一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，手持定位導航穿刺針使針尖低速反復穿過超聲成像平面，獲取背景圖像Ib，根據亮度閾值T，得到二進制圖像采集針的圖像得到一個圖像序列I，同時獲得圖像序列I中每幅圖像對應時刻探頭上傳感器Sr的定位信息及針尖空間坐標；根據亮度閾值T，獲得針的二進制區域圖像繼而獲得攜帶亮度信息的針圖像定位針圖像中亮度最大點；每幅圖像的最大亮度點構成點集P，點集P中亮度最大值的點為圖像序列I中針尖在成像平面上的圖像坐標；將每個點集P中亮度最大值的點構成點集S；根據點集S中針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標、對應的針尖空間坐標及Sr的定位信息，推算出標定轉換矩陣。
【專利說明】一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法。
【背景技術】
[0002]圖像引導外科系統利用醫學影像和計算機圖形圖像技術，可在術前對患者多模態圖像數據進行三維重建和可視化，獲得三維模型，制定合理、定量的手術計劃，開展術前模擬；在術中利用三維空間定位系統進行圖像和病人物理空間的配準，把患者的實際體位、手術器械的實時空間位置映射到患者的三維圖像空間，對手術器械在空間中的位置實時采集并顯示，醫生通過觀察三維圖像中手術器械與病變部位的相對位置關系，對病人進行精確的手術治療。這種新興外科手術不僅能有效地解決病癥，而且還有不開刀、創傷小、恢復快、效果好的優點，已經廣泛應用于臨床。雖然圖像引導外科手術有諸多優點，但手術目標組織的術中三維可視化仍然是其應用的技術難點。目前，術中可視化方法有computedtomography (CT),核磁共振成像(MRI)和超聲成像(US)。與CT和核磁共振成像相比較,超聲成像具有廉價、實時、無損傷、無輻射、便攜和敏感度高等優勢，已經作為一種實時的術中可視化技術被引入，用于軟組織及血流成像。特別是近年來發展的三維超聲具有直觀、立體、易于識別等特點，更方便外科醫生觀察目標部位的三維特征，判斷術具與目標部位的相對位置關系。目前三維超聲成像系統中使用的三維成像方法有直接三維超聲成像方法和重建式三維超聲成像方法兩種。由于直接三維超聲成像系統的價格比較昂貴，且不適合大區域的三維超聲成像，因此現在國內外使用的三維超聲成像系統大多數還是采用重建式三維超聲成像方法。目前，重建式三維超聲成像方法多數采用自由臂超聲成像系統。自由臂三維超聲成像系統只須在傳統的二維超聲探頭的把持端固定上一個定位裝置的接收器就可以進行目標體的三維掃描成像，能將任何一臺常規的二維超聲儀升級成三維超聲設備。由于使用方便靈活，使得其成為三維超聲成像研究和臨床應用領域非常熱門技術。
[0003]自由臂超聲成像系統構建的關鍵是定位傳感器與超聲成像平面間的標定，即獲得一個空間轉換矩陣，使超聲成像平面上任意一點的坐標能夠映射到超聲探頭上定位傳感器的坐標系，從而計算出空間位置坐標。標定方法主要分為使用標定模型和非使用標定模型兩種。前者通常在標定前要設計加工專用的模型，雖然標定精度高，但是需要設計特殊形狀特征的模型和精密加工工藝。后者避免了使用專用模型，利用可定位的導航針完成標定。主要原理是使針尖對齊超聲的成像平面，獲得針尖的圖像坐標。由于可定位導航針前端的空間坐標可以從定位儀器中獲得，利用在成像平面上多處取得的圖像坐標和空間坐標就可推測出標定的轉換矩陣。
[0004]現有的基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法存在的不足之處在于:
[0005]一、 需手動對齊針尖與成像平面。由于超聲成像平面存在一定厚度，同時受到偽像等影響，實現針尖與成像平面精確對齊需要精細的操作和豐富操作經驗。
[0006]二、需手動獲得針尖的圖像坐標。針尖在超聲圖像上顯示為一個高亮區域，由一組像素點組成。針尖圖像坐標的確定即依賴針尖與成像平面的對齊程度，又依賴針尖的亮度分布特點，因此，操作人員的主觀判斷將影響針尖圖像坐標定位的正確性。
[0007]三、需要額外裝置減少手持導航針導致的抖動。

【發明內容】

[0008]本發明目的在于提供一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，自動判定針尖與成像平面的對齊時刻，自動分割針尖圖像并獲取圖像坐標，能夠快速、準確地完成自由臂超聲的標定。
[0009]實現本發明目的技術方案:
[0010]一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，手持定位導航穿刺針使針尖低速反復穿過超聲成像平面，利用圖像剪影濾除背景，利用亮度特征定位針尖在成像平面上的坐標。其特征在于:
[0011]步驟1:保持裝有定位傳感器Sr的超聲探頭固定，針尖運動前，獲取背景圖像Ib，根據亮度閾值T，得到二進制圖像/；:;
[0012]步驟2:針尖從成像平面一側移動到另一側，采集針的圖像得到一個圖像序列I，同時獲得圖像序列I中每幅圖像對應的Sr的定位彳目息及針尖空間坐標；
[0013]步驟3:設I i為序列I中某一幅圖像，根據亮度閾值T，得到二進制圖像^從二進制圖像4中減去二進制圖像0，獲得針的二進制區域圖像<
[0014]步驟4:將針的二進制區域圖像Tf和圖像Ii相與，獲得攜帶亮度信息的針圖像I
[0015]步驟5:定位針圖像//中亮度最大點；
[0016]步驟6:對圖像序列中每幅圖像重復步驟3—步驟5，每幅圖像的最大亮度點構成點集P，定位點集P中亮度最大值的點即為圖像序列I中針尖在成像平面上的圖像坐標；
[0017]步驟7:在成像平面不同區域重復步驟2—6，將每個點集P中亮度最大值的點構成點集S，點集S中各個點對應針尖每次穿過成像平面時，針尖與成像平面對齊時刻的圖像坐標；
[0018]步驟8:根據針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標、對應的針尖空間坐標及定位傳感器Sr的定位信息，推算出標定轉換矩陣。
[0019]使定位導航穿刺針的針尖以針桿的某點為旋轉中心作小幅旋轉運動，使針尖能夠反復穿過超聲成像平面。為減小針尖移動范圍，該旋轉中心要靠近超聲成像平面，同時為使針尖低速移動，旋轉中心距針尖的距離遠小于旋轉中心距針尾端的距離。
[0020]步驟3中，二進制圖像區域 < 通過如下公式獲得，
[0021]Ibs = Ib1-1bb
[0022]步驟4中，攜帶亮度信息的針圖像//通過如下公式獲得，
[0023]Ir1 = Ibs n Ii
[0024]步驟8中，通過如下方法推算出標定轉換矩陣，[0025]將針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標、針尖空間坐標和超聲探頭上傳感器的位置信息組成一個數據組，針尖多次穿過成像平面后得到多組數據構成一個標定數據集，利用前述的標定數據集，使用RANSAC算法濾除干擾數據組，計算得到標定轉換矩陣。[0026]本發明具有的有益效果:[0027]本發明能夠自動判定針尖與成像平面的對齊，自動分割針尖圖像并獲取圖像坐標，從而快速、準確地完成自由臂超聲的標定。[0028]本發明與現有方法相比較具有如下優點:[0029]1.與使用專用標定模型方法相比較，本發明無需設計加工標定模型，僅使用可定位導航穿刺針就可快速、簡便、準確地完成標定。[0030]2.與以往使用可定位導航針的方法相比較，本發明突破手動對齊針尖與成像平面和手動分割針尖圖像的限制，能夠不依賴操作者的經驗。[0031]3.與使用防抖裝置減小針尖抖動方法相比較，本發明利用RANSAC算法濾除抖動產生的噪聲數據，無需額外裝置就可實現精確標定。[0032]4.使定位導航穿刺針的針尖以針桿上靠近針尖的某點為旋轉中心作低速小幅旋轉運動，使針尖能夠反復穿過超聲成像平面，能夠有效提高采樣率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0033]圖1是本發明針尖運動方式的側視圖；[0034]圖2是本發明針尖運動方式的俯視圖；[0035]圖3是基于RANSAC優化的點匹配算法流程圖。
【具體實施方式】[0036]手持導航穿刺針使針尖穿過超聲成像平面，在此期間判斷針尖與成像平面對齊時亥|J，并獲取此時刻針尖圖像坐標、空間坐標和探頭上定位傳感器的空間位置。如圖1、圖2所示，為提高采樣率，定位導航穿刺針的針尖以針桿的某點為旋轉中心作低速小幅旋轉運動，旋轉中心距針尖的距離遠小于旋轉中心距針尾端的距離,使針尖移動速度遠小于針手持端的移動速度。為降低針尖移動幅度，使針尖能夠快速反復穿過超聲成像平面，該旋轉中心靠近超聲成像平面。[0037]步驟1:讓裝有定位傳感器Sr的超聲探頭固定，在針尖穿過前，獲取背景圖像Ib，根據亮度閾值T，得到二進制圖像i—,，使Ib中高于T的像素賦值為1，其它賦值為O。[0038]步驟2:針尖低速穿過成像平面，整個期間同步采集針的圖像、對應的針尖空間坐標和定位傳感器Sr的位置信息。針的圖像構成一個圖像序列I，I中每幅圖像將包含背景、針尖或部分針桿。[0039]步驟3:設IiS該序列I中某一幅圖像，根據亮度閾值T，得到二進制圖像^根據
下面的公式(1)獲得針的二進制圖像區域該區域標識了圖像Ii中的針的顯示區域，并且區域內所有像素值為I。[0040]Ibs = /； - 7；(O[0041]步驟4:依據下面的公式(2)獲得攜帶亮度信息的針圖像4。該圖像僅顯示圖像Ii中的針的區域，并且帶有圖像Ii中針的亮度信息。
[0042]I11 = /A n I1(2)
[0043]步驟5:在//中定位亮度最大的點。當針尖與成像平面對齊時，該亮度最大點即為
針尖圖像位置；當針尖未與成像平面對齊時，該亮度最大點為針桿上某位置。
[0044]步驟6:對圖像序列I中每幅圖像均按照上述步驟3— 5處理，得到每幅圖像的亮度最大點構成點集P。由于針尖亮度高于針桿亮度，點集P中最大值點對應的圖像即是針尖與成像平面對齊時刻的圖像。
[0045]步驟7:在成像平面不同位置重復步驟2—6，每個點集P中最大值點構成亮度最大點點集S，點集S中各個點為每次針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標。
[0046]步驟8:根據點集S及其同步采集的針尖空間坐標和定位傳感器&的位置信息，推算出標定轉換矩陣。
[0047]步驟8.1:定義步驟7獲得的點集S中某個圖像坐標為，其針尖與成像平面對齊時刻的針尖空間坐標為，此時超聲探頭上定位傳感器的位置信息為C。他們一起組成一個數據組，tIrb )。依次方法，點集S中所有η個圖像坐標將構成一個標定數
據集
【權利要求】
1.一種基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，手持定位導航穿刺針使針尖低速反復穿過超聲成像平面， 其特征在于: 步驟1:保持裝有定位傳感器&的超聲探頭固定，針尖運動前，獲取背景圖像Ib，根據亮度閾值T，得到二進制圖像K; 步驟2:針尖從成像平面一側移動到另一側，采集針的圖像得到一個圖像序列I，同時獲得圖像序列I中每幅圖像對應的Sr的定位彳目息及針尖空間坐標； 步驟3:設Ii為序列I中某一幅圖像，根據亮度閾值T，得到二進制圖像0，從二進制圖像#中減去二進制圖像八獲得針的二進制區域圖像 步驟4:將針的二進制區域圖像4和圖像Ii相與，獲得攜帶亮度信息的針圖像/ ； 步驟5:定位針圖像C中亮度最大點； 步驟6:對圖像序列中每幅圖像重復步驟3—步驟5，每幅圖像的最大亮度點構成點集P，定位點集P中亮度最大值的點即為圖像序列I中針尖在成像平面上的圖像坐標； 步驟7:在成像平面不同區域重復步驟2—6，將每個點集P中亮度最大值的點構成點集S，點集S中各個點對應針尖每次穿過成像平面時，針尖與成像平面對齊時刻的圖像坐標； 步驟8:根據針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標、對應的針尖空間坐標及定位傳感器&的定位信息，推算出標定轉換矩陣。
2.根據權利要求1所述的基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，其特征在于:使定位導航穿刺·針的針尖以針桿的某點為旋轉中心作小幅旋轉運動，使針尖能夠反復穿過超聲成像平面，該旋轉中心要靠近超聲成像平面，旋轉中心距針尖的距離遠小于旋轉中心距針尾端的距離。
3.根據權利要求2所述的基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，其特征在于:步驟3中，二進制區域圖像通過如下公式獲得，
Is = Ih1 -1l。
4.根據權利要求3所述的基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，其特征在于:步驟4中，攜帶亮度信息的針圖像//通過如下公式獲得，
I1 = I: ^ I1。
5.根據權利要求2所述的基于定位導航穿刺針的自由臂超聲標定方法，其特征在于:步驟8中，通過如下方法推算出標定轉換矩陣， 將針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標、針尖空間坐標和超聲探頭上傳感器的位置信息組成一個數據組，針尖多次穿過成像平面后得到多組數據構成一個標定數據集，利用前述的標定數據集，使用RANSAC算法濾除干擾數據組，計算得到標定轉換矩陣。
【文檔編號】A61B8/00GK103584885SQ201310585616
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月20日 優先權日:2013年11月20日
【發明者】欒寬, 李金 , 馬興成, 唐廣, 郭良 申請人:哈爾濱工程大學