TWI837015B - 用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，首先根據建立的3D器官模型在超音波掃描產生不同的回聲反彈係數給予影像成像不同的灰階像素。其中回聲反彈係數越強則相對影像成像的像素越白，以據此得到超音波掃描3D器官時所形成之對應的回聲反彈影像。接著將該回聲反彈影像進行邊緣高光強化以得到邊緣強化影像，然後將一散射光和顆粒感遮罩與該邊緣強化影像套疊得到具散射光和顆粒感影像；續之，將具散射光和顆粒感影像套疊在一模擬上層皮膚質感的背景影像以形成具上層皮膚質感影像，最後將具上層皮膚質感影像扇形化並經扇形遮罩裁切，即可得到用於虛擬實境且逼真的即時超音波掃描影像。
Description
本發明係有關於一種圖像的渲染方法，尤其是指一種用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法。
隨著科學及醫療技術的蓬勃發展，人類能夠使用更精密的儀器進行疾病的診斷與分析，除了能提高診斷的正確性，同時令疾病早期發現，提高治癒效果。
其中，超音波檢查，是利用高頻音波的醫學影像學診斷技術，無輻射疑慮，因此，是一種安全、無侵襲性的診療方式；常見的腹部超音波檢查，能幫助消化系內科的醫師輕易觀察到腹部器官(如肝、膽等)的健康狀態，是消化系內科醫師臨床診療時的一大利器。然而，腹部超音波檢查的病灶判斷正確性與操作者的經驗有相當大的關係。雖然在現有的技術中，能令AI(人工智
慧，artificial intelligence)經過適切的學習技術從超音波掃描的影像中找出病灶。惟判斷病灶的過程當中尚有諸多不確定因子存在，而影響判斷的正確性；因此AI的病灶判斷僅為參考性質，在臨床上最終還是得交由醫師判斷。而醫師必須經過相當程度的超音波掃描訓練方能在診療時做出正確的病灶判斷。
隨著資訊科技的日新月異，虛擬實境的應用也越發蓬勃發展。舉凡醫療、軍事、教育、觀光、遊戲...等皆有其應用的痕跡。在醫療方面，已有相當多的應用，例如手術模擬訓練、超音波掃描模擬訓練、行為治療、胺體復健等。
目前虛擬實境中模擬超音波掃描影像的技術係先以醫用超音波影像設備取得實際超音波影像，再配合空間定位裝置取得空間座標，進而建立一套超音波影像資料集，並以核磁共振造影技術為基礎建立三維視覺化人體結構，提供任意切平面的掃描參考位置，然後再由資料庫中及時計算並顯示該切平面所對應的超音波影像(參見蕭樺鴻，「三維視覺化暨影像參照之超音波虛擬實境系統」，碩士論文，國立陽明大學醫學工程研究所，2008。<https://hdl.handle.net/11296/s8gm6g>)。
然而上述揭示的技術必須事先以醫用超音波影像設備取得數量龐大的實際超音波影像，以及建立數量龐大的超音波影像資料集，方能在後續以虛擬探頭掃描任意角度時顯示對應切面的超
音波影像，建立的過程相當繁瑣，且費時費工，尤其需要極大的記憶空間來儲存這些影像及相關的空間座標資料。
此外，因病灶的種類、位置、大小皆係事先建立，導致訓練的模型固定，缺乏變化，而影響訓練的成效。
又，若想改變病灶的種類、位置、大小，就必須重新建立超音波影像資料集，處理過程相當麻煩。
今，發明人即是鑒於上述情形，於是開發出本發明，提供一種用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法。
本發明的主要目的，係為提供一種用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，主要係令於虛擬實境下以超音波對人體器官進行掃描時，能透過即時性的渲染使影像呈現有如真實性的超音波掃描影像的逼真效果。
本發明之另一目的，為透過在虛擬實境中的3D器官模型上設置病灶，並依據該病灶的位置及材質在超音波掃描時的回聲反彈係數給予預設像素，使回聲反彈影像中包含病灶影像，提供使用者在虛擬實境中透過超音波尋找病灶的案例練習。
上述本發明之目的，係由以下技術實現：
一種用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，包含以下步驟：
建構回聲反射影像，係將一經由軟體定義的3D器官模型套用一透明渲染著色器，並以alpha值表現，進而生成對應的器官回聲反射影像；其中，所述透明渲染著色器的著色原則係根據超音波掃描一3D器官模型時，因材質、位置、交疊情況不同以致回聲反射係數不同，依據不同的所述回聲反射係數給予對應的影像成像不同的灰階像素，回聲反射係數越強則相對影像成像的像素越白，反之越黑，以據此建構出一模擬所述超音波掃描所述3D器官時所形成對應的所述回聲反射影像；
建構邊緣強化影像，將所述回聲反射影像通過邊緣高光強化程序，以得到邊緣強化影像；
形成具散射光和顆粒感影像，設計一散射光背景，並將所述散射光背景與所述邊緣強化影像相互套疊，使所述邊緣強化影像上疊加一由上而下的散射光，接著將所述邊緣強化影像套疊所述散射光背景後的影像通過徑向模糊程序，產生模擬漫射光所造成之雜訊與顆粒感，以據此套疊形成具散射光和顆粒感影像；
形成具上層皮膚質感影像，設計一模擬所述超音波掃描人體所得到之上層皮膚質感的背景影像，將所述具散射光和顆粒感影像與所述背景影像套疊，使所述具散射光和顆粒感影像上具有超音波掃描產生的上層皮膚質感的效果，而形成具上層皮膚質感影像；
產生超音波掃描影像，將所述具上層皮膚質感影像扇形化，並設計一扇形遮罩對經扇形化的所述具上層皮膚質感影像進行裁切，裁切後即得到在虛擬實境中以超音波掃描人體器官的即時影像。
如上所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，經由軟體定義的所述3D器官模型上還包含至少一病灶。
如上所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述邊緣高光強化程序係將所述回聲反射影像經卷積運算得到。
如上所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述散射光背景係將一內部具有圓球的矩形體的像素座標轉成極座標系統(r,θ)後，再計算其各像素往上卷積的不透明度總合，於反轉後得到模擬超音波陰影效果的所述散射光背景。
如上所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述徑向模糊程序係取所述邊緣強化影像套疊所述散射光背景後的影像的鄰近像素座標(r,θ)=(r,θ±l/2)平均值。
如上所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述背景影像係將一黑色影像經tanh函數濾波器後得到一上方偏白影像，再將所述上方偏白影像雜訊化，即得具雜訊且上方偏白的所述背景影像。
S1:建構回聲反射影像
S2:建構邊緣強化影像
S3:形成具散射光和顆粒感影像
S4:形成具上層皮膚質感影像
S5:產生超音波掃描影像
A:肝囊腫
B:結石
1:手部操作桿
2:枕頭
第一圖：為本發明用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法的處理步驟流程圖。
第二圖：為腹部3D器官模型經過透明渲染著色器渲染，並以alpha值表現，所形成的具透視感的器官回聲反射影像的示意圖。
第三圖：係以矩形體為人體、圓球體為器官做為示意具透視感的回聲反射影像通過邊緣高光強化後，所得到的邊緣強化影像示意圖。
第四圖：揭示將回聲反射影像的像素座標轉成極座標系統，再計算在極座標系統中其各像素的不透明度並往上卷積運算，於反轉後得到的散射光背景示意圖。
第五圖：揭示將邊緣強化影像套疊該散射光背景並經徑向模糊程序處理後所得到的具散射光和顆粒感影像示意圖。
第六圖：揭示一黑色影像經tanh函數濾波器後得到一上方偏白影像，再將該上方偏白影像雜訊化，產生的具雜訊且上方偏白的背景影像示意圖。
第七圖：為將具散射光和顆粒感影像套疊背景影像後所形成的具上層皮膚質感影像示意圖。
第八圖：為將具上層皮膚質感影像扇形化後，再以扇形遮罩裁切形成扇形的超音波掃描即時影像示意圖。
第九圖：揭示在肝的模型上設計肝囊腫病灶後最終產生的超音波掃描影像示意圖。
第十圖：第十圖揭示在膽的模型上設計結石病灶後最終產生的超音波掃描影像示意圖。
第十一圖：揭示一進入超音波掃描的虛擬實境場景的使用者其在實際環境中將手部操作桿反握持拿並接觸枕頭表面的超音波掃描模擬示意圖。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
請參見第一圖，為本發明用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法的處理步驟流程圖。
首先，欲得到一用於虛擬實境中以超音波對人體內器官掃描產生的超音波圖像，需先透過軟體定義出一3D器官模型，惟該3D器官模型的建模非本案訴求特徵，且軟體3D建模為一既有技術，常見用於人體或器官3D建模的軟體3ds Max等。
本發明之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，依序
包含以下處理步驟：建構回聲反射影像S1、建構邊緣強化影像S2、形成具散射光和顆粒感影像S3、形成具上層皮膚質感影像S4、產生超音波掃描影像S5；其中：
在建構回聲反射影像S1步驟中，係將一經由軟體定義的3D器官模型套用一透明渲染著色器，並以alpha值表現，以生成具透視感的器官回聲反射影像；其中，這個透明渲染著色器對該3D器官模型的著色原則，係根據超音波掃描該3D器官模型時，因3D器官模型的交疊、材質及位置的不同產生的回聲反射係數強弱的不同，而給予不同灰階像素，當回聲反射係數越強時，則給予的像素越白，反之則越黑，以據此建構出一模擬超音波掃描該3D器官時所對應形成之具透視感的回聲反射影像。本發明在圖式中係揭示以腹部器官做為實施例，尤其是肝、膽。如第二圖所示為腹部3D器官模型經過透明渲染著色器渲染，並以alpha值表現，所形成的具透視感的器官回聲反射影像的示意圖。
其中，對於內臟與超音波掃描成像可以整理出以下規則：
(1)液體和空氣幾乎沒有回聲，所以超音波掃描成像是黑的。
(2)從一組織到另一個組織時，若材質差異大，超音波掃描成像會產生邊緣高光(specular)反射。
(3)器官表面不平，會產生音波漫射，導致超音波掃描成像有雜訊、顆粒感。
(4)聲波每經過一層會反射的物質，其強度減弱，超音波掃描成像產生陰影。
(5)離感測器最近的組織回聲最強，隨著滲透越深，強度漸為衰弱(attenuation)。
本發明之透明渲染著色器對該3D器官模型的著色原則，即是基於上述超音波掃描成像的特性並依據3D器官模型的交疊、材質及位置的不同產生的回聲反射係數強弱的不同給予不同灰階像素。
在建構邊緣強化影像S2步驟中，係將上一步驟所得到的回聲反射影像通過邊緣高光強化程序，以得到邊緣強化影像。其中，該邊緣高光強化程序係將回聲反射影像經卷積運算得到。具體是假設超音波來源為成像上方，因此採樣每點像素與其上方像素之顏色變化，形成強度圖，之後再降低解析度使其模糊，以方便觀察。以下為方便說明本發明的處理過程，故將人體簡化為矩形體，器官簡化為圓球體，來進行下面步驟的模擬。請參見第三圖，係在矩形體(即指人體)、圓球體(即指器官)經建構回聲反射影像S1步驟處理後的具透視感的回聲反射影像，再將該影像通過邊緣高光強化處理，所得到的邊緣強化影像示意圖。
在形成具散射光和顆粒感影像S3步驟中，先設計一散射光背景，該散射光背景的設計方式，係將經步驟1之回聲反射影像的像素座標轉成極座標系統(r,θ)，然後計算在極座標系統中其各
像素的不透明度，再進行往上卷積運算，於反轉後便能得到模擬超音波陰影效果的散射光背景。接著，將所得到的散射光背景與上一步驟形成的邊緣強化影像相互套疊，使邊緣強化影像上疊加一由上而下的散射光，然後將邊緣強化影像套疊散射光背景後的影像再通過徑向模糊程序，使影像產生模擬漫射光所造成之雜訊與顆粒感，並據此形成具散射光和顆粒感影像。其中，該徑向模糊程序係取鄰近像素座標的平均值(r，θ)=(r，θ±1/2)後所輸出的徑向模糊效果，以此使邊緣強化影像套疊散射光背景後的影像產生雜訊與顆粒感。如第四圖所示，即是揭示將經步驟1處理後之回聲反射影像的像素座標轉成極座標系統，再計算在極座標系統中其各像素的不透明度並進行往上卷積運算，於反轉後得到的散射光背景示意圖；第五圖揭示將邊緣強化影像套疊該散射光背景並經徑向模糊程序處理後所得到的具散射光和顆粒感影像示意圖。
在形成具上層皮膚質感影像S4步驟中，係設計一模擬超音波掃描人體所得到之上層皮膚質感的背景影像，並將上一步驟所得到的具散射光和顆粒感影像與該背景影像套疊，使具散射光和顆粒感影像上具有超音波掃描產生的上層皮膚質感的效果，而形成具上層皮膚質感影像。其中，該背景影像的設計方式，係取一黑色影像經tanh函數濾波器後得到一上方偏白影像，再將該上方偏白影像雜訊化，即得具雜訊且上方偏白的背景影像，如第六圖
所示。請參看第七圖，為將第五圖的具散射光和顆粒感影像套疊本步驟設計的背景影像後所形成的具上層皮膚質感影像示意圖。
在產生超音波掃描影像S5步驟中，係將具上層皮膚質感影像扇形化，並設計一扇形遮罩，接著利用該扇形遮罩對經扇形化的具上層皮膚質感影像進行扇形裁切，裁切後即得到一超音波掃描人體器官的扇形即時影像。其中，第八圖所示為將第七圖的具上層皮膚質感影像扇形化後，再以扇形遮罩裁切形成扇形的超音波掃描即時影像示意圖。
透過上述處理步驟，在虛擬實境中操作超音波對人體器官的掃描時，便能得到一與實體超音波掃描人體器官產生的超音波影像無異的影像，提供一種在沒有真實資料的情況下達到逼真的操作模擬技術，讓使用者以花費更少成本的虛擬實境進行器官學理與超音波掃描訓練，而不需再以昂貴的超音波設備及實際人體進行訓練。
除此之外，為了進一步訓練學生識別病症，可以令經由軟體定義的3D器官模型上設計至少一病灶，且該具有病灶的3D器官模型在經過建構回聲反射影像、建構邊緣強化影像、形成具散射光和顆粒感影像、形成具上層皮膚質感影像、產生超音波掃描影像步驟之後，於產生的超音波掃描影像的器官上顯示出該病灶。如在第九圖中即揭示在肝的模型上設計肝囊腫病灶後最終產生的超音波掃描影像示意圖，圖中的元件符號A即代表在超音波掃描
影像下發現的肝囊腫，而第十圖則揭示在膽的模型上設計結石病灶後最終產生的超音波掃描影像示意圖，圖中的元件符號B即代表在超音波掃描影像下發現的結石。又，病灶的位置隨時可以移動，只需要直接在由軟體定義的3D器官模型上調整位置即可，操作相當簡單，因此，可以提供多樣的實施例供學生練習測驗。
再者，於操作使用以本發明之方法所開發的超音波掃描器官的虛擬實境系統時，為令其手部操作桿更符合實際超音波探頭的握持狀態，故令使用者將手部操作桿以上下相反方式持拿，同時為了模擬超音波探頭接觸人體的彈性效果，提供一枕頭供使用者握持手部操作桿與之接觸，而不再懸空操作手部操作桿。參見第十一圖，係揭示一進入超音波掃描的虛擬實境場景的使用者其在實際環境中將手部操作桿1反握持拿並接觸枕頭2表面的超音波掃描模擬示意圖。
以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
S1:建構回聲反射影像
S2:建構邊緣強化影像
S3:形成具散射光和顆粒感影像
S4:形成具上層皮膚質感影像
S5:產生超音波掃描影像
Claims (8)
- 一種用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，包含以下步驟：建構回聲反射影像，係將一經由軟體定義的3D器官模型套用一透明渲染著色器，並以alpha值表現，進而生成對應的器官回聲反射影像；其中，所述透明渲染著色器的著色原則係根據超音波掃描一3D器官模型時，因材質、位置、交疊狀態不同以致回聲反射係數不同，依據不同的所述回聲反射係數給予對應的影像成像不同的灰階像素，回聲反射係數越強則相對影像成像的像素越白，反之越黑，以據此建構出一模擬所述超音波掃描所述3D器官時所形成的對應的所述回聲反射影像；建構邊緣強化影像，將所述回聲反射影像通過邊緣高光強化程序，以得到邊緣強化影像；形成具散射光和顆粒感影像，設計一散射光背景，並將所述散射光背景與所述邊緣強化影像相互套疊，使所述邊緣強化影像上疊加一由上而下的散射光，接著將所述邊緣強化影像套疊所述散射光背景後的影像通過徑向模糊程序，產生模擬漫射光所造成之雜訊與顆粒感，以據此套疊形成具散射光和顆粒感影像；形成具上層皮膚質感影像，設計一模擬所述超音波掃描人體所得到之上層皮膚質感的背景影像，將所述具散射光和顆粒感影 像與所述背景影像套疊，使所述具散射光和顆粒感影像上具有超音波掃描產生的上層皮膚質感的效果，而形成具上層皮膚質感影像；產生超音波掃描影像，將所述具上層皮膚質感影像扇形化，並設計一扇形遮罩對經扇形化的所述具上層皮膚質感影像進行裁切，裁切後即得到在虛擬實境中以超音波掃描人體器官的即時影像。
- 如請求項1所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，經由軟體定義的所述3D器官模型上還包含至少一病灶，且所述病灶形狀及/或位置能隨時變動。
- 如請求項1或2所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述邊緣高光強化程序係將所述回聲反射影像經卷積運算得到。
- 如請求項3所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述回聲反射影像的像素座標轉成極座標系統(r,θ)後，再計算其各像素的不透明度並往上卷積運算，於反轉後得到模擬超音波陰影效果的所述散射光背景；所述徑向模糊程序係取所述邊緣強化影像套疊所述散射光背景後的影像的鄰近像素座標(r,θ)=(r,θ±l/2)平均值。
- 如請求項4所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述背景影像係將一黑色影像經tanh函數濾波器後得到一上方偏白影像，再將所述上方偏白影像雜訊化，即得具雜訊且上方偏白的所述背景影像。
- 如請求項1或2所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述散射光背景係將回聲反射影像的像素座標轉成極座標系統(r,θ)後，再計算其各像素的不透明度並往上卷積運算，於反轉後得到模擬超音波陰影效果的所述散射光背景；所述徑向模糊程序係取所述邊緣強化影像套疊所述散射光背景後的影像的鄰近像素座標(r,θ)=(r,θ±l/2)平均值。
- 如請求項6所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述背景影像係將一黑色影像經tanh函數濾波器後得到一上方偏白影像，再將所述上方偏白影像雜訊化，即得具雜訊且上方偏白的所述背景影像。
- 如請求項1或2所述之用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法，其中，所述背景影像係將一黑色影像經tanh函數濾波器後得到一上方偏白影像，再將所述上方偏白影像雜訊化，即得具雜訊且上方偏白的所述背景影像。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112121110A TWI837015B (zh) | 2023-06-06 | 2023-06-06 | 用於虛擬實境之即時超音波圖像的渲染方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI837015B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI868019B (zh) * | 2024-05-10 | 2024-12-21 | 中國醫藥大學 | 超音波操作訓練系統及超音波操作訓練方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1636521A (zh) * | 2003-12-31 | 2005-07-13 | 株式会社美蒂森 | 使用3维超声数据显示目标对象剖面的设备和方法 |
| CN109310392A (zh) * | 2016-06-06 | 2019-02-05 | 埃达技术股份有限公司 | 交互式腹腔镜超声引导消融计划和手术程序模拟的方法和系统 |
| US20200037983A1 (en) * | 2017-02-14 | 2020-02-06 | Koninklijke Philips N.V. | Path tracking in ultrasound system for device tracking |
| CN115457008A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-12-09 | 艾瑞迈迪医疗科技（北京）有限公司 | 腹腔实时穿刺虚拟仿真培训方法及装置 |
-
2023
- 2023-06-06 TW TW112121110A patent/TWI837015B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1636521A (zh) * | 2003-12-31 | 2005-07-13 | 株式会社美蒂森 | 使用3维超声数据显示目标对象剖面的设备和方法 |
| CN109310392A (zh) * | 2016-06-06 | 2019-02-05 | 埃达技术股份有限公司 | 交互式腹腔镜超声引导消融计划和手术程序模拟的方法和系统 |
| US20200037983A1 (en) * | 2017-02-14 | 2020-02-06 | Koninklijke Philips N.V. | Path tracking in ultrasound system for device tracking |
| CN115457008A (zh) * | 2022-09-23 | 2022-12-09 | 艾瑞迈迪医疗科技（北京）有限公司 | 腹腔实时穿刺虚拟仿真培训方法及装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI868019B (zh) * | 2024-05-10 | 2024-12-21 | 中國醫藥大學 | 超音波操作訓練系統及超音波操作訓練方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202448386A (zh) | 2024-12-16 |
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