CN110269624A - 一种基于rgbd相机的呼吸监测装置及其呼吸监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RGBD相机的呼吸监测装置及其呼吸监测方法，呼吸监测装置包括标记物、RGBD相机、相机支架、计算机，相机支架与RGBD相机连接，RGBD相机与计算机电气连接，标记物用于固定在病人的胸腹部位，呼吸监测方法包括如下步骤：步骤1、标记物的选取；步骤2、得到RGBD图像；步骤3、RGBD图像处理；步骤4、标记物的球心空间坐标的提取；步骤5、输出病人呼吸的曲线和相位值，本发明操作简便，不会令其感觉到不适，对病人友好；在穿刺过程中，医生或者医疗机器人根据呼吸相位值让病人在进行CT扫描和穿刺的过程中在同一呼吸相位值屏住呼吸或者医生或者医疗机器人根据输出的呼吸相位实时地调整穿刺位置，从而保证穿刺位置的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于RGBD相机的呼吸监测装置及其呼吸监测方法。
背景技术
在进行肿瘤消融治疗的时候，医生需要根据CT扫描得到的图像，将穿刺针延术前规划好的通道插入病人体内。而在医生进行CT扫描和穿刺的时候，病人需要屏住呼吸，以免对CT扫描和穿刺造成影响。但病人并不能保证每次屏住呼吸的时候都在呼吸的同一个相位上，这就导致医生可能找不到合适的穿刺位置，或者导致穿刺位置不准确，进而给病人带来伤害。
为了解决这个问题，医生在进行CT扫描和穿刺的时候通常利用呼吸监测装置对病人的呼吸进行监测，从而保证病人在CT扫描时和进行穿刺时能在相同的呼吸相位屏息。而且目前有越来越多的医疗机器人产品应用于穿刺手术定位，其能在病人不运动情况下保证很高的定位精度，但是当病人有呼吸时，这些医疗机器人并没有跟随病人呼吸进行调整的功能。而根据病人呼吸进行穿刺位置的调整就需要引入呼吸检测装置。
目前使用的呼吸检测装置大多可分为两类：
1.基于呼吸流量的呼吸监测装置。该类呼吸监测装置一般需要病人佩戴呼吸面罩，通过检测病人呼吸时的气体流量来得到病人呼吸的相位信息。
2.基于压力的呼吸监测装置。该类呼吸监测装置一般需要病人在胸腹部佩戴绑带或气垫装置，通过检测病人呼吸时胸腹部的张力来得到呼吸的相位。
而这两种呼吸检测装置都有一个明显的缺陷，即需要病人佩戴额外的装置，从而给病人带来不适。
发明内容
本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种基于RGBD相机的呼吸监测装置及其呼吸监测方法。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于RGBD相机的呼吸监测装置，包括标记物、RGBD相机、相机支架、含有处理器的运算模块，所述相机支架与RGBD相机连接，所述RGBD相机与含有处理器的运算模块电气连接，所述RGBD相机用于对拍摄标记物的图像信息，所述标记物用于固定在病人的胸腹部位。
作为优选，所述RGBD相机由RGB相机和深度相机组成。
一种基于RGBD相机的呼吸监测方法，包括如下步骤：
步骤1、标记物的选取：所述标记物为轻质量小球；
步骤2、RGBD相机以俯视的角度对准病标记物进行拍照得到RGBD图像；
步骤3、RGBD图像处理：含有处理器的运算模块对RGBD图像进行处理得到标记物表面的一系列准确点云数据，所述点云数据表示为xi，yi，zi，所述i＝1,2,3...n；
步骤4、标记物的球心空间坐标的提取：采用最小二乘的方法，建立目标函数为所述a,b,c为标记物的球心空间坐标，R为标记物的半径，将点云数据xi，yi，zi和i＝1,2,3...n代入目标函数从而求解出目标函数J最小值对应的a、b、c，所述(a，b，c)即为标记物的球心空间坐标；
步骤5、输出病人呼吸的曲线和相位值：RGBD相机以俯视的角度对准病标记物进行连续不断拍照，依次重复步骤3、步骤4，得到一系列标记物的球心空间坐标，经过滤波处理后，可以输出病人呼吸的曲线和相位值。
作为优选，所述标记物的颜色与病人皮肤要有明显区分，所述标记物底部附有粘贴或者吸附结构。
作为优选，所述步骤2中，RGBD图像包括RGB图像和深度图像。
作为优选，所述RGBD图像处理包括RGB图像处理和深度图像处理，
所述RGB图像处理的步骤为：含有处理器的运算模块先通过颜色滤波的方式在RGB图像中去除掉与标记物颜色不一致的无关部分或者将RGB图像转化为灰度图像，采用阈值滤波进行滤波，然后选用求取图像中所有的连通域，并针对标记物的外形特征对无关的噪声进行滤除，从而最终得到标记物在RGB图像中的位置；
所述深度图像处理的步骤为：含有处理器的运算模块先将标记物在RGB图像中的位置坐标映射到深度图像中，得到标记物在深度图像中的像素位置，同时深度图像中每个像素点的数据代表该点的深度信息，然后通过相机的成像原理，从而得到在相机坐标系下标记物表面点的一系列空间坐标，得到一系列初步点云数据，然后将明显远离点云中心的点去除，从而得到一系列准确点云数据。
作为优选，所述标记物的外形特征包括形状和大小。
本发明的有益效果如下：本发明操作简便，本发明提供的方案只有四个组成部分，且标记物为独立结构，RGBD相机和含有处理器的运算模块只需要通过一条线缆来进行电性连接，不需要复杂的安装和调整，在对病人进行呼吸监测时，只需要将标记物固定在病人的胸腹部位，无其他操作；标记物为轻质量小球，因此尺寸小，重量轻，对病人几乎没有影响，不会令其感觉到不适，对病人友好；在穿刺过程中，医生或者医疗机器人根据呼吸相位值让病人在进行CT扫描和穿刺的过程中在同一呼吸相位值屏住呼吸或者医生或者医疗机器人根据输出的呼吸相位实时地调整穿刺位置，从而保证穿刺位置的准确性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1所示，一种基于RGBD相机2的呼吸监测装置，包括标记物1、RGBD相机2、相机支架3、含有处理器的运算模块4，所述相机支架3与RGBD相机2连接，所述RGBD相机2与含有处理器的运算模块4电气连接，所述RGBD相机2用于对拍摄标记物1的图像信息，所述标记物1用于固定在病人的胸腹部位。所述RGBD相机2由RGB相机和深度相机组成。所述RGBD相机2位于标记物1的正上方或斜上方，RGBD相机2以俯视的角度对准标记物1，以避免采集到的图像中存在过多的干扰。含有处理器的运算模块4可为计算机。
一种基于RGBD相机的呼吸监测方法，包括如下步骤：
步骤1、标记物1的选取：所述标记物1为轻质量小球，所述标记物1的颜色与病人皮肤要有明显区分，所述标记物1底部附有粘贴或者吸附结构；
步骤2、RGBD相机2以俯视的角度对准病标记物1进行拍照得到RGBD图像，以避免采集到的图像中存在过多的干扰；
步骤3、RGBD图像处理：含有处理器的运算模块4对RGBD图像进行处理得到标记物1表面的一系列准确点云数据，所述点云数据表示为xi，yi，zi，所述i＝1,2,3...n；
步骤4、标记物1的球心空间坐标的提取：采用最小二乘的方法，建立目标函数为所述a,b,c为标记物1的球心空间坐标，R为标记物1的半径，将点云数据xi，yi，zi和i＝1,2,3...n代入目标函数从而求解出目标函数J最小值对应的a、b、c，所述(a，b，c)即为标记物1的球心空间坐标；
步骤5、输出病人呼吸的曲线和相位值：RGBD相机2以俯视的角度对准病标记物1进行连续不断拍照，依次重复步骤3、步骤4，得到一系列标记物1的球心空间坐标，经过滤波处理后，可以输出病人呼吸的曲线和相位值。
RGBD图像包括RGB图像和深度图像，所述RGBD图像处理包括RGB图像处理和深度图像处理。
所述RGB图像处理的步骤为：含有处理器的运算模块4先通过颜色滤波的方式在RGB图像中去除掉与标记物1颜色不一致的无关部分或者将RGB图像转化为灰度图像，采用阈值滤波进行滤波，然后选用求取图像中所有的连通域，并针对标记物1的外形特征对无关的噪声进行滤除，从而最终得到标记物1在RGB图像中的位置；标记物1的外形特征包括形状和大小
所述深度图像处理的步骤为：含有处理器的运算模块4先将标记物1在RGB图像中的位置坐标映射到深度图像中，得到标记物1在深度图像中的像素位置，同时深度图像中每个像素点的数据代表该点的深度信息，然后通过相机的成像原理，从而得到在相机坐标系下标记物1表面点的一系列空间坐标，得到一系列初步点云数据，但是由于噪声的存在，所得到的初点云数据中并不完全是标记物表面的点，所以需要将明显远离其他点云中心的点去除，从而得到一系列准确点云数据。
标记物1的球心空间坐标的提取：标记物表面的点云数据经过点云剔除后，仍不能直观地表达标记物的空间位置，不利于后续呼吸信息的提取。所以需要提取标记物的特征点来代表标记物的空间位置。对于球形标记物，可以提取其球心位置代表标记物的空间位置。球心的计算可以通过在球体表面任选4个点进行，但是由于噪声的存在，并不能保证每次选取4个点进行球心计算都能得到最准确的球心位置。因此本发明采用最小二乘的方法，建立目标函数为所述a,b,c为标记物1的球心空间坐标，R为标记物1的半径，将点云数据xi，yi，zi和i＝1,2,3...n代入目标函数从而求解出目标函数J最小值对应的a、b、c，所述a，b，c即为标记物1的球心空间坐标，因此(a，b，c)即为标记物1的最佳拟合的球心坐标。
RGBD相机2以俯视的角度对准病标记物1进行连续不断拍照，依次重复步骤3、步骤4，得到一系列标记物1的球心空间坐标，经过滤波处理后，可以输出病人呼吸的曲线和相位值，然后医生或者医疗机器人根据呼吸相位值让病人在进行CT扫描和穿刺的过程中在同一呼吸相位值屏住呼吸或者医生或者医疗机器人根据输出的呼吸相位实时地调整穿刺位置，从而保证穿刺位置的准确性。
本发明提供的方案只有四个组成部分，且标记物为独立结构，RGBD相机和含有处理器的运算模块只需要通过一条线缆来进行电性连接，不需要复杂的安装和调整，在对病人进行呼吸监测时，只需要将标记物固定在病人的胸腹部位，无其他操作；标记物为轻质量小球，因此尺寸小，重量轻，对病人几乎没有影响，不会令其感觉到不适，对病人友好；在穿刺过程中，医生或者医疗机器人根据呼吸相位值让病人在进行CT扫描和穿刺的过程中在同一呼吸相位值屏住呼吸或者医生或者医疗机器人根据输出的呼吸相位实时地调整穿刺位置，从而保证穿刺位置的准确性。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于RGBD相机的呼吸监测装置，其特征在于，包括标记物(1)、RGBD相机(2)、相机支架(3)、含有处理器的运算模块(4)，所述相机支架(3)与RGBD相机(2)连接，所述RGBD相机(2)与含有处理器的运算模块(4)电气连接，所述RGBD相机(2)用于对拍摄标记物(1)的图像信息，所述标记物(1)用于固定在病人的胸腹部位。
2.根据权利要求1所述基于RGBD相机的呼吸监测装置，其特征在于，所述RGBD相机(2)由RGB相机和深度相机组成。
3.一种基于RGBD相机的呼吸监测方法，基于权利要求1所述基于RGBD相机(2)的呼吸监测装置,其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、标记物(1)的选取：所述标记物(1)为轻质量小球；
步骤2、RGBD相机(2)以俯视的角度对准病标记物(1)进行拍照得到RGBD图像；
步骤3、RGBD图像处理：含有处理器的运算模块(4)对RGBD图像进行处理得到标记物(1)表面的一系列准确点云数据，所述点云数据表示为(xi，yi，zi)，所述i＝1,2,3...n；
步骤4、标记物(1)的球心空间坐标的提取：采用最小二乘的方法，建立目标函数为所述a,b,c为标记物(1)的球心空间坐标，R为标记物(1)的半径，将点云数据(xi，yi，zi)和i＝1,2,3...n代入目标函数从而求解出目标函数J最小值对应的a、b、c，所述(a，b，c)即为标记物(1)的球心空间坐标；
步骤5、输出病人呼吸的曲线和相位值：RGBD相机(2)以俯视的角度对准病标记物(1)进行连续不断拍照，依次重复步骤3、步骤4，得到一系列标记物(1)的球心空间坐标，经过滤波处理后，可以输出病人呼吸的曲线和相位值。
4.根据权利要求3所述基于RGBD相机的呼吸监测方法，其特征在于，所述标记物(1)的颜色与病人皮肤要有明显区分，所述标记物(1)底部附有粘贴或者吸附结构。
5.根据权利要求3所述基于RGBD相机的呼吸监测方法，其特征在于，所述步骤2中，RGBD图像包括RGB图像和深度图像。
6.根据权利要求5所述基于RGBD相机的呼吸监测方法，其特征在于，所述RGBD图像处理包括RGB图像处理和深度图像处理，
所述RGB图像处理的步骤为：含有处理器的运算模块(4)先通过颜色滤波的方式在RGB图像中去除掉与标记物(1)颜色不一致的无关部分或者将RGB图像转化为灰度图像，采用阈值滤波进行滤波，然后选用求取图像中所有的连通域，并针对标记物(1)的外形特征对无关的噪声进行滤除，从而最终得到标记物(1)在RGB图像中的位置；
所述深度图像处理的步骤为：含有处理器的运算模块(4)先将标记物(1)在RGB图像中的位置坐标映射到深度图像中，得到标记物(1)在深度图像中的像素位置，同时深度图像中每个像素点的数据代表该点的深度信息，然后通过相机的成像原理，从而得到在相机坐标系下标记物(1)表面点的一系列空间坐标，得到一系列初步点云数据，然后将明显远离点云中心的点去除，从而得到一系列准确点云数据。
7.根据权利要求6所述基于RGBD相机的呼吸监测方法，其特征在于，所述标记物(1)的外形特征包括形状和大小。
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