本發明涉及醫學超聲成像與電磁定位技術融合領域，尤其是指一種電磁定位與B超一體化探頭標定裝置及其標定方法。

背景技術：

醫學超聲成像作為一種廉價、實時的影像學檢查方法，在醫學中已經有著較為廣泛的應用。目前在臨床中使用最廣泛的是B型超聲成像(即B超)。單純的B超獲得的二維影像，不能提供給醫生直觀的立體效果。隨著計算機技術的發展，三維超聲成像已經能在臨床上獲得較為理想的三維圖像。目前，三維超聲成像大多是在二維成像的基礎上完成的，通過對目標區域的超聲回波采樣，得到三維超聲所需要的體數據，即在采集一系列二維圖像的基礎上重建出三維圖像。

雖然三維超聲成像能為醫生提供直觀的圖像效果，但三維成像計算方法較復雜，對探頭要求較高，而且有的臨床應用中需要三維位置但不需要三維圖像。例如超聲導航，得到超聲圖像上某一點的空間坐標比得到三維圖像更為重要。因此需要得到超聲圖像二維圖像上某一點對應的三維坐標的坐標變換關系，這個過程稱為超聲探頭的標定。

目前獲取超聲探頭標定的常用的方法有三種：

使用光學跟蹤設備標定超聲探頭。標定時，需求出光學跟蹤設備與B超探頭之間精確的空間位置。在標定時，為了避免協同設計帶來的適應性差及減少拆卸過程帶來的誤差，加快標定速度，往往需要設計一種特殊結構且精度較高的校準模型。標定過程涉及的計算較為繁瑣，標定過程不能遮擋光學跟蹤設備。使用限制較多，不利于推廣。

采用電磁定位方式標定超聲探頭，這種方式通常將電磁定位傳感器固定于超聲探頭上。標定時，利用固定夾具的幾何位置關系得到標定結果，或者先完成探頭成像平面的空間位置的標定。利用幾何位置關系的標定結果因在計算時將部件理想化為一個點或者一個面，精度不高；先標定成像平面的的標定的計算過程復雜，而且不能直接得到超聲圖像上某一點的空間坐標。

借助支架及攝像機等機械定位方式實現探頭標定。標定前，需要制作空間結構較復雜，且精度很高的標定裝置，且計算過程較為繁瑣。

因此，設計一種不依賴制作復雜的標定裝置，計算過程較簡單、標定流程較少、通用性強且標定精度較高的電磁定位與B超一體化探頭標定裝置及標定方法，對于提高B超的精度有很大的必要，是現有技術中亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的缺點和不足，提供了一種結構簡單可靠、搭建方便、通用性強、標定精度高的的電磁定位與B超一體化探頭標定裝置及其標定方法。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案，如下：

一種電磁定位與B超一體化探頭標定裝置，包括水槽和尼龍線，所述水槽由內外兩層共三個透明無頂長方體結構組成，內層水槽包括兩個長方體結構，每個內層長方體水槽較大的兩個相對面鉆有分布同樣的孔，孔徑相同，外層長方體水槽能夠容納兩個內層長方體水槽；所述尼龍線通過水槽壁的孔及塑料膠合劑固定在兩個內層水槽中，其中一個內層水槽中的尼龍線有四條，分為兩組，每組的兩條線平行穿過所述水槽，兩組線交叉形成“井”字結構，采用“井”字結構的交點作為超聲圖像的標記點；另外一個內層水槽中的尼龍線由兩條平行線及一條斜線組成，形成“N”字結構，采用“N”字結構與超聲成像平面的交點作為超聲圖像的標記點。

在裝置加工制造時，所述尼龍線與內層水槽的相對位置關系已知；標定一體化探頭前，將純凈水注入水槽，標定掃描平面時，一體化探頭在水槽較為狹長的方向進行掃描。

一種電磁定位與B超一體化探頭標定裝置的標定方法，包括以下步驟：

1)建立世界坐標系S(x_w,y_w,z_w,a_w,e_w,r_w)，得到一體化探頭上位置傳感器S的坐標s，兩個內層水槽頂角的坐標mj、mp，“N”字結構尼龍線的斜線兩個端點E、F的坐標e_w、f_w；

2)用游標卡尺測量“井”字結構尼龍線相對的兩個標記點在世界坐標系下的間距d_w；

3)掃描“井”字結構尼龍線，取只有兩個標記點的圖片，經設定閾值后進行二值化處理，自動提取出亮斑中點坐標，得到兩個標記點J1,J2的圖像坐標j1_i,j2_i，用兩點間的距離公式求得像素距離d_i，得到像素實際大小α＝d_w/d_i；

4)計算“N”線的斜線與超聲平面交點B在圖像坐標系下的坐標p_i，計算線段比例

5)由e_w、f_w計算“N”字結構尼龍線的斜線與超聲平面交點B在世界坐標系下的坐標P_w；

6)通過R＝V^T·U公式計算圖像坐標系到世界坐標系的旋轉矩陣R。

7)通過計算圖像坐標系到世界坐標系的平移矩陣T，得到標定結果。

在步驟1)中，水槽頂點坐標及尼龍線端點坐標由電磁定位傳感器測得。

在步驟3)中，用一體化探頭由上至下掃描“井”字結構尼龍線，取只有兩個標記點的圖片，經設定閾值后進行二值化處理，自動提取出亮斑中點坐標，得到兩個標記點J1,J2的圖像坐標j1_i,j2_i，通過兩點間距離公式，求出兩個標記點的像素距離d_i，即可求得像素實際大小α＝d_w/d_i。

在步驟4)中，用一體化探頭由上至下掃描“N”字結構尼龍線，得到三個標記點，經設定閾值后進行二值化處理，自動提取出亮斑中點坐標，得到三個標記點A、B、C的圖像坐標a_i、p_i、c_i，計算線段比例

在步驟5)中，因為“N”字結構尼龍線與超聲平面的交線形成兩個相似三角形ΔBEA、ΔBFC，由于兩個三角形的頂角，即尼龍線端點的世界坐標系下的坐標已知，利用相似關系，即可求得20組“N”字結構尼龍線的斜線與超聲平面交點B在世界坐標系下的坐標P_w，計算公式如下：

p_w＝e_w+k_l×(f_w-e_w)。

在步驟6)中，需先用SVD方法求得的方陣V、U。

在步驟7)中，通過旋轉矩陣R、平移矩陣T即由圖像坐標得到對應的世界坐標系下的坐標，由此，即得標定結果。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、本發明標定工具簡單，材料易得，制作容易。

2、本發明計算過程簡單，由超聲平面上點的二維圖像計算世界坐標系下的三維坐標時，不需要先確定超聲平面的位置。

3、可在現有二維超聲設備的基礎上得到精確的三維位置，易于推廣應用。

4、標定方法對人體無害，適于產科等醫用場合。

附圖說明

圖1為電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置的立體外觀圖。

圖2為電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置的使用場景圖。

圖3a為電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置內層“N”線水槽的立體外觀圖。

圖3b為電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置內層“N”線水槽“N”線掃描圖。

圖4a為電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置內層“井”線水槽的立體外觀圖。

圖4b為電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置內層“井”線水槽“井”線掃描圖。

圖中，10表示外層水槽，20表示內層“N”線水槽，21表示內層“N”線水槽的兩根平行尼龍線，22表示內層“N”線水槽的傾斜尼龍線，30表示內層“井”線水槽，31表示內層“井”線水槽的一組相互水平的尼龍線，32表示內層“井”線水槽的另一組相互水平的尼龍線，40表示電磁定位與B超一體化探頭。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明。

如圖1至圖4b所示，本實施例所提供的電磁定位與B超一體化探頭的標定裝置，包括：一外層水槽10、一內層“N”線水槽20、一內層“井”線水槽30。該外層水槽10為立方體結構，內部固定有內層“N”線水槽20及內層“井”線水槽30，內層水槽內壁貼有吸聲材料。內層“N”線水槽20有兩根平行尼龍線21及一根斜著的尼龍線22穿過水槽壁的孔通過膠合劑固定在水槽內，采用“N”字結構與超聲成像平面的交點A、B、C作為超聲圖像的標記點。內層“井”線水槽30有四根尼龍線，記作31、32兩組，每組尼龍線穿過水槽壁的孔通過膠合劑固定在水槽內，兩組線交叉形成“井”字結構，采用“井”字水平方向交點J1,J2作為超聲圖像的標記點。

上述標定裝置進行標定電磁定位與B超一體化探頭40時，首先用游標卡尺測量“井”線兩標記點在世界坐標系下的距離。然后通過電磁定位系統記錄在世界坐標系下一體化探頭40的坐標、內層“N”線水槽20頂角坐標、“N”線斜線22端點的坐標。使用一體化探頭掃描內層水槽的尼龍線，如圖3b、圖4b所示。超聲平面與“N”相交形成3個標記點，記作A、B、C。超聲平面與“井”線相交時，取2個標記點時的圖像，記作J1、J2。通過設定閾值后進行二值化處理，自動提取出亮斑中點坐標，自動得到在圖像坐標系下標記點中心的坐標。

計算標記點J1、J2在間距，進而得到像素實際大小。因為“N”字結構尼龍線與超聲平面的交線形成兩個相似三角形ΔBEA、ΔBFC，由于兩個三角形的頂角，即尼龍線端點的世界坐標系下的坐標已知，利用相似關系，即可求得20組“N”字結構尼龍線的斜線與超聲平面交點B在世界坐標系下的坐標P_w。計算標記點A、B及標記點A、C的間距，進而得到ΔBEA與ΔBFC的相似比例。標記點B在世界坐標系下的坐標可以通過公式計算得到：

p_w＝e_w+k_l×(f_w-e_w)，

而圖像坐標系到世界坐標系的旋轉矩陣R可以通過計算公式得到，V、U為用SVD方法求得的方陣：

R＝V^T·U，

圖像坐標系到世界坐標系的平移矩陣T可通過下面的公式計算：

通過旋轉矩陣R、平移矩陣T即由圖像坐標得到對應的世界坐標系下的坐標，由此，即得標定結果。

以上所述實施例只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。