CN109363677A - 乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，包括探头、参考标尺、探头识别标签、摄像装置和计算机；其中，参考标尺使用时置于检测区域内，用于提供标准尺寸刻度信息；探头识别标签安放于探头上表面，且要与检测电极阵列形成固定的对应位置关系；摄像装置用于获取检测探头和受检区域的视频及图像信息；计算机对摄像装置获取的图像信息进行实时处理，采用图像识别及光流跟踪算法实现对检测区域的精确定位和对探头的移动轨迹的跟踪，且同步地获取探头所在区域的电阻抗信息。实现对EIS检测目标区阻抗信息和位置信息的同步获取，可为EIS检查时提供精确的体表定位信息，确保在多次复查时探头对目标区的定位信息保持一致。

Description

乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种手持式检测探头的定位方法，特别是涉及一种乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统及其方法。

背景技术

乳腺电阻抗扫描成像(electrical impedance scanning,EIS)技术通常采用手持式探头对女性乳房健康状态进行检查，手持式探头具有操作灵活的优势，操作者可以通过手持探头对乳房表面进行多区域、多角度探测。但手持探头检测方式的缺点是，不利于对操作过程进行标准化控制。这使得对乳房某一区域重复检查时，由于操作者很难保证每次探头放置的位置都一致，使得每次得到的图像有差异，不利于进行系列图像的对比分析。而在临床上，通常需要对左右乳进行对测性检查、对有疑似早期癌变的区域进行定期检查、或对乳腺癌包块治疗后(如新辅助化疗不同疗程)的状态进行动态监测，这就需要对多次检查结果进行对比分析，分析包块大小、形态、位置等在图像中有无变化，以此判断病情的变化。

目前乳腺电阻抗扫描临床检查中，为了对检测探头获取的图像进行定位标识，通常的方法是：由操作者人为将被测乳房表面分为3×3个区域(共9个区域)，然后探头依次完成九个区域的检查，这样可以对单幅图像的位置信息进行粗略标识。但这种方式受操作者的人为影响较大，特别是需要对感兴趣区域(如疑似癌变区域，或接受新辅助化疗的癌包块)进行周期性监测时，操作者很难使手持式探头准确复现上次的操作位置。不利于对癌变区域的变化状态(如大小变化、形态变化等)进行精确评价。因此在乳腺电阻抗扫描临床应用中需要研究可实现检测探头准确定位导航的技术方法。

发明内容

针对现有的乳腺电阻抗扫描成像(electrical impedance scanning，EIS)技术因采用手持式检测探头，难以在复查过程中对感兴趣目标区实现重复性精确定位，不利于周期性动态监测病变状态变化的技术问题，本发明的目的在于，提供一种乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统及其方法。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，其特征在于，包括探头、参考标尺、探头识别标签、摄像装置和计算机；其中，参考标尺使用时置于检测区域内，用于提供标准尺寸刻度信息；探头识别标签安放于探头上表面，且要与检测电极阵列形成固定的对应位置关系；摄像装置用于获取检测探头和受检区域的视频及图像信息；计算机对摄像装置获取的图像信息进行实时处理，采用图像识别及光流跟踪算法实现对检测区域的精确定位和对探头的移动轨迹的跟踪，且同步地获取探头所在区域的电阻抗信息。

根据本发明，所述的摄像装置主要由摄像头和位姿传感器组成，其中位姿传感器获取摄像头的姿态信息。

进一步地，参考标尺采用十字形设计，其中的横向标尺主要起支撑作用，纵向标尺上有10cm的标准刻度。

上述乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统的准确定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)女性受检患者平躺暴露双乳，将参考标尺固定于患者胸骨部位，标尺下缘与剑突下缘平齐；开启乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，并启动摄像头；

2)摄像装置固定于受检患者胸部上方，使得摄像头对参考标尺刻度进行识别，对乳房图像进行视觉处理，获取乳房轮廓尺寸信息，建立乳房检测区域内的坐标系；

3)对探头进行识别，并解算位置信息；

4)设置工作模式，如果患者首次进行EIS检查，则探头在乳房区域固定检测位置后，同步记录检测区域的电阻抗信息及探头的位置信息；如果是对病变区复查，则启动探头跟踪导航，引导操作者将探头准确地定位于前次EIS检测的位置。

其中，所述的对探头进行识别，并解算位置信息的方法是：通过对探头上的识别标签进行图像识别，检测到至少4个不共线的特征点，得到它们的世界坐标，之后再求得这些特征点的图像坐标，经欧式空间几何变换得到检测探头的位置信息。

所述的启动探头导航的方法步骤是：

1)从乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统中调出需要复查的病变区的位置信息，以此信息作为探头导航的目标点；

2)检测探头进入摄像头视野后，对探头的识别标签进行目标匹配识别；

3)确定探头目标后，采用光流跟踪算法对探头进行跟踪，同时计算机指示探头当前位置和导航的目标位置，引导操作员将探头移动到目标位置；

4)当探头位置与目标位置匹配时，提示探头导航结束，对病变区域进行复查。

本发明的乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统及其方法，利用图像识别、视觉导航等技术，可感知探头的位置和移动轨迹，实现对EIS检测目标区阻抗信息和位置信息的同步获取，可为EIS检查时提供精确的体表定位信息，确保在多次复查时探头对目标区的定位信息保持一致，与现有技术相比，具有以下技术效果：

利用图像识别定位，实现手持式探头的定位和跟踪，使得在乳腺电阻抗扫描成像检测中可准确记录每个检测区域的位置信息，实现电阻抗图像数据和准确位置信息的关联；此外也可在对感兴趣区域(如疑似癌变区域，或接受新辅助化疗的癌包块)进行重复检查或周期性监测时，辅助操作者准确定位前次的检测位置，有利于对病灶区域变化状态(如大小变化、形态变化等)进行精确评价。

附图说明

图1是本发明的乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统示意图；

图2是参考标尺在患者体表的固定方式示意图；

图3是探头识别标签及其安放示意图；

图4是探头跟踪过程示意图；

图5是探头跟踪算法流程图；

图中的标记分别表示：1、摄像装置，2、固定支架，3、探头，4、探头识别标签，5、计算机，6、参考标尺。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

为进一步说明本发明的特点及优势特性，本实施例给出一种乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统及其准确定位的方法。

需要说明的是，以下的实施例仅仅是便于理解本发明，本发明并不限于该实施例，本领域技术人员按照本发明技术方案所进行的修正、添加和替换，均应属于本发明保护的范围。

如图1所示，该乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，主要包括探头3、参考标尺6、探头识别标签4、摄像装置1和计算机5；其中，摄像装置1安装在固定支架2上，通过连接线与计算机5连接，探头3也和计算机5相连接。

本实施例的参考标尺6如图2所示，参考标尺6使用时置于检测区域内，用于提供标准尺寸刻度信息；为便于平稳固定于人体体表上，参考标尺6采用“十字形”设计，其中的横向标尺主要起支撑作用，纵向标尺上有10cm的标准刻度，刻度清晰，便于图像识别。

本实施例中的探头3和探头识别标签4如图3所示，探头识别标签4嵌于探头3的上表面，探头识别标签4采用红绿蓝黄的“田字格”作为探头识别的特征标志，且与检测电极阵列平面成固定角度，使得色标所覆盖区域即为探头3的实际检测区域。

摄像装置1，主要包括一个单目摄像头和一个三轴重力加速度传感器，三轴重力加速度传感器可获取摄像头倾角信息。

计算机5对摄像装置1获取的图像信息进行实时处理，采用图像识别及光流跟踪算法实现对检测区域的精确定位和对探头3的移动轨迹的跟踪，且同步地获取探头3所在区域的电阻抗信息。

该乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，一方面用于对采集的数据进行处理记录，另一方面用于处理摄像装置1获取的图像信息，以实现对探头3的精确定位。

上述的乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统的准确定位方法，包括如下步骤：

1)女性受检患者平躺暴露双乳，将参考标尺6固定于患者胸骨部位，参考标尺6下缘与剑突下缘平齐；开启乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，启动摄像装置1。如图1所示，乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统的计算机1可获取摄像信息。同时该计算机也处理检测信息。图2显示参考标尺6在患者体表的固定方式。

2)摄像装置1固定于女性受检患者胸部上方，使得摄像头对参考标尺6的刻度进行识别，对乳房图像进行视觉处理，获取乳房轮廓尺寸信息，建立乳房检测区域内的坐标系；

如图2所示，首先根据摄像头获取的乳房图像信息，通过图像处理及识别技术进行乳房检测区域划定。对于单侧乳房，最终形成以乳房左侧缘和右侧缘以及下侧缘为界，以乳基底宽为边长的正方形测量区域。进一步根据摄像头获取的测量标尺刻度信息，建立乳房检测区域内的坐标系。

3)对探头3进行识别，并解算其位置信息；

摄像头通过探头识别标签4进行识别，由于探头识别标签4与探头3的检测电极阵列位置成对应关系，因而色标所覆盖区域即为实际检测所在区域，如图3所示。具体识别过程为：

首先读入一帧图像，经过图像预处理：灰度化、图像滤波、自适应阈值化、轮廓检测，之后要进行目标的匹配识别，确定目标在图像中的位置。对目标进行匹配识别是依据探头3上的色标。在算法中预先已输入色标的模板图像，对帧图像及模板图像进行玩预处理后，分别进行特征点检测；之后利用模板图像的特征点和帧图像检测到的特征点进行匹配，从而进行目标的确定。并进一步依据特征点进行目标(即探头)相对于摄像机的位姿计算。

基于视觉对单目视觉下检测探头位姿估计模型涉及到欧式空间几何变换，坐标系有世界坐标系O_wX_wY_wA_w、机体坐标系OXYZ、摄像机坐标系O_cX_cY_cA_c以及图像坐标系O₁XY。

图像坐标系与摄像机坐标系之间得关系为：

其中(u,v)是空间点P在图像上对应点p的图像坐标。

称为摄像机标定矩阵。f/d_x，f/d_y为x轴和y轴方向上的尺度因子，即将摄像机的焦距算成x轴和y轴方向上像素量纲。

欧氏空间刚体坐标变换可知，空间点P在世界坐标系下的坐标，经过旋转和平移后，可得到其在摄像机坐标系中的坐标。若空间点P在摄像机坐标系下坐标为(X_c，Y_c，Z_c),在世界坐标系下坐标为(X_w，Y_w，Z_w),那么有如下的变换公式:

其中，R为世界坐标系到摄像机坐标系之间的旋转矩阵，是一个3×3的正交矩阵；p为世界坐标系到摄像机坐标系之间的平移矩阵，是一个三维向量。

将式(2)代入式(1)，得到空间点P的世界坐标与其像点p的图像坐标(u,v)之间的关系，即图像坐标系与世界坐标系间的关系为：

由此可知，若要对探头3进行位姿估计，则只要求得R，p即可。而若要求的R、p，地标标志需检测出至少4个不共线的特征点，得到它们的世界坐标，之后再求得这些特征点的图像坐标，然后将这些坐标值和摄像机标定得到的摄像机参数一起代入式(3)中，便可求得R，p，即探头3的姿态和位置信息。

4)设置工作模式，如果患者首次进行EIS检查，则探头3在乳房区域固定检测位置后，同步记录检测区域的电阻抗信息及探头的位置信息即可；如果是对病变区复查，则启动探头导航，引导操作者将探头准确地定位于前次EIS检测的位置。

本实施例中，启动探头3导航的方法是：首先从乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统中调出需要复查的病变区的位置信息，以此信息作为探头3导航的目标位置；当探头3进入摄像头视野后，对探头3上的探头识别标签4进行目标匹配识别；确定探头3目标后，采用光流跟踪算法对探头3进行跟踪，同时计算机5指示探头3当前位置和导航的目标位置，引导操作员将探头3移动到目标位置；当探头3位置与目标位置匹配时，提示探头3导航结束，此时可以对病变区域进行3检查，探头3跟踪过程示意图如图4所示。

本实施例中探头3跟踪方法流程图如图5所示，所采用的跟踪算法以中值流跟踪器为核心实现。中值流跟踪算法采用L-K光流法为核心跟踪算法，通过前后向跟踪误差及跟踪特征点相邻2帧周边区域相似性进行跟踪性能判断，从而准确跟踪到目标。

Claims (6)

1.一种乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，其特征在于，包括探头、参考标尺、探头识别标签、摄像装置和计算机；其中，参考标尺使用时置于检测区域内，用于提供标准尺寸刻度信息；探头识别标签安放于探头上表面，且要与检测电极阵列形成固定的对应位置关系；摄像装置用于获取检测探头和受检区域的视频及图像信息；计算机对摄像装置获取的图像信息进行实时处理，采用图像识别及光流跟踪算法实现对检测区域的精确定位和对探头的移动轨迹的跟踪，且同步地获取探头所在区域的电阻抗信息。

2.如权利要求1所述的乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，其特征在于，所述的摄像装置主要由摄像头和位姿传感器组成，其中位姿传感器获取摄像头的姿态信息。

3.如权利要求1所述的乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，其特征在于，所述的参考标尺采用十字形设计，其中的横向标尺主要起支撑作用，纵向标尺上有10cm的标准刻度。

4.权利要求1至3其中之一所述的乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统的准确定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)女性受检患者平躺暴露双乳，将参考标尺固定于患者胸骨部位，参考标尺下缘与剑突下缘平齐；开启乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统，并启动摄像头；

2)摄像装置固定于受检患者胸部上方，使得摄像头对参考标尺刻度进行识别，对乳房图像进行视觉处理，获取乳房轮廓尺寸信息，建立乳房检测区域内的坐标系；

3)对探头进行识别，并解算位置信息；

4)设置工作模式，如果患者首次进行EIS检查，则探头在乳房区域固定检测位置后，同步记录检测区域的电阻抗信息及探头的位置信息；如果是对病变区复查，则启动探头跟踪导航，引导操作者将探头准确地定位于前次检测的位置。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的对探头进行识别，并解算位置信息的方法是：通过对探头上的识别标签进行图像识别，检测到至少4个不共线的特征点，得到它们的世界坐标，之后再求得这些特征点的图像坐标，经欧式空间几何变换得到检测探头的位置信息。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的启动探头导航的方法步骤是：

1)从乳腺电阻抗扫描成像手持式检测探头体表定位系统中调出需要复查的病变区的位置信息，以此信息作为探头导航的目标点；

2)检测探头进入摄像头视野后，对探头的识别标签进行目标匹配识别；

3)确定探头目标后，采用光流跟踪算法对探头进行跟踪，同时计算机指示探头当前位置和导航的目标位置，引导操作员将探头移动到目标位置；

4)当探头位置与目标位置匹配时，提示探头导航结束，对病变区域进行复查。