CN104274200B - 基于ct的宽幅面动态三维人体扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，包括步骤：步骤A：利用近红外发射器发射覆盖人体表面的光线；利用近红外接收器采集被人体反射回来的光线；利用彩色相机负责采集人体的彩色图像数据；步骤B：PC端通过同步采集的彩色数据和深度数据，利用近红外接收器对于不同光线的接收时间差来构建人体的三维轮廓图；步骤C：利用得到的人体的三维面片图来构建定位图像；步骤D：根据定位图像确定CT扫描区域，并通过人体的三维面片图的横切图来控制CT扫描时的辐射剂量。本发明能很好地构建扫描的起始位置，并且利用人体的三维轮廓切面控制不同位置的辐射剂量。

Description

基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法

技术领域

本发明涉及CT技术领域，具体地，涉及基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法。

背景技术

目前常规的螺旋CT检查中，需要首先扫描定位图像，然后在定位图像上确定扫描的起始点和终止点，以确定扫描范围。常规剂量的定位扫描不仅增加患者的辐射剂量，同时也使球管的寿命缩短，如果不扫描定位图像，则又不能准确的确定扫描的范围。

目前的研究集中在医生根据自己的临床经验，缩短定位图像的扫描路径，进而减少患者的受照剂量，减少曝光时间，延长CT球管寿命。这种人工经验方法不能从根本上解决问题，也不能准确的获取定位图像的扫描区间，并且由于人体的移动或者扭动还可能造成定位图提取位置较大的偏差。

因此，如何有效的获取定位图像又不对人体造成多余的辐射影响，是需要重点解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法。

根据本发明提供的一种基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，包括如下步骤：

步骤A：利用近红外发射器发射覆盖人体表面的光线；利用近红外接收器采集被人体反射回来的光线；利用彩色相机负责采集人体的彩色图像数据；

步骤B：将彩色相机和近红外接收器采集的图像数据通过千兆网口传输到PC端，PC端通过采集的深度数据，利用近红外接收器对于不同光线的接收时间差来获得人体的三维轮廓图进而得到人体的三维面片图，其中，因为PC端得到的作为三维轮廓图深度数据为三维点云图，需要对三维点云图进行去噪和三角面片化，得到人体的三维面片图；

步骤C：利用得到的人体的三维面片图来构建定位图像；

步骤D：根据定位图像确定CT扫描区域，并通过人体的三维面片图的横切图来控制CT扫描时的辐射剂量。

优选地，在近红外发射器和近红外接收器的前端分别安装有3mm超广角定焦近红外镜头，两个镜头均垂直于CT扫描室的屋顶方向安装，两个镜头的间距为12cm。

优选地，还包括彩色相机和近红外成像装置的校正的步骤，其中，近红外成像装置由近红外发射器和近红外接收器构成，具体如下：

步骤i1：把棋盘格校正板放置在CT床板上，令彩色相机和近红外成像装置拍摄多张不同位置的棋盘格图像；提取近红外成像装置获取的棋盘格角点坐标和彩色相机获取的棋盘格角点坐标；

步骤i2：利用棋盘格的物理坐标和角点的像素坐标，计算由近红外发射器、近红外接收器、彩色相机所构成的成像系统的内参数和畸变参数；

步骤i3：利用近红外成像装置和彩色相机的内参数和棋盘格角点的像素坐标计算外参数，获取旋转矩阵和平移矩阵；

步骤i4：通过步骤i2、步骤i3计算的内参数、外参数、畸变系数完成标定过程得到标定系数，然后通过获取的标定系数进行空间的解算，计算出相应的空间坐标。

优选地，通过紫铜棒，将彩色相机、近红外接收器、近红外发射器连接于CT扫描室的屋顶，其中，所述紫铜棒设置有网格状分布的镂空结构。

优选地，所述步骤C包括如下步骤：

在PC端上利用鼠标拉选矩形框来标注定位图像的起止点。

优选地，所述步骤D包括如下步骤：

当CT扫描执行到某一层时，提取该层人体的三维面片的横切图，并且进行边缘识别，提取横切图边缘，通过计算边缘包络的区域面积来控制CT扫描时的辐射剂量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出了利用近红外光点的飞行时间测量方法，利用近红外发射器和近红外接收器获取光点的飞行时间差，构建人体的三维重建数据，直接获取人体的整个三维轮廓，构建扫描的起始位置，并且利用人体的三维轮廓切面控制不同位置的辐射剂量。

2、本发明解决了目前的定位图依靠CT常规剂量扫描进而造成患者受辐射剂量增加、CT球管曝光时间延长等问题，是一种节省资源并且降低人体辐射污染的新方法。

3、本发明的可以解决在CT扫描过程中，由于患者身体移动或者扭动造成的定位不准确，并且由于位置移动造成剂量控制不准确的问题，可以实现动态的人体三维重建，重建速度高达30帧每秒，实现CT扫描剂量的实时精准控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为原理图。

图2为人体三维面片图。

图3为人体扫描定位图。

图4为人体横切图示意。

图5为人体横切图边缘轮廓示意。

图中：

1-房顶；

2-彩色相机；

3-近红外接收器；

4-近红外发射器；

5-CT床板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明利用飞行时间测量原理，利用近红外发射器、近红外接收器和彩色相机构建成像单元。本发明的原理图如图1所示，近红外发射器发射覆盖人体表面的光线，近红外接收器接收被人体反射回来光线并且计算不同光线的接收时间差，来构建人体的三维轮廓，彩色相机负责采集人体的彩色图像数据。

因为CT扫描室的空间限制，人体离成像单元的距离为1.1米左右，在如此短的工作距离下，要实现人体的整体扫描，扫描的视野范围需达到260cm*100cm。常规的近红外发射器和近红外接收器发射和采集的视野只能达到120cm*80cm，远远达不到实际使用需求，因此需要对近红外发射器和近红外接收器进行光学性能改造，具体的方法是在近红外发射器和近红外接收器的前端分别安装3mm超广角定焦近红外镜头，两个镜头垂直屋顶方向安装，两个镜头的间距为12cm，因为超广角镜头带来的相机畸变效应，需要对此进行畸变校正。另外彩色相机和近红外成像装置也要进行相机对的立体校正，其中，近红外成像装置包括“近红外发射器”和“近红外接收器”，两者组合成近红外成像装置，进行镜头畸变校正时，需要对两者都校正。校正只需要在第一次使用和隔一段较长的时间进行，校正的步骤如下：

1、把棋盘格校正板放置在CT床板上，拍摄八张不同位置的棋盘格图像。提取近红外成像装置获取的棋盘格角点坐标和彩色相机获取的棋盘格角点坐标。

2、利用棋盘格的物理坐标和角点的像素坐标计算成像系统的内参数和畸变参数。

3、利用近红外成像装置和彩色相机的内参数和棋盘格角点坐标计算外参数，获取旋转矩阵和平移矩阵。

通过计算的内外参数和畸变系数完成标定过程，然后可以通过获取的标定系数进行空间的解算，计算出相应的空间坐标。

因为CT扫描室是密封的屏蔽空间，所以对彩色相机和近红外成像装置的功耗和散热提出了挑战，针对这种情况，设计了一个网状的紫铜棒连接装置连接彩色相机、近红外接收器、近红外发射器和传输板卡上面，网状的紫铜棒连接装置和屋顶连接，这样可以把热量有效的传递到屋顶上。

彩色相机和近红外接收器采集的图像数据通过千兆网口传输出来，连接到PC端，PC端通过同步采集彩色数据(彩色数据是指通过彩色相机采集的数据)和深度数据(深度数据，是指通过近红外接收器获取的深度数据，具体的计算方法是近红外发射器发出近红外的脉冲光，通过人体反射后，反射光被近红外接收器接收，通过近红外接收器内部的感光芯片和飞秒级快门，可以计算出脉冲光的飞行时间，进而测算出人体不同区域相对近红外发射器的距离，该距离即可对应为人体不同区域的深度信息数据)，利用近红外接收器对于不同光线的接收时间差来构建人体的三维轮廓图，因为PC端得到的初始数据(初始数据即为获取的深度数据)为三维点云图，需要首先对三维点云进行去噪和三角面片化，得到人体的三维面片图(三维轮廓图应该是人体的三维点云图即初始的深度数据，三维面片图是指通过三维点云图即三维离散点，利用Delaunay方法，通过选定三角网格的起始点，不断的构造三角形，生成的三角网格化图形)，如图2所示。

其中，所述的“PC端通过同步采集彩色数据和深度数据，利用近红外接收器对于不同光线的接收时间差来构建人体的三维轮廓图”，具体的实现步骤如下：

步骤(1)：近红外发射器发出近红外的脉冲光，通过人体反射被近红外接收器接收。

步骤(2)：近红外接收器通过内部感光芯片和飞秒级快门，获取人体不同区域脉冲光的飞行时间差，通过脉冲光的飞行时间差折算出人体不同区域的深度数据。(深度数据为飞行时间差乘以光速。)该深度数据即为人体的三维点云图(即为三维轮廓图)。

步骤(3)：彩色相机提取的彩色图像数据作为CT操作师的观察窗口，可以实时的观察病人的姿态以及CT床板的扫描位置，进而控制CT床板的行进距离。(彩色数据与深度数据无关，是用来辅助CT操作师观察和操作的。)

获取三维面片图后，就可以利用该图构建定位图像，在PC上利用鼠标拉选矩形框来标注定位图的起止点，如图3所示。图3中示出的黑框即为定位图的起始点，CT扫描区域可以控制在黑框标识区域内。另外可以通过三维面片的横切图来控制CT扫描时的辐射剂量，实现精准控制。如图4所示，当CT扫描执行到某一层时，提取该层三维面片的横切图，并且进行边缘识别，提取横切图边缘，通过计算边缘包络的区域面积来控制CT扫描时的辐射剂量。面积和CT辐射剂量的对应关系在开始通过三例CT扫描的结果来建立，构造包络面积和CT辐射剂量的精准映射关系。

因为三维成像装置获取的点云数据是实时的，达到每秒30帧的速率，当人体在CT扫描的过程中移动时，可以实时的获取三维面片图，并且能够根据初始设定的定位图来精确的控制CT扫描的边界和位置，CT的辐射剂量也可以同步获取，做到动态的CT扫描。

PC端获取的彩色图像数据作为CT操作师的病人观察窗口，实时的显示在PC屏幕上，可以动态的观察病人的位置和控制CT床板的行进距离。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：利用近红外发射器发射覆盖人体表面的光线；利用近红外接收器采集被人体反射回来的光线；利用彩色相机负责采集人体的彩色图像数据；

步骤B：将彩色相机和近红外接收器采集的图像数据通过千兆网口传输到PC端，PC端通过采集的深度数据，利用近红外接收器对于不同光线的接收时间差来获得人体的三维轮廓图进而得到人体的三维面片图，其中，因为PC端得到的作为三维轮廓图深度数据为三维点云图，需要对三维点云图进行去噪和三角面片化，得到人体的三维面片图；

步骤C：利用得到的人体的三维面片图来构建定位图像；

步骤D：根据定位图像确定CT扫描区域，并通过人体的三维面片图的横切图来控制CT扫描时的辐射剂量；

所述步骤D包括如下步骤：

当CT扫描执行到某一层时，提取该层人体的三维面片的横切图，并且进行边缘识别，提取横切图边缘，通过计算边缘包络的区域面积来控制CT扫描时的辐射剂量。

2.根据权利要求1所述的基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，其特征在于，在近红外发射器和近红外接收器的前端分别安装有3mm超广角定焦近红外镜头，两个镜头均垂直于CT扫描室的屋顶方向安装，两个镜头的间距为12cm。

3.根据权利要求1所述的基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，其特征在于，还包括彩色相机和近红外成像装置的校正的步骤，其中，近红外成像装置由近红外发射器和近红外接收器构成，具体如下：

步骤i1：把棋盘格校正板放置在CT床板上，令彩色相机和近红外成像装置拍摄多张不同位置的棋盘格图像；提取近红外成像装置获取的棋盘格角点坐标和彩色相机获取的棋盘格角点坐标；

步骤i2：利用棋盘格的物理坐标和角点的像素坐标，计算由近红外发射器、近红外接收器、彩色相机所构成的成像系统的内参数和畸变参数；

步骤i3：利用近红外成像装置和彩色相机的内参数和棋盘格角点的像素坐标计算外参数，获取旋转矩阵和平移矩阵；

步骤i4：通过步骤i2、步骤i3计算的内参数、外参数、畸变参数完成标定过程得到标定系数，然后通过获取的标定系数进行空间的解算，计算出相应的空间坐标。

4.根据权利要求1所述的基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，其特征在于，通过紫铜棒，将彩色相机、近红外接收器、近红外发射器连接于CT扫描室的屋顶，其中，所述紫铜棒设置有网格状分布的镂空结构。

5.根据权利要求1所述的基于CT的宽幅面动态三维人体扫描方法，其特征在于，所述步骤C包括如下步骤：

在PC端上利用鼠标拉选矩形框来标注定位图像的起止点。