CN111178457B - 一种精度校验器及三维影像重建精度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精度校准器及三维影像重建精度评价方法,所述精度校验器由透X光材质构成,其内分散分布有若干校验点和四个坐标点,所述四个坐标点包括一个基准点,其他三个坐标点与基准点的连线相互垂直,且其他三个坐标点到基准点之间的距离不等。并提供了基于该精度校验器的三维影像重建精度评价方法,本发明能够快速准确的分析出C形臂X射线机的三维重建精度,为对C形臂X射线机有较高精度要求的项目需求提供了选型依据,并可为C形臂X射线机三维影像重建精度的矫正提升提供了理论数据分析的基础。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理领域,尤其涉及一种精度校验器及三维影像重建精度评价方法。
背景技术
近年来,C形臂X射线机已经广泛被应用于医疗辅助诊断领域,特别在手术导航机器人系统中已得到广泛应用。但市场上的C形臂X射线机型号、品牌各异,相应的C臂机厂家对其C形臂X射线机所能达到的实际重建精度未能给出十分详细的说明,导致在C形臂X射线机的选型上造成较大的困难;且在对C臂机影像精度有较高要求的需求下,需要对C形臂X射线机的三维影像精度作进一步的矫正和提升,此时,对C形臂X射线机三维影像精度作详细分析,是高精度补偿工作开展的前提,为后续精度矫正工作提供重要的数据支撑。
发明内容
发明目的:本发明针对上述问题,提出了一种快捷、准确的精度校验器及三维影像重建精度评价方法。
技术方案:
一种精度校验器,所述校验器由透X光材质构成,其内分散分布有若干校验点和四个坐标点,所述四个坐标点包括一个基准点,其他三个坐标点与基准点的连线相互垂直,且其他三个坐标点到基准点之间的距离不等。
若干校验点和四个坐标点均匀分布在所述校验器内。
所述校验点和所述坐标点分别为直径不同的小钢珠和大钢珠。
所述校验点为直径2mm的钢珠,所述坐标点为直径4mm的钢珠。
所述精度校验器的形状为立方体。
一种三维影像重建精度评价方法,包括以下步骤:
三维影像数据进行自适应阈值钢珠中心提取包括以下步骤:
1)对三维影像数据进行自适应阈值分割,获得最佳阈值分割过后的三维影像数据;
2)对最佳阈值分割过后的三维影像数据运用kmeans聚类算法,分别将每个钢珠的位置影像数据集彼此分离开;
3)对分离开的每个钢珠的位置影像数据进行拟合最小包围球,通过判断最小包围球的半径与钢珠半径是否匹配对阈值分割结果进行验证,若匹配,则以每个最小包围球的球心坐标作为校验器坐标系下每个钢珠的实际空间位置坐标,若不匹配,则重新进行阈值分割。
1)识别出拟合的最小包围球中四个坐标点的坐标,根据四个坐标点与其他钢珠的相对位置关系确定所有钢珠在校验器坐标系下的坐标,建立三维影像中钢珠间的拓扑关系,,并依据已知的校验器内钢珠间的拓扑关系,一一对应给三维影像中的所有钢珠建立唯一的识别编号;
有益效果:本发明能够快速准确的分析出C形臂X射线机的三维重建精度,为对C形臂X射线机有较高精度要求的项目需求提供了选型依据,并可为C形臂X射线机三维影像重建精度的矫正提升提供了理论数据分析的基础。
附图说明
图1是校验器结构示意图;
图2是评价方法系统流程图;
图3是源数据进行某一阈值分割后的数据图;
图4是最佳阈值分割后的数据图;
图5是实际钢珠中心坐标编号图;
图6是理论设计钢珠中心坐标与实际提取钢珠中心坐标最小二乘匹配图;
图7是实际钢珠提取坐标与实际钢珠理论重建坐标位置偏差图;
图8为以能量灰度阈值为自变量,以每个能量灰度阈值对应的能量灰度置1的空间位置点数目为变量绘制的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明。
本发明的三维影像重建精度评价装置为一种精度校验器,如图1所示,精度校验器为一种由X射线透视性较好的有机玻璃材料制作的立方体,精度校验器内分散分布有多个钢珠,钢珠优选为均匀分布,且布满精度校验器的内部空间,本发明具体实施例中精度校验器内部为三层空间,每层空间均匀放置9颗,共27颗钢珠。精度校验器内部的钢珠分为直径不同的大钢珠和小钢珠,两种尺寸的钢珠要能在C臂机影像中区分,在本发明具体实施方式中选取直径为2mm的小钢珠和4mm的大钢珠。其中,小钢珠为校验点,大钢珠作为坐标点,大钢珠的数量为四个,其中一个大钢珠为基准点,其他三个大钢珠与其的连接线之间相互垂直,且为了在影像中区分出每个钢珠,其他三个大钢珠与基准点之间的距离互不相同,以基准点作为原点,以其他三个大钢珠与其的连接线分别作为X、Y、Z轴建立精度校验器坐标系。在本发明具体实施例中,大钢珠放置如图1中的1、2、3、4位置。
本发明的三维影像重建精度评价方法具体流程图见图2所示,包括以下步骤:
(2)对步骤(1)得到的精度校验器的三维影像数据进行自适应阈值钢珠中心提取,以获得最佳阈值分割过后的三维影像数据,即只包含有所有钢珠的三维影像数据,进而得到精度校验器的三维影像数据中的所有钢珠影像特征,并计算出所有钢珠的中心坐标,即所有钢珠的实际空间位置坐标;其中,最佳分割阈值表示能最好的将三维影像中钢珠位置的能量灰度置1,其余空间点位置能量灰度置0的阈值;
具体步骤如下:
其中,对源数据进行某一阈值分割的数学过程描述为:源数据里某一具体空间点位置数据,其对应能量灰度数据为;若,则取,若,则取,则某一固定阈值分割后得到三维空间二值数据,图3为某一灰度阈值分割后的三维空间二值数据;
(22)以能量灰度阈值为自变量,以每个能量灰度阈值对应的能量灰度置1的空间位置点数目为变量,以自变量为横坐标,变量为纵坐标,绘出曲线图,如图8。分析对于的变化率,取较稳定且接近于0附近的阈值为第一有效阈值,并结合相应阈值下的能量灰度为1的数据的一些几何特征(如点集包围盒体积大小、质心位置等),进一步分析得到最佳的合适阈值,并得到最佳阈值分割完之后的数据,见图4;
(25)验证步骤(24)中获得的球半径集中有且只有四个拟合球半径为2mm(±0.1mm),其余拟合求半径为1mm(±0.1mm),转至步骤(3);否则,认为本次自适应阈值分割的并不准确,需要去调整自适应阈值分割中的参数值,如减小阈值的增加步长,返回步骤(21);
(3)对提取出的钢珠中心进行拓扑排序,以建立实际空间中钢珠间的拓扑关系,具体为:
识别出步骤(2)中拟合的最小包围球中拟合球半径为2mm的四个大钢珠,其球心坐标分别为、、、,根据四点间的距离约束关系,以此四点为基准,建立校验器坐标系,根据精度校验器内钢珠的分布,得到所有钢珠中心在校验器坐标系下的理论位置坐标,记为,并建立三维影像中钢珠间的拓扑关系;已知校验器内钢珠间的拓扑关系,并据此一一对应给三维影像中所有钢珠建立唯一的识别编号,钢珠中心位置编号图见图5;
(4)在校验器坐标系下理论钢珠中心坐标点集与实际空间中钢珠中心坐标点集进行最小二乘匹配计算,以得到与实际钢珠中心点最佳匹配的空间中理论的钢珠点坐标;即根据步骤(3)中已建立编号的实际空间中钢珠中心坐标点,确定每个钢珠位置处的理论重建坐标;
(42)每个钢珠位置处的理论空间重建坐标求取方法为:
(5)对步骤(4)得到的每个钢珠位置处的理论空间位置坐标与实际空间位置坐标进行欧式距离计算,欧式距离,将计算得到的距离值作为C形臂X射线机对相应钢珠点的空间位置重建误差;相应的C臂机重建偏差图见图7,单位为mm。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等),这些等同变换均属于本发明的保护。
Claims (6)
1.一种三维影像重建精度评价方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)利用C形臂X射线机获取精度校验器的三维影像数据;其中,所述精度校验器由透X光材质构成,其内分散分布有若干校验点和四个坐标点,所述四个坐标点包括一个基准点,其他三个坐标点与基准点的连线相互垂直,且其他三个坐标点到基准点之间的距离不等;所述校验点和所述坐标点分别为直径不同的小钢珠和大钢珠;
具体为:
1)对三维影像数据进行自适应阈值分割,获得最佳阈值分割过后的三维影像数据;
2)对最佳阈值分割过后的三维影像数据运用kmeans聚类算法,分别将每个钢珠的位置影像数据集彼此分离开;
3)对分离开的每个钢珠的位置影像数据进行拟合最小包围球,通过判断最小包围球的半径与钢珠半径是否匹配对阈值分割结果进行验证,若匹配,则以每个最小包围球的球心坐标作为每个钢珠的实际空间位置坐标,若不匹配,则重新进行阈值分割;
(2)根据步骤(1)拟合得到的最小包围球中的四个大钢珠中,以基准点为原点,其他三个坐标点与基准点的连线为轴建立校验器坐标系,得到每个钢珠在校验器坐标系下的理论位置坐标;并建立三维影像中钢珠间的拓扑关系;已知校验器内钢珠间的拓扑关系,并据此一一对应给三维影像中所有钢珠建立唯一的识别编号;
2.根据权利要求1所述的三维影像重建精度评价方法,其特征在于,若干校验点和四个坐标点均匀分布在所述精度校验器内。
3.根据权利要求1所述的三维影像重建精度评价方法,其特征在于,所述校验点为直径2mm的钢珠,所述坐标点为直径4mm的钢珠。
4.根据权利要求1所述的三维影像重建精度评价方法,其特征在于,所述精度校验器的形状为立方体。
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