JP2005152187A - 3D ultrasonic phantom - Google Patents

Abstract

Translated fromJapanese

【課題】 従来の超音波キャリブレーション装置では、３次元データ取得が困難であった。この発明では、超音波画像における患部位置の測定精度を向上し、超音波画像データの座標系と位置センサ等の座標系を較正する超音波キャリブレーション装置を提供する。
【解決手段】 超音波画像を用いた位置・姿勢のキャリブレーションにおいて使用されるファントムであって、筐体と、この筐体内に固定された複数個のターゲット６６と、上記筐体内に充填された組織等価剤６４とを備えたことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain three-dimensional data with a conventional ultrasonic calibration apparatus is difficult. The present invention provides an ultrasonic calibration device that improves the measurement accuracy of an affected part position in an ultrasonic image and calibrates a coordinate system of ultrasonic image data and a coordinate system such as a position sensor.
A phantom used in position / orientation calibration using an ultrasonic image, the casing, a plurality of targets 66 fixed in the casing, and the casing filled. The tissue equivalent agent 64 is provided.
[Selection] Figure 1

Description

Translated fromJapanese

この発明は、超音波画像における患部位置の測定精度向上に係る技術であり、超音波画像データの座標系と位置センサ等の座標系を較正する超音波キャリブレーション装置、特にこのキャリブレーションで使用される治具である３次元超音波ファントムに関するものである。  The present invention relates to a technique for improving the measurement accuracy of an affected part position in an ultrasonic image, and is used in an ultrasonic calibration device that calibrates a coordinate system of ultrasonic image data and a coordinate system such as a position sensor, particularly in this calibration. The present invention relates to a three-dimensional ultrasonic phantom that is a jig.

従来の超音波キャリブレーション装置では、超音波診断装置から３次元データが取得できないため、例えば非特許文献１のＦｉｇ．２に示されるように、超音波ファントム内に２本のラインターゲットを張り、その交点（参照点）が２次元超音波画像内に映るように２次元超音波プローブを操作している。また、その時のプローブの位置・姿勢を記録する。交点を複数の方向から撮影し、上記データを取得することで、キャリブレーション計算を正確に行っている。従来、本発明で提案するような３次元超音波ファントムは存在しなかった。  In the conventional ultrasonic calibration apparatus, three-dimensional data cannot be acquired from the ultrasonic diagnostic apparatus. For example, FIG. As shown in FIG. 2, two line targets are set in the ultrasonic phantom, and the two-dimensional ultrasonic probe is operated so that the intersection (reference point) is reflected in the two-dimensional ultrasonic image. Also record the position and orientation of the probe at that time. The intersection point is photographed from a plurality of directions and the above data is acquired, so that the calibration calculation is accurately performed. Conventionally, there has been no three-dimensional ultrasonic phantom as proposed in the present invention.

Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｈａｒｔｏｖｅ ｅｔ ａｌ，Ｅｒｒｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ａ ｆｒｅｅ−ｈａｎｄ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｎｅｕｒｏｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｎｅｕｒｏｓｕｒｇｉｃａｌ Ｆｏｃｕｓ，ｖｏｌ．６，Ｎｏ．３，ａｒｔｉｃｌｅ５，１９９９Alexander Hartove et al, Error analysis for a free-hand three-dimensional ultra-sound system for neuronaviation, Neurological Focus, vol. 6, no. 3, article 5,1999

上述のような従来の超音波キャリブレーション装置では、ラインターゲットの交点（参照点）が２次元超音波画像内に映るようにプローブを操作することは困難である。また、複数の参照点の３次元座標データを、上記の困難なプローブ操作をして２次元画像を取得し、プローブの位置・姿勢データと合成して求めることは、計算誤差を生むという問題点があった。  In the conventional ultrasonic calibration apparatus as described above, it is difficult to operate the probe so that the intersection (reference point) of the line target is reflected in the two-dimensional ultrasonic image. In addition, obtaining the two-dimensional image of the three-dimensional coordinate data of a plurality of reference points by performing the above difficult probe operation and combining it with the probe position / posture data causes a calculation error. was there.

この発明に係る超音波キャリブレーション装置では、３次元超音波ファントムを提案する。この３次元超音波ファントムには、球ターゲットを所定の位置に取り付けるようにしたため、３次元超音波診断装置から得られる３次元データには複数の球ターゲットを映り込ませることができ、キャリブレーション計算に必要な複数の参照点データを困難なプローブ操作をせずに取得することができる。また、３次元超音波ファントム内の複数の球ターゲットは異なる径にし、また、球ターゲット間の距離も異なるようにしたため、プローブの位置・姿勢による影響を受けずに、得られた３次元超音波画像から、各々の球ターゲットの同定を容易にした。  In the ultrasonic calibration apparatus according to the present invention, a three-dimensional ultrasonic phantom is proposed. In this 3D ultrasonic phantom, a spherical target is attached at a predetermined position, so that a plurality of spherical targets can be reflected in the 3D data obtained from the 3D ultrasonic diagnostic apparatus, and the calibration calculation is performed. The plurality of reference point data necessary for the acquisition can be acquired without performing a difficult probe operation. In addition, since the plurality of spherical targets in the three-dimensional ultrasonic phantom have different diameters and the distances between the spherical targets are also different, the obtained three-dimensional ultrasonic wave is not affected by the position and orientation of the probe. From the image, identification of each sphere target was facilitated.

この発明の請求項１に記載の発明である３次元超音波ファントムは、超音波画像を用いた位置・姿勢のキャリブレーションにおいて使用されるものであって、筐体と、この筐体内に固定された複数個のターゲットと、上記筐体内に充填された組織等価剤とを備えたことを特徴とするものである。  The three-dimensional ultrasonic phantom according to the first aspect of the present invention is used in position / orientation calibration using an ultrasonic image, and is fixed to the casing and the casing. And a plurality of targets, and a tissue equivalent agent filled in the casing.

この発明の請求項２に記載の発明である３次元超音波ファントムは、請求項１に記載のものであって、複数個のターゲットが、それぞれ径の異なる球形であり、かつ、ターゲット相互の距離が異なるように筐体内に固定されていることを特徴とするものである。  A three-dimensional ultrasonic phantom according to a second aspect of the present invention is the three-dimensional ultrasonic phantom according to the first aspect, wherein the plurality of targets are spherical with different diameters, and the distance between the targets. It is characterized in that it is fixed in the housing so as to be different.

この発明によれば、複数の球ターゲットを埋め込んだ３次元超音波ファントムと、３次元超音波診断装置を用いたことにより、キャリブレーション計算に必要な参照点データが一度に複数取得できるようにした。また、プローブ位置・姿勢の計測を一度しか行わないため、計測誤差を減らすことを可能にした。また、径の異なる球ターゲット、および、球ターゲット間距離を異なるようにしたため、３次元超音波画像における各球ターゲットの同定を容易にする。  According to the present invention, by using a 3D ultrasonic phantom in which a plurality of sphere targets are embedded and a 3D ultrasonic diagnostic apparatus, a plurality of reference point data necessary for calibration calculation can be acquired at a time. . In addition, since the probe position / orientation is measured only once, the measurement error can be reduced. In addition, since the spherical targets having different diameters and the distance between the spherical targets are made different, identification of each spherical target in the three-dimensional ultrasonic image is facilitated.

実施の形態
図１は本発明の実施の形態による超音波キャリブレーション装置の構成図である。超音波キャリブレーション装置は、３次元超音波診断装置２と、超音波プローブ４と、３次元超音波ファントム６と、計算機８と、位置センサ１０とを備えることを特徴とする。３次元超音波ファントム６上に配置した超音波プローブ４が３次元スキャンし、３次元超音波診断装置２から３次元超音波ファントム６の３次元超音波画像を取得する。同時に、位置センサ１０からプローブ４の位置・姿勢データを取得する。計算機８は、３次元超音波画像、プローブ４の位置・姿勢データおよび３次元超音波ファントム６の設計データからキャリブレーション計算を行う。超音波プローブ４は、３次元スキャンを行うものである。位置センサ１０は、対象物の３次元位置・姿勢データを取得するものであれば、機械式や光学式等の方式にはとらわれない。Embodiment FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic calibration apparatus according to an embodiment of the present invention. The ultrasonic calibration apparatus includes a three-dimensional ultrasonicdiagnostic apparatus 2, an ultrasonic probe 4, a three-dimensional ultrasonic phantom 6, acalculator 8, and aposition sensor 10. The ultrasonic probe 4 arranged on the three-dimensional ultrasonic phantom 6 performs a three-dimensional scan, and acquires a three-dimensional ultrasonic image of the three-dimensional ultrasonic phantom 6 from the three-dimensional ultrasonicdiagnostic apparatus 2. At the same time, the position / posture data of the probe 4 is acquired from theposition sensor 10. Thecalculator 8 performs calibration calculation from the three-dimensional ultrasonic image, the position / posture data of the probe 4 and the design data of the three-dimensional ultrasonic phantom 6. The ultrasonic probe 4 performs a three-dimensional scan. As long as theposition sensor 10 acquires the three-dimensional position / posture data of the object, theposition sensor 10 is not limited to a mechanical type or an optical type.

図２は本発明の実施の形態による３次元超音波ファントム６の構成図である。ファントムケース６２内部に、複数の球ターゲット６６を固定取り付けし、水等の組織等価剤６４でファントムケース６２を充填する。超音波プローブ４をファントムケース６２に固定し、超音波スキャンにより超音波画像を取得する。ファントムケース６２内部に複数の球ターゲット６６を固定したため、１つの３次元超音波画像に複数の球ターゲット６６の信号を含めることが可能となる。その結果、複数の球ターゲット６６の位置データ（参照点データ）を得るために困難な超音波プローブ４の操作を不要としながら、１つの３次元超音波画像から複数の参照点データが得られる効果がある。  FIG. 2 is a configuration diagram of the three-dimensional ultrasonic phantom 6 according to the embodiment of the present invention. A plurality ofspherical targets 66 are fixedly attached inside thephantom case 62, and thephantom case 62 is filled with a tissueequivalent agent 64 such as water. The ultrasonic probe 4 is fixed to thephantom case 62, and an ultrasonic image is acquired by ultrasonic scanning. Since the plurality ofsphere targets 66 are fixed inside thephantom case 62, signals of the plurality ofsphere targets 66 can be included in one three-dimensional ultrasound image. As a result, it is possible to obtain a plurality of reference point data from one three-dimensional ultrasound image without requiring the operation of the ultrasonic probe 4 which is difficult to obtain the position data (reference point data) of the plurality ofsphere targets 66. There is.

また、ターゲットの形状を球にすると、任意方向のプローブから取得した３次元超音波画像の任意断面は必ず円或は楕円形となり、半径或いは長径、短径が最大値となる断面での円或は楕円の中心が、３次元超音波画像での球ターゲットの中心位置となる。これにより、３次元超音波画像での球ターゲット位置の特定を容易化できる。  If the target shape is a sphere, the arbitrary cross section of the three-dimensional ultrasonic image acquired from the probe in an arbitrary direction is always a circle or an ellipse, and the circle or the cross section where the radius, the major axis, and the minor axis are maximum. The center of the ellipse is the center position of the sphere target in the three-dimensional ultrasonic image. Thereby, specification of the sphere target position in the three-dimensional ultrasonic image can be facilitated.

また、超音波プローブ４の位置・姿勢データは、上記３次元超音波画像の取得（スキャン）時に一度だけ記録すればよい。その結果、キャリブレーション計算量を減らすことが可能となり、更に、プローブ４の位置・姿勢データは一度しか計測しないため、計測誤差を抑えることが可能となる。また、複数の球ターゲット６６の径を異なるようにすることで、３次元超音波画像内における各球ターゲット６６の同定を容易にすることが可能となる。また、複数の球ターゲット６６の配置において、球ターゲット６６間の距離を異なるようにすることで、３次元超音波画像内における各球ターゲット６６の同定を容易になる。  Further, the position / orientation data of the ultrasonic probe 4 may be recorded only once when the three-dimensional ultrasonic image is acquired (scanned). As a result, it is possible to reduce the amount of calibration calculation, and furthermore, since the position / posture data of the probe 4 is measured only once, measurement errors can be suppressed. In addition, by making the diameters of the plurality of sphere targets 66 different, it becomes possible to easily identify eachsphere target 66 in the three-dimensional ultrasonic image. Further, in the arrangement of the plurality of sphere targets 66, the distance between thesphere targets 66 is made different so that each sphere target 66 in the three-dimensional ultrasonic image can be easily identified.

キャリブレーション計算では、最小２乗法等の最適化計算を行う。より安定した解を得るためには多くのデータ量が必要となるケースがある。その場合には、ターゲット数を増やすことで十分な参照点データを取得しても良い。或いは、超音波プローブ４の位置あるいは姿勢を変化させ、その時の超音波プローブ４の位置・姿勢を記録するのと同時に、スキャンした３次元超音波画像を取得し、上記超音波プローブ４の位置・姿勢データと合成して参照点データを増やしても同様の効果がある。特にターゲットが球ターゲット場合には、球ターゲット６６の径を異なるサイズにする、あるいは、球ターゲット６６間の距離を異なるようにしておけば同定が容易になる。  In the calibration calculation, optimization calculation such as the least square method is performed. There are cases where a large amount of data is required to obtain a more stable solution. In that case, sufficient reference point data may be acquired by increasing the number of targets. Alternatively, the position or posture of the ultrasonic probe 4 is changed, and the position and posture of the ultrasonic probe 4 at that time are recorded. At the same time, a scanned three-dimensional ultrasonic image is acquired, and the position and posture of the ultrasonic probe 4 are acquired. The same effect can be obtained by increasing the reference point data by combining with the posture data. In particular, when the target is a sphere target, identification can be facilitated by setting the diameter of thesphere target 66 to a different size or by making the distance between the sphere targets 66 different.

この発明の３次元超音波ファントムは、超音波診断装置を用い患部位置を測定する際の測定治具に用いることができる。  The three-dimensional ultrasonic phantom of the present invention can be used as a measurement jig when measuring the position of an affected area using an ultrasonic diagnostic apparatus.

この発明の実施の形態に係る超音波キャリブレーション装置の構成図である。1 is a configuration diagram of an ultrasonic calibration apparatus according to an embodiment of the present invention.この発明の実施の形態に係る３次元超音波ファントムの構成図である。It is a block diagram of the three-dimensional ultrasonic phantom which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

２ ３次元超音波診断装置、 ４ 超音波プローブ、 ６ ３次元超音波ファントム、 ８ 制御用計算機、 １０ 位置センサ、 ６２ ファントムケース、 ６４ 水或いは水等価樹脂等の組織等価剤、 ６６ 球ターゲット。

2 3D ultrasonic diagnostic device, 4 ultrasonic probe, 6 3D ultrasonic phantom, 8 control computer, 10 position sensor, 62 phantom case, 64 tissue equivalent agent such as water or water equivalent resin, 66 ball target.

Claims (2)

Translated fromJapanese

超音波診断において使用されるファントムであって、筐体と、この筐体内に固定された複数個のターゲットと、上記筐体内に充填された組織等価剤とを備えたことを特徴とする３次元超音波ファントム。A phantom used in ultrasonic diagnosis, comprising a housing, a plurality of targets fixed in the housing, and a tissue equivalent agent filled in the housing Ultrasonic phantom.上記複数個のターゲットは、それぞれ径の異なる球形であり、かつ、ターゲット相互の距離が異なるように上記筐体内に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元超音波ファントム。

2. The three-dimensional ultrasonic phantom according to claim 1, wherein the plurality of targets have spherical shapes with different diameters and are fixed in the housing so that the distances between the targets are different.

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