自由手持三维超声成像：通过视觉伺服的仿真内环探头姿态优化
机器人学
2025-10-20 v1 系统与控制
系统与控制
摘要
使用传统二维探头的自由手持三维超声（US）成像为多样化临床应用提供了灵活性和可及性，但在精确探头姿态估计方面面临挑战。传统方法依赖昂贵的跟踪系统，而基于神经网络的方法则受图像噪声和误差累积的影响，损害了重建精度。我们提出了一种经济高效且通用的解决方案，利用轻量级相机和仿真环境中的视觉伺服实现精确的三维US成像。这些相机从带有纹理的平面工作区捕获视觉反馈。为应对遮挡和光照问题，我们引入了一种图像修复方法，通过匹配周围纹理模式来重建被遮挡区域。对于姿态估计，我们开发了一种仿真内环方法，在仿真中复制系统设置并迭代最小化仿真与真实世界观测之间的姿态误差。视觉伺服控制器细化相机视图的对齐，通过优化图像对齐来改善平移估计。在软血管仿体、3D打印锥形模型和人类手臂上的验证表明了该方法的鲁棒性和准确性，与参考重建之间的Hausdorff距离分别为0.359 mm、1.171 mm和0.858 mm。这些结果证实了该方法在可靠自由手持三维US重建方面的潜力。
引用
@article{arxiv.2510.15668,
title = {Freehand 3D Ultrasound Imaging: Sim-in-the-Loop Probe Pose Optimization via Visual Servoing},
author = {Yameng Zhang and Dianye Huang and Max Q. -H. Meng and Nassir Navab and Zhongliang Jiang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.15668},
year = {2025}
}