，将模拟真实超声仪器设备成像显示在显示器上。优选地，所述步骤一中解析过程为通过医学影像数据解析&三维重建软件解析获得通用图片文件格式的数据序列帧文件。优选地，所述形状算法具体为构建矩形体或柱体或球体空间的三维数学模型,基于模型空间坐标系，根据数据序列帧文件的类型进行运算生成对应的体素影像数据。优选地，通过图像三维重建的方法将所述数据序列帧文件还原成球体积或矩形体积或柱体积生成对应的三维体素影像数据。优选地，通过所述成像空间定位装置从所述三维球体积或矩形体积或柱体积中使用切片渲染的技术进行图像切片，截取扇形体积得到医学数字成像和通信文件对应的体素数据，并与一个或多个非超声仪器设备显示器连接并同步显示。优选地，将切片截取后的所述体素数据通过高速网络或者hdmi接口连接一个或多个非超声仪器设备显示器和用户穿戴vr设备同步显示。本发明的另一个技术方案是提供了一种超声模拟仿真系统，其特征在于：包括医用模拟人、用于对医用模拟人进行扫描的探头；成像空间定位装置，用于接收空间定位信息坐标位置信号并传输给电脑主机；电脑主机，用于运行搭载超声影像数据成像方法的模拟仿真软件和安装电磁空间定位器对应软件驱动程序；显示器，与电脑主机连接，用于显示实训内容列表及参数设置和观察实时画面成像及探头的坐标位置。优选地，所述成像空间定位装置为电磁定位装置，包括磁块、电磁空间定位器和传感器，所述探头设在传感器上，磁块设在医用模拟人内用于接收传感器的信号，所述电磁空间定位器分别连接电脑主机、传感器和磁块。优选地，超声模拟仿真系统包括vr版超声影像数据成像方法的模拟仿真软件和用户穿戴vr设备，其中用户穿戴vr设备由电磁空间定位器、vr头显、手柄控制器组成，电磁空间定位器和手柄控制器分别与vr头显连接，vr头显连接电脑主机，由电脑主机搭载vr版超声影像数据成像方法的模拟仿真软件。优选地，所述电磁空间定位器和手柄控制器与vr头显之间通过蓝牙或者无线方式进行数据传输。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可将真实超声仪器设备上采集的超声影像数据解析成序列帧，再利用形状算法得到体素影像数据，配合电磁空间定位器进行剖面截取，形成可视化图像，属于将真实超声仪器设备上采集的超声影像数据通过成像算法转化为体素影像数据，转化后的数据能够快速在多个非超声仪器设备上可视化呈现，有利于观摩教学及专家会诊。本发明能够真实还原超声体素数据，针对人体不同的位置，脏器，收集不同的体素数据，建立病例数据库。本发明在静态超声数据成像的基础上，解决了动态超声数据成像的方法，区别在于动态超声数据相比静态在数据序列帧环节输出的位图是200-300倍。本发明能够为超声培训提供一种高效而廉价的方式，可以方便的获取大量的真实超声病理数据，建立体素超声影像数据库，应用于超声模拟教学。通过全真的练习方式，对模拟患者进行全面的超声检查，通过反复练习，使受训者短期内迅速掌握超声检查技巧，提高学生的学习兴趣，进一步强化基础知识，提高超声实践操作能力，缩短培训时间，减少医患矛盾，更有利于进行规范化、系统化、标准化的学习和考核，具有重要的临床应用价值。附图说明图1为本发明一种超声影像数据成像方法流程图；图2为三种空间数学模型示意图；图3为球体积截取得到体素数据过程示意图；图4为本发明一种超声模拟仿真系统示意图；图5为电磁定位装置结构示意图；图6为vr设备连接示意图。具体实施方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。如图1至图3所示，本发明一种超声影像数据成像方法，包括如下步骤：步骤一、将超声扫描设备采集的医学数字成像和通信文件解析成数据序列帧文件；超声扫描设备在正常使用过程中根据病患扫描部位的不同生成不同的影像便于医生通过无创方式诊断病患的脏器状态，采集的表示体积的纯数据是以dicom为标准存储的文件，dicom(digitalimagingandcommunicationsinmedicine)即医学数字成像和通信，被广泛应用于放射医疗，心血管成像以及放射诊疗诊断设备(x射线，ct，核磁共振，超声等)，所有患者的医学图像都以dicom文件格式进行存储。这个格式包含关于患者的phi(protectedhealthinformation)信息，例如姓名，性别，年龄，以及其他图像相关信息比如捕获并生成图像的设备信息，医疗的一些上下文相关信息等。医学图像设备生成dicom文件，医生使用dicom阅读器(能够显示dicom图像的计算机软件)阅读并对图像中发现的问题进行诊断。获得医学数字成像和通信文件后，可以通过还原像素信息进行图像数据解析，也可以采用第三方医学影像数据解析&三维重建软件软件进行数据解析，获得通用图片文件格式的数据序列帧文件。如选用matlab、3dslice等，本实施例选用matlab，通过c 重建三维数学结构，数学软件将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如c、fortran)的编辑模式，通过matlab解析后获得.bmp后缀的序列帧文件。解析后的序列帧为矩形状已压缩的数据，常规一个脏器获得的序列帧文件约为200张左右。步骤二、通过形状算法对数据序列帧运算生成对应的体素影像数据；形状算法具体为构建矩形体或柱体或球体空间的三维数学模型，基于空间坐标系，通过图像三维重建的方法，根据数据序列帧文件的类型将数据序列帧文件还原成球体积或矩形体积或柱体积，生成对应的三维体素影像数据。构建矩形体或柱体或球体空间的数学模型,根据不同探头扫描人体不同部位，最终的成像形状也不同，针对于不同形状总结归纳这三种数学模型分布用于肝脏、脾脏、胆道、胰脏、胃肠、泌尿系统、妇科、产科、浅表器官、肌肉骨骼系统、外周血管、介入超声、腹膜后间隙大血管对应的超声影像数据。步骤三、将体素影像数据转化为对应的体素数据；通过成像空间定位装置从三维球体积使用切片渲染的技术进行图像切片，截取扇形体积就是真实超声仪器设备上采集的超声影像数据(dicom)对应的体素数据，直角空间坐标系与柱形空间坐标系同理，以球形空间坐标系为较常见的影像数据。步骤四、使用成像空间定位装置进行体素数据的读取截面成像，将模拟真实超声仪器设备成像显示在显示器上。本发明在上述技术中采集位置对象属于静态三维超声(static3d)、另外还有动态三维超声(dynamic3d)和实时三维超声(realtime3d即4d),动态三维超声数据一般是采集人体心血管和胎儿的超声影像数据成像还原，对于原始数据采集速度和数据压缩、运算的要求更进一层。动态三维超声一般用于心脏超声表现与正常值、心室功能测定、心脏瓣膜病、冠状动脉粥样硬化性心脏病、主动脉疾病、心肌病、心包疾病及心脏占位疾病、先天性心脏病、正常/异常妊娠超声表现、胎盘脐带异常、胎儿畸形等超声影像数据。如图4至图6所示，基于本发明一种超声影像数据成像方法搭载一种超声模拟仿真系统，构成包括电脑主机、显示器、成像空间定位装置、3d打印探头、医用模拟人和vr设备。电脑主机作为运行模拟仿真软件的载体，针对于实训使用过程中最终画面呈现在电脑主机连接的显示器，模拟仿真软件搭载一种超声影像数据成像的方法，分为桌面版和虚拟现实版(vr版)两个版本，区别在于是否需要佩戴虚拟现实设备在沉浸式环境内实训操作，软件封装成.exe文件。对于电脑主机配置有一定的要求，主要配置如下：处理器i7-9700显卡gtx10806g显存内存16gb硬盘256gbssd7200转/分钟此外根据软件需求，电脑主机需要配置两个显示器传输两个画面：一个为实训内容列表以及参数设置界面；另一个为使用探头扫描过程中用户观察到的实时画面成像和探头的坐标位置。成像空间定位装置为电磁定位装置，由磁块、电磁空间定位器、传感器组成，需先在电脑主机内安装电磁空间定位器对应软件驱动程序，用于检测设备是否连接正常，是否能正常运行，传感器上安装3d打印探头，将磁块放置于医用模拟人内的凹槽中，用于接收传感器的信号，电磁空间定位器用于将磁块、传感器和电脑主机连接在一起。3d打印探头：根据超声模拟实训的内容，仿真实际设备，针对不同人体部位配套不同的超声探头，为了能更好的模拟超声扫描过程中前后左右的状态，不在规则形状的探头为3d打印制作，安装在电磁空间定位器的传感器上。医用模拟人：医学模拟教育使用的模拟人，1:1真人大小，根据实际情况分为多种年龄状态，本发明目前使用的是女性孕妇体征的医用模拟人，适用模拟检查女性妇科类病理情况。未来根据病理数据库的增多，针对不同病理状态选用不同体征的医用模拟人。本发明一种超声模拟仿真系统包含有vr版超声影像数据成像方法的模拟仿真软件和用户穿戴vr设备，模拟在医院超声室环境进行超声操作训练。vr设备由电磁空间定位器、vr头显、手柄控制器组成，电磁空间定位器和手柄控制器分别与vr头显连接，vr头显连接电脑主机，电脑主机运行搭载有vr版超声影像数据成像方法的模拟仿真软件，电磁空间定位器和手柄控制器与vr头显之间通过蓝牙或者无线方式进行数据传输。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种超声影像数据成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将超声扫描设备采集的医学数字成像和通信文件解析成数据序列帧文件；
步骤二、通过形状算法对数据序列帧运算生成对应的体素影像数据；
步骤三、将体素影像数据转化为对应的体素数据；
步骤四、使用成像空间定位装置进行体素数据的读取截面成像，将模拟真实超声仪器设备成像显示在显示器上。
2.如权利要求1所述的一种超声影像数据成像方法，其特征在于：所述步骤一中解析过程为通过医学影像数据解析&三维重建软件解析获得通用图片文件格式的数据序列帧文件。
3.如权利要求1所述的一种超声影像数据成像方法，其特征在于：所述形状算法具体为构建矩形体或柱体或球体空间的三维数学模型,基于模型空间坐标系，根据数据序列帧文件的类型进行运算生成对应的体素影像数据。
4.如权利要求3所述的一种超声影像数据成像方法，其特征在于：通过图像三维重建的方法将所述数据序列帧文件还原成球体积或矩形体积或柱体积生成对应的三维体素影像数据。
5.如权利要求3或4所述的一种超声影像数据成像方法，其特征在于：通过所述成像空间定位装置从所述三维球体积或矩形体积或柱体积中使用切片渲染的技术进行图像切片，截取扇形体积得到医学数字成像和通信文件对应的体素数据，并与一个或多个非超声仪器设备显示器连接并同步显示。
6.如权利要求5所述的一种超声影像数据成像方法，其特征在于：将切片截取后的所述体素数据通过高速网络或者hdmi接口连接一个或多个非超声仪器设备显示器和用户穿戴vr设备同步显示。
7.应用如权利要求1所述的一种超声影像数据成像方法的一种超声模拟仿真系统，其特征在于：包括医用模拟人、用于对医用模拟人进行扫描的探头；
成像空间定位装置，用于接收空间定位信息坐标位置信号并传输给电脑主机；
电脑主机，用于运行搭载超声影像数据成像方法的模拟仿真软件和安装电磁空间定位器对应软件驱动程序；
显示器，与电脑主机连接，用于显示实训内容列表及参数设置和观察实时画面成像及探头的坐标位置。
8.如权利要求7所述的一种超声模拟仿真系统，其特征在于：所述成像空间定位装置为电磁定位装置，包括磁块、电磁空间定位器和传感器，所述探头设在传感器上，磁块设在医用模拟人内用于接收传感器的信号，所述电磁空间定位器分别连接电脑主机、传感器和磁块。
9.如权利要求7所述的一种超声模拟仿真系统，其特征在于：还包括vr版超声影像数据成像方法的模拟仿真软件和用户穿戴vr设备，其中用户穿戴vr设备由电磁空间定位器、vr头显、手柄控制器组成，电磁空间定位器和手柄控制器分别与vr头显连接，vr头显连接电脑主机，由电脑主机搭载vr版超声影像数据成像方法的模拟仿真软件。
10.如权利要求9所述的一种超声模拟仿真系统，其特征在于：所述电磁空间定位器和手柄控制器与vr头显之间通过蓝牙或者无线方式进行数据传输。
技术总结本发明提供了一种超声影像数据成像方法和超声模拟仿真系统，超声影像数据成像方法包括如下步骤：步骤一、将超声扫描设备采集的医学数字成像和通信文件解析成数据序列帧文件；步骤二、通过形状算法对数据序列帧运算生成对应的体素影像数据；步骤三、将体素影像数据转化为对应的体素数据；步骤四、使用成像空间定位装置进行体素数据的读取截面成像，将模拟真实超声仪器设备成像显示在显示器上。本发明将真实超声仪器设备上采集的超声影像数据通过成像算法转化为体素影像数据，转化后的数据能够在非超声仪器设备上可视化呈现，为超声培训提供一种高效而廉价的方式。
技术研发人员：闵世豪;孙尧
受保护的技术使用者：空岛信息科技(上海)有限公司
技术研发日：2020.02.28
技术公布日：2020.06.05
