CN101088465A - 基于立体视觉的三维b超装置 - Google Patents

Abstract

一种基于立体视觉的三维B超装置，是由CCD摄像机、B超机、同步器、标记器、多路输入图像采集卡、采集触发器、计算机和系统软件，CCD摄像机的行同步信号线和场同步信号线、视频信号线、B超视频信号线、触发信号线和PCI总线组成；该CCD摄像机通过行同步信号线和场同步信号线与同步器连接，同时通过视频信号线与多路输入图像采集卡连接；B超机通过B超视频信号线与同步器以及多路输入图像采集卡连接；采集触发器通过触发信号线与多路输入图像采集卡连接；多路输入图像采集卡通过PCI总线与计算机连接；标记器直接固定在B超机的探头上。该装置在保证可以徒手自由移动探头的前提下，将定位器与三维重建系统整合在一起，大幅节约成本，定位精度高，使用方便。

Description

基于立体视觉的三维B超装置

(一)、技术领域：

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种B超图像的定位与三维重建装置。

(二)背景技术：

三维B超成像已经成为一种重要的医疗诊断技术。在很多情况下(例如术中放疗)，医生不仅需要三维B超图像本身，并且需要知道三维B超图像在固定坐标系(如人体坐标系)中的精确位置。因此定位技术是三维B超的一个核心。

三维B超系统已经有很多，但大多数在成像的过程中无法自由移动B超的探头。受机械式定位装置的制约，探头只能作平行运动或其它固定轨迹的运动。这对多数B超检测来说并不方便。对于可徒手(Freehand)自由移动的探头，其精确的定位技术(计算探头的6维坐标：三个位置坐标，三个角度坐标)是一个难点。

英国剑桥大学开发的Stradx/Stradwin三维B超系统，可以徒手自由移动探头，但使用中需要和专门的定位器相配合，如和美国Polhemus公司的Fastrak或Patriot定位器，美国Ascension公司的MiniBird、Flock of Birds、或LaserBird定位器，或者加拿大NDI公司的Polaris定位器。国际研究机构SINTEF也开发出了可徒手自由移动探头的三维B超系统，但需要与Flock of Birds、Polaris等定位器结合使用。上述系统本身只包括B超的三维重建功能，必须另外购买定位器才能在实际中使用，这无形中提高了成本，另外导致系统的集成度不高，安装、调试和操作都比较复杂。

对于定位器来说，Fastrak、Patriot、MiniBird、以及Flock of Birds都是电磁式的，虽然价格便宜，但定位精度差，且多数是有线的，使用起来并不方便；而无线的电磁定位器产生的电磁辐射对其它医疗设备可能会有不良影响。LaserBird是激光定位器，精度较高，但价格昂贵，操作复杂。Polaris是红外线定位器，在临床上使用较多，精度也较高，但同样比较昂贵。基于激光和红外线的定位器都需要主动发射光源，使用不方便。还有一种基于可见光的定位器，不需要发射光源，同时可见光的波长比红外线要短，因此这种定位器的精度比红外线定位器要高。Claron公司生产的Micron Tracker就是基于可见光的定位器，精度很高，但价格也很昂贵，另外Micron Tracker与三维B超重建系统的集成能力比较差。

(三)、发明内容：

为了克服可徒手自由移动探头的三维B超系统价格昂贵、集成度不高，以及外配定位器成本高、定位精度不足的缺点，本发明提供了一种新的三维B超装置。该装置在保证可以徒手自由移动探头的前提下，将定位器与三维重建系统整合在一起，不需要独立购买定位器，可大幅节约成本；同时使用基于可见光和立体视觉的定位原理，定位精度高，使用方便。

本发明的技术方案如下：(请参阅图1、2、3所示)

本发明一种基于立体视觉的三维B超装置，它是由两台CCD摄像机[1](可采集视频，具有外同步)、B超机[2](可采集二维B超图像，市售成品)、同步器[3]、标记器[4]、多路输入图像采集卡[5](至少有三路输入)、采集触发器[6]、计算机和系统软件[7]，CCD摄像机的行同步信号线和场同步信号线[8]、视频信号线[9]、B超视频信号线[10]、触发信号线[11]和PCI总线[12]组成；CCD摄像机[1]通过行同步信号线和场同步信号线[8]与同步器[3]连接，同时通过视频信号线[9]与多路输入图像采集卡[5]连接；B超机[2]通过B超视频信号线[10]与同步器[3]以及多路输入图像采集卡[5]连接；采集触发器[6]通过触发信号线[11]与多路输入图像采集卡[5]连接；多路输入图像采集卡[5]通过PCI总线[12]与计算机[7]连接；标记器[4]直接固定在B超机[2]的探头上。

本发明的基本设计思想是：

为了利用立体视觉准确地得到任意时刻采集到的B超图像的位置和角度，摄像机图像采集和B超机图像采集的同步性是最重要的。摄像机和B超机图像采集的同步是通过外同步方案来实现的。摄像机的同步信号由同步器从B超信号中分离，然后通过摄像机外同步端口来同步摄像机的行频和场频，从而保证图像采集时两个摄像机和B超机的严格同步。

本发明各模块详细的连接方式阐述如下：

(1)CCD摄像机

两台CCD摄像机[1]的线路连接相同。每个摄像机引出4条连接线：电源线、行同步信号线(输入)、场同步信号线[8](输入)、以及视频信号线[9](输出)。其中，行同步信号线与场同步信号线[8]与同步器[3]连接，由同步器分离的同步信号提供输入，通过行同步和场同步信号线[8]来同步摄像机；视频信号线[9]与多路输入图像采集卡[5]相连接，为系统提供同步后的视频图像信号。

(2)B超机

B超机[2]通过B超视频信号线[10](输出)与图像采集卡[5]和同步器[3]相连接，为图像采集卡[5]提供B超视频图像的同时为同步器[3]提供摄像机的行、场同步信号的分离基准信号。

(3)同步器

同步器[3]有6个引出接口：摄像机1的行同步信号接口(输出)和场同步信号接口(输出)、摄像机2的行同步信号接口(输出)和场同步信号线接口(输出)、电源接口、以及分离基准信号接口(输入)。其中，4个同步信号接口与两个摄像机[1]对应连接；分离基准信号接口与B超视频信号线[10]连接。

(4)标记器

标记器[4]的作用在于定位B超机[2]的探头。标记器[4]是具有特殊样式(如黑白相间的方格)、易于被摄像机[1]所识别的器件，参见图3。标记器[4]下端有固定装置，能固定在B超机[2]的探头上，并使标记器和探头之间的相对位置已知。通过立体视觉来定位标记器[2]的坐标和角度，也就可以换算出探头的坐标和角度。由于摄像机[1]所拍摄的标记器[4]图像与B超图像是同步的，因此也就得到了B超图像的坐标和角度。

(5)多路输入图像采集卡

多路输入图像采集卡[5]通过公知的方法连接到计算机[7]上，例如插入PCI插槽。通过PCT总线[12]连接。多路输入图像采集卡[5]接收两路摄像机图像的输入和一路B超图像的输入。

(6)采集触发器

采集触发器[6]的作用是触发或停止图像的采集。采集触发器可以是脚踏板[5]相连，为图像采集卡[5]提供采集的触发信号。使用脚踏板是为了方便用户的操作，通过点击计算机的鼠标同样可以触发/停止图像的采集。

(7)计算机和系统软件

计算机[7]用来安装图像采集卡[5]和系统软件，图4是软件算法的流程图，系统软件可以实现B超图像的定位和三维重建等功能，图3是软件界面的实例。

本发明一种基于立体视觉的三维B超装置，具有如下优点：

(1)对B超探头的运动没有限制，用户可以徒手自由移动B超探头。

(2)将定位器与三维重建系统整合在一起，不需要独立购买定位器，节约成本。

(3)可以和绝大多数的现有B超机相连接，使系统互换性好，成本降低。

(4)使用基于可见光和立体视觉的原理进行定位，定位精度高。定位装置本身不发射光源，并且是无线、与人体无接触的，使用很方便。

(5)实现摄像机图像和B超机图像的严格同步，并且同步后的图像均可以通过计算机显示出来，过程直观，便于检查和验证。

(6)可以精确计算二维B超图像在三维坐标系中的坐标和角度，实现B超图像的三维重建。

(四)、附图说明：

图1是基于立体视觉的三维B超装置的总体框图；

图2是基于立体视觉的三维B超装置的实物图；

图3是基于立体视觉的三维B超装置工作时的截屏图；

图4是基于立体视觉的三维B超装置的软件算法流程图。

图中标号(主要结构)如下：

1CCD摄像机    2B超机    3同步器

4标记器    5多路输入图像采集卡    6采集触发器

7计算机和系统软件

8CCD摄像机的行同步信号线和场同步信号线

9CCD摄像机视频信号线    10B超视频信号线

11触发信号线            12PCI总线

(五)、具体实施方式：

首先，请参阅图1、2、3所示，其中图1为了简化，将同一摄像机的行同步信号线和场同步信号线[8]用一条线表示。另外，所有的电源线被省略。

图2是一辆台车，台车上面安装着同步器[3]，计算机[7]，图像采集卡[5]已安装在计算机内，两台摄像机[1]通过支架安装在台车的最上部。系统工作时图2中的装置与B超机[2]相连(连接方案如图1所示)，组成完整的基于立体视觉的三维B装置。

图3是系统工作时从图2中所示计算机[7]屏幕上获得的截屏图，即系统的软件界面。图3中上面两幅视频图像和下面一幅B超图像是严格同步的。视频图像中显示的是医生手持固定有标记器[4]的B超探头在为病人作检查。由于两幅视频图像拍摄的标记器存在视差，通过立体视觉的方法可以计算出标记器的坐标和角度。而此刻探头所采集的B超图像正是图3中所示的一幅，该B超图像在三维空间中的坐标和角度同时被计算出来。

本发明一种基于立体视觉的三维B超装置，它是由两台CCD摄像机[1](可采集视频，具有外同步)、B超机[2](可采集二维B超图像，市售成品)、同步器[3]、标记器[4]，多路输入图像采集卡[5](至少有三路输入)、采集触发器[6]、计算机和系统软件[7]等组成；各部分之间的连接关系如图1所示，两个摄像机的行同步信号和场同步信号线[8]分别与同步器[3]连接，由于同步器[3]分离的同步信号输入，通过行同步信号和场同步信号线[8]来同步两个摄像机[1]；两个摄像机[1]的视频信号线[9]与多路输入图像采集卡[5]相连接，为系统提供同步后的视频图像信号；B超机[2]通过B超视频信号线[10]与多路输入图像采集卡[5]和同步器[3]相连接，为图像采集卡[5]提供B超视频信号的同时为同步器[3]提供摄像机的行、场同步信号的分离基准信号：标记器[4]固定在B超机[2]的探头上，标记器和探头之间的相对位置已知；多路输入图像采集卡[5]安装到计算机[7]的PCI插槽上；用脚踏板作采集触发器[6]时，脚踏板的触发信号线[11]与图像采集卡[5]相连，为图像采集卡[5]提供图像采集的触发信号；将系统软件安装到计算机[7]内，图4是系统软件算法的流程图，可以实现B超图像的定位和三维重建功能。

本发明一种基于立体视觉的三维B超装置，其工作模式如下：

基于立体视觉的三维B超装置的工作模式有两种，一种是单帧模式：脚踏板或鼠标每触发一次，就采集并处理一帧同步图像；另一种是连续模式：采集被触发后，系统将连续不断的采集并处理同步视频序列，直到用户停止采集为止。

本发明一种基于立体视觉的三维B超装置，其操作步骤如下：

基于立体视觉的三维B超装置可以在术中放射治疗等多种场合使用，操作步骤的实例如下：

(1)在使用之前，首先对立体视觉定位系统进行定标，也就是进行校准，消除其定位偏差。

(2)可以取其中一台摄像机的坐标系为三维固定坐标系，而医生通常习惯采用人体坐标系为三维固定坐标系。操作时首先在人体体表上取若干标记点，然后采用单帧工作模式，通过脚踏板或者鼠标，每触发一次则采集并定位一个标记点。再通过坐标变换，将摄像机坐标系转换为标记点所决定的人体坐标系。

(3)采用连续工作模式进行B超图像的采集和三维重建。通过脚踏板或鼠标触发采集，则系统连续不断的采集B超图像和经过同步的标记器视频图像，从标记器【4】的视频图像中实时的计算出每帧中探头的坐标和角度，然后就可以将采集的B超图像序列重建成三维的数据体。

Claims (8)

1、一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：它是由两台CCD摄像机、B超机、同步器、标记器、多路输入图像采集卡、采集触发器、计算机和系统软件、CCD摄像机的行同步信号线和场同步信号线、视频信号线、B超视频信号线、触发信号线和PCI总线组成；其中，CCD摄像机通过行同步信号线和场同步信号线与同步器连接，同时通过视频信号线与多路输入图像采集卡连接；B超机通过B超视频信号线与同步器以及多路输入图像采集卡连接；采集触发器通过触发信号线与多路输入图像采集卡连接；多路输入图像采集卡通过PCI总线与计算机连接；标记器直接固定在B超机的探头上。

2、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该两台CCD摄像机的线路连接相同，每个摄像机引出4条连接线：电源线、用于输入的行同步信号线和场同步信号线以及用于输出的视频信号线；其中，行同步信号线和场同步信号线与同步器连接，由同步器分离的同步信号提供输入，通过行同步和场同步信号线来同步摄像机；视频信号线与多路输入图像采集卡相连接，为系统提供同步后的视频图像信号。

3、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该B超机通过B超视频信号线与图像采集卡和同步器相连接，为图像采集卡提供B超视频图像的同时为同步器提供摄像机的行、场同步信号的分离基准信号。

4、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该同步器有6个引出接口：摄像机1的行同步信号接口和场同步信号接口、摄像机2的行同步信号接口和场同步信号线接口、电源接口、以及分离基准信号接口；其中，4个同步信号接口与两个摄像机对应连接；分离基准信号接口与B超视频信号线连接。

5、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该标记器的作用在于定位B超机的探头；标记器是具有特殊样式、易于被摄像机所识别的器件，标记器下端有固定装置，能固定在B超机的探头上，并使标记器和探头之间的相对位置已知；通过立体视觉来定位标记器的坐标和角度，也就可以换算出探头的坐标和角度；由于摄像机所拍摄的标记器的图像与B超图像是同步的，因此也就得到了B超图像的坐标和角度。

6、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该多路输入图像采集卡通过公知的方法连接到计算机上，插入PCI插槽，通过PCI总线连接；多路输入图像采集卡接收两路摄像机图像的输入和一路B超图像的输入。

7、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该采集触发器的作用是触发或停止图像的采集；采集触发器可以是脚踏板或计算机的鼠标；脚踏板有电源线和触发信号线输出，触发信号线与图像采集卡相连，为图像采集卡提供采集的触发信号；使用脚踏板是为了方便用户的操作，通过点击计算机的鼠标同样可以触发/停止图像的采集。

8、根据权利要求1所述之一种基于立体视觉的三维B超装置，其特征在于：该计算机用来安装图像采集卡和系统软件，系统软件可以实现B超图像的定位和三维重建等功能。

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