文献综述（或调研报告）：
医学成像可以追溯到1895年X射线的发现。从那时起，接连出现了许多医学成像技术，例如计算机断层扫描（CT），磁共振（MRI），超声（US），正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等成像。其中，超声成像以其在价格、无创性、便携性和成像速度方面的优异性能成为了目前在诊所中最常见的辅助诊疗的成像设备[1]。目前临床中使用的大多数超声成像系统主要获取传统的二维（2D）超声图像。然而通过传统的二维超声图像进行疾病诊断和结构分析时存在着很多问题和挑战[2]，例如：诊断时医生必须在脑海中整合二维图像以想象病人被检测部位的三维结构。因此，在过去的二十年中，研究人员和商业公司通过开发新的三维超声成像进一步推动了超声成像技术的发展。这种新的三维医学成像方法正在迅速实现广泛应用，例如基于三维超声的手术导航设备[3]、阴道检查[4]、胎儿产前检查[5]、脊柱侧弯检查[6]、三维超声心动图[7]等。
实现三维超声的技术方法有很多，主要包括机械扫描式、自由臂式和面阵列探头式[8]。它们的特点可以总结为下表：
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主要分类 |
缺陷 |
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机械扫描式 |
线性 |
设备体积大 |
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倾斜式 |
分辨率随深度下降 |
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旋转式 |
旋转轴的运动导致伪影 |
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自由臂式 |
铰接臂定位 |
探头扫描范围受限 |
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磁性传感器定位 |
病人附近不能出现磁性物体 |
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光学定位 |
对图像匹配和处理的算法 要求较高 |
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面阵列探头式 |
超声探头为二维阵列 |
造价高、信噪比低 |
表1 不同种类三维超声技术的对比
其中，自由臂式三维超声系统的主要工作方式为用传统的超声系统采集一系列二维超声图像，同时借助位置传感器定位超声探头，即可获取每帧二维超声图像的空间位置，最后通过空间坐标变换、体素填充和三维插值填补孔洞等步骤即可获取三维的超声图像[9]。相比于铰接臂定位和磁性传感器定位的自由臂式三维超声成像系统，光学定位的自由臂式三维成像系统具有不限制扫描范围、使用便捷、能够在普通的二维超声成像系统基础上开发等优点，成为了自由臂式三维超声系统领域中一个重要的技术手段。目前市面上和科研中广泛使用的光学定位设备的一个典型代表是由NDI（Northern Digital Technologies Inc）公司生产的Polaris光学定位跟踪系统。NDI公司是全球领先的先进三维测量系统的制造商，该光学定位跟踪系统能够检测三维空间的位置坐标，系统除定位仪外还配套有被动刚体、被动/主动 4 标识点探针、和被动/主动标识点等，具有较高的测量精度[10]。此外，还有基于光学配准的方法来定位超声探头，即将摄像机固定于超声探头上在扫描过程中对特征图像进行实时拍摄，通过特征点在拍摄图像中的差异改变获取每帧二维超声图像的三维位置信息的方法[11][12]。
双目立体视觉系统能够定位空间中物体的三维位置，因此可作为一种光学定位方法运用于自由臂式三维超声系统的研发中。双目立体视觉系统由放置位置不同的两个相同的相机组成，系统工作过程中由计算机控制双目相机连续拍摄，根据同一物点在拍摄的两相机中像素位置的不同，可以获取空间物点的深度信息，其原理类似于人眼。在实践中，利用双目相机所拍摄的图像，将目标点在图像上的二维像素坐标转化为其在世界坐标系中的三维坐标就能够实现三维定位[13]。能够定位的前提是需要完成双目相机的标定,其关键是通过双目相机拍摄标定板，求解左右相机的内、外参数矩阵[15][16]。
自由臂式三维超声系统的开发实际上是求解一系列刚体变换的过程，核心问题和难点是准确求解世界坐标系、探头坐标系和超声图像坐标系之间的线性变换矩阵。其中，从世界坐标系到探头坐标系的变换矩阵由光学定位探头部分求解，而另一部分从探头坐标系到超声图像坐标系的变换矩阵则需要由探头标定[16]求解。根据标定时使用的校准块类型不同，可将探头标定的方法分为点模型、线模型、面模型和无校准块等[17]，每种方法也对应可以使用多种不同的校准块。
完成探头定位后，需要进行的是三维超声图像的重建，主要包括两个步骤：体素填充和孔洞填充[18]。在体素填充部分，需要完成的是基于包含三维位置信息的变换矩阵计算出二维超声图像像素对应的三维空间中的体素坐标，将像素值填充到体素中去。体素填充完成后，由于是自由臂式系统，空间中必然存在着许多未填充的体素，将它们填充上合适的像素值就是孔洞填充部分需要实现的目标。根据自由臂式三维超声数据的特性，可以选择的插值方法有基于最邻近体素（VNN）、基于最邻近像素（PNN）、距离加权（DW）、平方距离加权（SDW）和贝塞尔(Bezier)插值等等[19][20]。为了获得较好的图像质量和较快的成像速度[21]，目前在自由臂式三维超声系统的三维插值中使用的最多的方法是平方距离加权算法。经过探头定位、探头标定和三维重建等整个过程后，再经数据的可视化，即可获得并观察到三维超声的图像。
参考文献：
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实现三维超声的技术方法有很多，主要包括机械扫描式、自由臂式和面阵列探头式[8]。它们的特点可以总结为下表：
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