El ultrasonido (US) se usa ampliamente en el diagnóstico médico y durante la terapia como una técnica de imagen de bajo costo, flexible y en tiempo real. Particularmente en medicina fetal, la ecografía se usa tanto para diagnósticos no invasivos como para guiar intervenciones quirúrgicas, como biopsias. Los dispositivos de ultrasonido 3D (3D US) introducen una nueva gama de aplicaciones en este dominio al permitir la adquisición de volúmenes 3D en tiempo real y video 4D.
El seguimiento de posturas y la calibración de una sonda 3D mejora sus aplicaciones para la intervención asistida por computadora (CAI), con el fin de transferir la información de los escaneos a otros marcos de coordenadas. Se pueden construir modelos 3D grandes y detallados a partir de varios fotogramas 3D mediante el seguimiento de poses en lugar del registro de modelos 3D. Una sonda US 3D rastreada permite US 4D a mano alzada [11], es decir, registra tanto un volumen 3D como su evolución temporal en un solo sistema de coordenadas mientras la sonda se mueve libremente. El seguimiento de la pose también permite el registro entre los datos ecográficos 3D y otros instrumentos, como las agujas de biopsia, sin necesidad de segmentar los volúmenes ecográficos, mientras que la aguja o cualquier otro instrumento con forma conocida puede utilizarse como un fantasma de calibración.
Aunque el US 3D en tiempo real es una tecnología reciente, se ha realizado un extenso estudio de las imágenes de US 3D utilizando sondas 2D (US 2D) utilizando la técnica 3D a mano alzada o una sonda de barrido motorizado [9]. Freehand 3D US se logra con una sonda de US 2D conectada a un sensor de seguimiento de pose. Al mover la sonda mientras sigue su pose para cada adquisición de escaneo, se puede construir un volumen 3D a partir de una colección de escaneos 2D.
Este es el enfoque más estudiado y rentable hasta ahora para obtener imágenes en 3D, pero también tiene algunos inconvenientes. Este enfoque solo puede reconstruir volúmenes 3D si la región escaneada es estática durante el deslizamiento de la sonda y, por lo tanto, se vuelve extremadamente desafiante o inaplicable a entornos dinámicos como la obstetricia. El uso efectivo de este enfoque también debe estar precedido por un procedimiento de calibración que no sea trivial y que consuma mucho tiempo, y que a menudo sea difícil de exportar del entorno de laboratorio a un escenario médico real. Un segundo enfoque para producir volúmenes 3D utiliza un US 2D barrido por un motor controlado.
Esto puede simplificar enormemente el procedimiento de calibración; sin embargo, en la mayoría de los casos, la sonda debe fijarse durante un movimiento completo del motor y, por lo tanto, no es adecuada para un escenario a mano alzada. La ecografía 3D en tiempo real se puede lograr con sondas que contienen una matriz 2D de sensores de ecografía que permiten la captura totalmente sincronizada del volumen de ecografía 3D. Aunque estas sondas facilitan considerablemente la obtención de adquisiciones en 3D, siguen siendo una solución costosa.
La calibración espacial entre un US 2D y un sistema de seguimiento es un tema ampliamente estudiado utilizando una variedad de fantasmas diferentes. Las soluciones propuestas incluyen escanear un solo plano, un conjunto de cables, un conjunto de esferas, un lápiz/aguja y también patrones más complejos. La mayoría de los métodos requieren una colocación muy cuidadosa de la sonda en relación con el fantasma para obtener mediciones de calibración, lo que hace que el procedimiento consuma mucho tiempo y no sea trivial para un usuario sin experiencia y propusieron un procedimiento de calibración particularmente simple que implica escanear cualquier parte de una aguja en diferentes poses; sin embargo, este método es significativamente menos preciso que los métodos alternativos que requieren un escaneo preciso de la punta de la aguja/stylus.
También hay trabajos previos sobre la calibración 3D de motor de barrido utilizando escaneos de un conjunto de cables, una punta de lápiz óptico y un solo plano. Estos métodos de calibración son particularmente interesantes ya que funcionan con volúmenes 3D y, por lo tanto, en principio también pueden usarse para calibrar un US 3D en tiempo real. Sin embargo, el US 3D permite el movimiento a mano alzada durante la calibración y, por lo tanto, permite procedimientos de calibración más prácticos. La calibración espacial de un US 3D en tiempo real solo se ha estudiado brevemente utilizando conjuntos de cables/esferas, un solo plano y también fantasmas de objetos múltiples más complejos.
En este artículo, proponemos una nueva solución para calibrar un US 2D y un US 3D usando una aguja. De manera similar el método permite escanear cualquier parte de la aguja, lo que lo hace más fácil de usar que la mayoría de los métodos alternativos. En el caso de un US 2D, podemos mejorar significativamente la precisión de. En el caso de 3D US proporcionamos la primera solución para este tipo de método. Además, proponemos un marco unificado para calibrar un US 2D y un US 3D, utilizando el mismo fantasma, algoritmo, modelo de US y flujo de trabajo de calibración. Mostramos resultados de precisión de calibración prometedores 2D (error medio de 2,49 mm para una profundidad de escaneo de 107 mm). 3D (error medio de 2,39 mm para una profundidad de escaneo de 107 mm).
Procedimiento de calibración 2D/3D. un esquema del problema de calibración 2D, donde la aguja se mide como un punto mediante el escaneo; b Esquema del problema de calibración 3D, donde la aguja se mide como un segmento de línea mediante el escaneo.
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