CN112085797A - 3d相机-医疗成像设备坐标系校准系统和方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D相机‑医疗成像设备坐标系校准系统和方法及其应用。所述校准系统包括：校准工具，设置在扫描床上，校准工具上设置有标记和参考点，该参考点与医疗成像设备的中心对准以作为医疗成像设备坐标系的原点，并且根据标记到参考点的相对位置计算标记在医疗成像设备坐标系中的位置；3D相机，用于捕捉标记的图像并基于该捕捉到的图像确定标记在3D相机坐标系中的位置；以及计算装置，使用标记在3D相机坐标系中的位置和标记在医疗成像设备坐标系中的位置计算校准矩阵，并使用该校准矩阵在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准。所述方法与上述系统相对应。本发明还涉及上述校准的应用及可实现所述方法和应用的计算机可读存储介质。

Description

3D相机-医疗成像设备坐标系校准系统和方法及其应用
技术领域
本发明涉及医疗成像领域，特别涉及用于在三维(3D)相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统和方法，以及上述校准的具体应用及可实现所述校准方法和应用的计算机可读存储介质。
背景技术
在传统的医疗成像过程中，通过医疗成像设备扫描成像装置来获取待扫描患者及待扫描部位的图像信息，然而用户如果想获得更多直观、准确和有效的特征信息，就需要进一步引入基于视频或图像的相机。比如，通过在计算机断层扫描(CT)中使用3D相机，CT用户能够实现许多直观、准确和有效的操作，比如，扫描范围的估算、显示和调整，患者身体厚度的估算等；此外，还能为CT用户提供与安全相关的操作，比如，患者移动检测，扫描床移动前的碰撞预测等。
然而，医疗成像设备和相机有各自的坐标系，因此就需要在这两个坐标系之间实现转换，这种转换在本领域中通常也可以称之为校准。无论是转换还是校准，都需要大量的数据组来得到校准矩阵，然后通过该校准矩阵，就能够将上述相机所获取的信息转换到医疗成像设备中并在后续处理中起作用。
但已有的转换或校准技术都需要医疗成像扫描的介入，具体比如通过对扫描床上的校准物进行CT扫描得到一组数据，同时用3D相机对该校准物进行成像得到另一组数据，然后基于这两组数据计算转换关系。又比如，在公开日为2017年3月30日的美国专利文献US9633435B2中揭示了一种通过转换矩阵对RGB－D传感器和医疗成像扫描仪进行校准的方法，其中医疗成像扫描仪通过成像扫描获得第一数据组，而RGB－D传感器感测到的数据则作为第二数据组，再基于这两个数据组得到上述转换矩阵。
医疗成像扫描的介入，意味着上述转换或校准需要经历额外的辐射，这从辐射安全角度讲肯定是不希望的，而且这必然要占用更多的时间，也需要操作员去扫描室外的操作台上对成像扫描进行操控，非常得不方便。而且，也期望引入3D相机来使用户更加直观、准确和有效地实现各种操作。
因此，亟需一种新的技术能方便并且无辐射地准确实现3D相机与医疗成像设备坐标系间的校准。
发明内容
本发明就旨在克服现有技术中的上述和/或其他问题，通过本发明所提供的校准系统和方法，可以不需要医疗扫描就获得校准矩阵所需数据组，进而无辐射且方便地准确实现3D相机与医疗成像设备坐标系间的校准。通过本发明的校准可以方便地实现很多医疗成像中的应用。
根据本发明的第一方面，提供一种用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统，包括：校准工具，设置在所述医疗成像设备中的扫描床上，所述校准工具上设置有标记和参考点，该参考点与所述医疗成像设备的中心对准以作为所述医疗成像设备坐标系的原点，并且根据所述标记到所述参考点的相对位置计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置；3D相机，用于捕捉所述标记的图像并基于该捕捉到的图像确定所述标记在所述3D相机坐标系中的位置；以及计算装置，使用所述标记在所述3D相机坐标系中的位置作为第一数据组，使用所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置作为第二数据组，基于所述第一数据组和所述第二数据组计算所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵，并使用该校准矩阵在所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间进行校准。
上述系统在计算校准矩阵的过程中完全不需要成像扫描，而只要通过纯计算就能得到校准工具上的标记在医疗成像设备坐标系中的位置，同时又通过3D相机得到校准工具上的标记在3D相机坐标系中的位置，最后基于这两组位置数据得到3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵。整个过程没有任何辐射，辐射安全性非常得高；而且也节约了时间，因为不需要进行成像扫描，并且操作员也无需离开扫描室去操控台上操控成像扫描。另外，根据所述标记到所述参考点的相对位置来计算该标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置，这也显著提高了3D相机与医疗成像设备坐标系间的校准准确性。
较佳地，所述医疗成像设备中的激光灯所发出的激光线束与所述参考点相交于所述医疗成像设备的中心。
由此，根据本发明的3D相机-医疗成像设备的坐标系校准系统借助激光灯来完成校准工具的基准工序，这与传统的利用成像扫描来得到校准工具位置的方法相比，可以更加直观地定位校准工具。
更较佳地，在根据本发明的校准系统中，所述校准工具上还设置有相交于所述参考点的辅助线，所述激光线束包括第一线束和第二线束，所述两条辅助线分别与所述第一线束和第二线束重合。
由此，通过引入上述辅助线，更加有助于校准工具上的参考点与医疗成像设备的中心对准。
较佳地，在上述用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统中，所述校准矩阵包括旋转矩阵、平移矩阵和缩放矩阵。
由于在3D相机中获取的物体尺寸可能与真实世界中该物体的物理尺寸不同，因此引入上述缩放矩阵以进一步保证上述3D相机-医疗成像设备坐标系间校准的准确性。
较佳地，上述用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统可进一步包括：检验单元，用于通过将第三数据组与第四数据组进行比较，对所述校准矩阵进行检验，其中，所述第三数据组为将从所述3D相机获取的所述标记的位置经所述校准矩阵后得到的该标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置，所述第四数据组为所述标记实际在所述医疗成像设备坐标系中的位置。
具体地，可在所述检验单元中，计算所述第三数据组与所述第四数据组之间的平均绝对误差，并将该平均绝对误差与阈值进行比较。
上述检验单元有助于工程师或用户能够容易地检查3D相机与医疗成像设备坐标系间的校准是否已经完成以及该校准是否满足了所需的精度要求。
较佳地，在上述用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统中，还可设定所述标记的形状和大小，并根据所述标记到所述参考点的相对位置以及该设定的形状和大小来计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置。
对于上述在校准工具上的标记，其大小和数量都可根据需要进行设定。而且该标记可以具有各种形状，可以将该标记的形状设计为能被3D相机精确地捕捉到，从而更加准确地生成其在3D相机坐标系中的标记位置。根据本发明的第二方面，提供一种用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，所述医疗成像设备中的扫描床上设置有校准工具，该校准工具上设置有参考点和标记，所述方法包括：使所述参考点与所述医疗成像设备的中心对准以作为所述医疗成像设备坐标系的原点；根据所述标记到所述参考点的相对位置计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置；通过3D相机捕捉所述标记的图像并基于该捕捉到的图像确定所述标记在所述3D相机坐标系中的位置；使用所述标记在所述3D相机坐标系中的位置作为第一数据组，同时使用所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置作为第二数据组，并基于所述第一数据组和所述第二数据组计算所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵；以及使用所述校准矩阵在所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间进行校准。
较佳地，在上述方法中，使所述医疗成像设备中的激光灯所发出的激光线束与所述参考点相交于所述医疗成像设备的中心。
更较佳地，在上述校准工具上还设置有相交于所述参考点的辅助线，所述激光线束包括第一线束和第二线束，使所述两条辅助线分别与所述第一线束和第二线束重合。
较佳地，在上述用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法中，所述校准矩阵包括旋转矩阵、平移矩阵和缩放矩阵。
较佳地，上述方法可进一步包括：用于通过将第三数据组与第四数据组进行比较，对所述校准矩阵进行检验，其中，所述第三数据组为将从所述3D相机获取的所述标记的位置经所述校准矩阵后得到的该标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置，所述第四数据组为所述标记实际在所述医疗成像设备坐标系中的位置。
具体地，在对所述校准矩阵进行检验的步骤中，可计算所述第三数据组与所述第四数据组之间的平均绝对误差，并将该平均绝对误差与阈值进行比较。
较佳地，对于上述用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，在计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置的步骤中，可设定所述标记的形状和大小，并根据所述标记到所述参考点的相对位置以及该设定的形状和大小来计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置。
上述方法与根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统对应，其可以实现所述系统所能实现的所有技术效果。
根据本发明的医疗成像设备可包括CT设备、核磁共振(MR)设备、正电子发射型计算机断层显像(PET)设备或所述这些设备的组合。
根据本发明的第三方面，提供一种用于医疗成像设备的扫描定位方法，包括：通过3D相机获取位于所述医疗成像设备的扫描床上的待扫描患者的3D图像；对所述获取的3D图像进行识别，以得到待扫描患者的人体解剖结构信息；基于所述人体解剖结构信息在所述3D图像上确定待扫描范围；以及通过根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，将所述3D相机坐标系下的所述待扫描范围校准到所述医疗成像设备坐标系下。
根据本发明的第四方面，提供一种扫描范围显示方法，包括：通过3D相机获取所述扫描范围的关键点；通过根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，将所述关键点在3D相机坐标系中的位置校准为所述关键点在医疗成像设备坐标系中的位置；根据预定的起止距离和所述关键点在所述医疗成像设备坐标系中的位置，获取所述扫描范围的起止点在所述医疗成像设备坐标系中的位置；以及显示通过所述校准矩阵的逆运算所得到的所述扫描范围的起止点在所述3D相机画面中的像素位置。
根据本发明的第五方面，提供一种用于预测人体碰撞的方法，包括：通过3D相机获取人体的点云数据；通过根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，将所述点云数据校准到医疗成像设备坐标系中；以及通过将所述点云数据在所述医疗成像设备坐标系中的位置与扫描机架在所述医疗成像设备坐标系中的位置进行比较，预测人体与所述扫描机架发生碰撞的可能性。
上述三个方面为根据本发明的3D相机-医疗成像设备坐标系间的校准在医疗成像领域中的具体应用，但本领域技术人员应该很清楚，根据本发明的校准技术还可以在很多其他场合下得到广泛应用。
根据本发明的第六方面，提供一种计算机可读存储介质，其上记录有经编码的指令，当执行该指令时可实现上述用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法及其各种应用。
通过下面的详细描述、附图以及权利要求，其他特征和方面会变得清楚。
附图说明
通过结合附图对于本发明的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为根据本发明示例性实施例的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统的示意性框图；
图2示出了根据本发明示例性实施例的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统的操作示意图；
图3为图2所示系统中的校准工具的示意图；
图4示出了图2所示系统中的校准工具上的标记的像素位置；
图5为图1所示系统的变型实施例的示意性框图；
图6为根据本发明示例性实施例的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法的流程图；以及
图7为图6所示方法的变型实施例的流程图。
具体实施方式
以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
根据本发明的实施例，提供一种用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统。
参考图1，其为根据本发明示例性实施例的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统100的示意性框图。该系统100包括校准工具120、3D相机140和计算装置160。图2示出了系统100的操作示意图，其中，Xc、Yc和Zc表示3D相机140的坐标系，Xg、Yg和Zg则表示医疗成像设备的坐标系。
结合图2可知，校准工具120设置在医疗成像设备中的扫描床上。在校准工具120上设置有标记125和参考点A。该参考点A与医疗成像设备的中心对准以作为医疗成像设备坐标系的原点(0,0,0)(即，Xg、Yg和Zg轴的交点)。再根据标记125到参考点A(即，医疗成像设备坐标系的原点)的相对位置计算标记125在医疗成像设备坐标系中的位置。
图1和图2中所示的3D相机140用于捕捉标记125的图像并基于该捕捉到的图像确定标记125在3D相机140坐标系中的位置。
图1中所示的计算装置160则在上述两组位置数据的基础上完成以下计算功能：使用标记125在3D相机140坐标系中的位置作为第一数据组，使用标记125在医疗成像设备坐标系中的位置作为第二数据组，基于第一数据组和第二数据组计算3D相机140坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵M，并使用校准矩阵M在3D相机140坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准。
上述系统在计算校准矩阵的过程中完全不需要成像扫描，而只要通过计算装置160进行纯计算就能得到校准工具120上的标记125在医疗成像设备坐标系中的位置，再加上通过3D相机140得到的标记125在3D相机140坐标系中的位置，就可以基于这两组位置数据得到3D相机140坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵M。整个过程不需要经历任何辐射，辐射安全性非常得高；而且也节约了时间，因为不需要进行成像扫描，并且操作员也无需离开扫描室去操控台上操控成像扫描。另外，根据标记125到参考点A的相对位置来计算标记125在医疗成像设备坐标系中的位置，这也显著提高了3D相机140与医疗成像设备坐标系间的校准准确性。
进一步地，所述医疗成像设备中的激光灯所发出的激光线束与参考点A相交于所述医疗成像设备的中心。
图3示出了上述系统中校准工具120的示意图，其具体以黑白方块相间的像素形式表示。
如图3所示，在校准工具120上还设置有相交于参考点A的辅助线128A和128B，该辅助线128A和128B较佳地可如图3所示地互相垂直于校准工具120所在平面上，即，分别位于图2所示的Xg轴和Zg轴的方向上。所述激光灯发出的激光线束可包括第一线束和第二线束。可移动校准工具120，使辅助线128A和128B分别与所述第一线束和第二线束重合，由此更便于使参考点A与所述医疗成像设备的中心对准。
这样，便直观、便捷地将参考点A确定为医疗成像设备坐标系的原点(0,0,0)。图3中还示出了标记125的位置，图中每一个黑色方块和每一个白色方块的交叉点即对应一个标记125。
以上虽然描述了通过辅助线128A和128B来使参考点A与所述医疗成像设备的中心对准，但本领域技术人员应该很清楚，即使没有该辅助线128A和128B，也可以实现将参考点A与所述医疗成像设备的中心对准。
进一步参考图4，其中示出了校准工具120上的每一个标记125的像素位置，该像素位置即为标记125在3D相机坐标系中的像素位置，这将在下文中进行详细的描述，此处暂时不具体展开。
图4中每一个黑色方块和每一个白色方块的交叉点即对应一个标记125，在它们旁边标注的数字即为该标记到参考点A的相对距离，由该相对距离便能得到每一个标记125在医疗成像设备坐标系中的坐标位置。
由上述可见，本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统100借助激光灯来与校准工具120进行基准，这与传统的利用成像扫描来得到校准工具位置的方法相比，可以更加直观地定位校准工具，具有更高的辐射安全性，且节省了操作者要到扫描室外操控成像扫描的时间。
而如图3所示地进一步引入辅助线128A和128B，则更加有助于校准工具120上的参考点A更快地与所述医疗成像设备的中心对准。
需要特别说明的是，虽然图2中校准工具120上的标记125被示出为6个，但实际上其数量可以根据需要设定为任意。而且，虽然图2中标记125的形状为矩形，但实际上标记125的大小和形状也可以根据需要进行设定。标记125可以具有各种形状，这样可以将其形状设计为更容易被3D相机140精确地捕捉到，从而更加准确地生成标记125在3D相机140坐标系中的标记位置。而一旦根据需要设定了标记125的形状和大小，在计算标记125在医疗成像设备坐标系中的位置时，除了考虑标记125到参考点A的相对位置，也可考虑该设定的形状和大小。
由此可见，操作校准工具120并不需要专门的知识，其上设置的标记125可以为各种形状，这给用户带来很大的方便而且也易于更新。操作者只需输入标记125的位置及形状和大小，校准就能自动完成。
此外，在上述校准系统100中，3D相机140捕捉标记125的深度图像、红外图像和RGB图像，并且可以例如采用跨平台计算机视觉库(OpenCV)中的开源(open-source)方法来对所述红外图像和RGB图像进行处理，从而得到标记125在该3D相机坐标系中的像素位置，如图4所示。
进一步地，可从所述标记125的深度图像得到该标记的深度信息。由此，基于该深度信息以及前面得到的标记125在3D相机坐标系中的像素位置，可以确定每一个标记125在所述3D相机坐标系中的三维位置(Xc,Yc,Zc)。
在根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统100中，校准矩阵M首先包括旋转矩阵r和平移矩阵t，这两个矩阵已能实现3D相机140坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准。然而，由于在3D相机140中获取的物体尺寸可能与真实世界中该物体的物理尺寸不同，因此根据本发明，校准矩阵M还特别包括缩放矩阵s，从而排除了其尺寸与真实物理尺寸相比不准确的物体。这样一来，无疑加强了校准矩阵M，而可以获得更好的校准准确性。
进一步地，参考图5，根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统100可进一步包括检验单元180。
检验单元180首先将从3D相机140得到的标记125的位置经校准矩阵M校准为医疗成像设备坐标系中的位置P’，再将该校准后的位置P’与标记125实际在医疗成像设备坐标系中的位置P进行比较。标记125实际在医疗成像设备坐标系中的位置P可由比如激光基准来确定。通过上述比较，检验单元180可对校准矩阵M进行检验。
在上述比较中，具体例如，可计算上述P’与P之间的平均绝对误差，并将该平均绝对误差与一预先设定的阈值进行比较，以此来判断校准矩阵M的校准精度是否是所期望的。所述预先设定的阈值可根据工作要求和环境等因素来确定。
上述检验单元180有助于工程师或用户能够容易地检查3D相机140与医疗成像设备坐标系间的校准是否已经完成以及该校准是否满足了所需的精度要求。
本发明中所述的医疗成像设备可包括多种，具体例如，CT设备、MR设备、PET设备等，还可以包括这些设备的各种组合。
根据本发明的实施例，还相应地提供一种用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法600，如图6所示。该方法600包括步骤S610～S650。再次结合图2，所述医疗成像设备中的扫描床上设置有校准工具120，该校准工具120上设置有参考点A和标记125。
参考图6，在步骤S610中，使参考点A与医疗成像设备的中心对准以作为医疗成像设备坐标系的原点。
举例来说，可使所述医疗成像设备中的激光灯所发出的激光线束与参考点A相交于所述医疗成像设备的中心。这样，在上述步骤S610中，使参考点A与医疗成像设备的中心对准。
进一步结合图3，还可例如在校准工具120上设置相交于参考点A的辅助线128A和128B。所述激光灯发出的激光线束可包括第一线束和第二线束。可移动校准工具120，使辅助线128A和128B分别与所述第一线束和第二线束重合，由此更便于使参考点A与所述医疗成像设备的中心对准。
回到图6，在步骤S620中，根据标记125到参考点A的相对位置计算标记125在医疗成像设备坐标系中的位置。
如图4所示，每一个黑色方块和每一个白色方块的交叉点即对应一个标记125，在它们旁边标注的数字即为该标记到参考点A的相对距离，由该相对距离便能得到每一个标记125在医疗成像设备坐标系中的坐标位置。
此外，在步骤S620中，标记125的形状和大小是可设定的。并且一旦设定了标记125的形状和大小，就根据标记125到参考点A的相对位置以及该设定的形状和大小来计算标记125在医疗成像设备坐标系中的位置。
仍旧回到图6，在步骤S630中，通过图2所示的3D相机140捕捉标记125的图像并基于该捕捉到的图像确定标记125在3D相机140坐标系中的位置。
具体地，3D相机140捕捉标记125的深度图像、红外图像和RGB图像，并且可通过OpenCV中的开源方法来对标记125的红外图像和RGB图像进行处理，以得到标记125在3D相机坐标系中的像素位置，如图4所示。
可再进一步地对标记125的深度图像进行处理以得到标记125的深度信息，该深度信息与标记125在3D相机坐标系中的像素位置相对应。由此，基于该深度信息以及标记125在3D相机坐标系中的像素位置，可以确定标记125在3D相机坐标系中的三维位置(Xc,Yc,Zc)。
需要说明的是，虽然以上以OpenCV中的开源方法为例对步骤S630进行了描述，但本领域技术人员应该知晓，该步骤也可使用其它图像处理技术来实现，而并不仅仅局限于OpenCV中的开源方法。
回到图6，在步骤S640中，使用标记125在3D相机140坐标系中的位置作为第一数据组，同时使用标记125在医疗成像设备坐标系中的位置作为第二数据组，并基于第一数据组和第二数据组计算3D相机140坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵M。
结合参考图2，随着扫描床在Zg和Yg方向上移动，当校准工具120进入到3D相机140的视野(FOV)，基于RGB图像和红外图像确定在校准工具120上的标记125的像素位置，再连同从深度图像得到的深度信息可确定标记125在3D相机140坐标系中的坐标，作为上述第一数据组；基于扫描床的移动以及标记125与参考点A的相对位置可确定标记125在医疗成像设备坐标系中的位置，作为上述第二数据组。
根据本发明，校准矩阵M可具体包括旋转矩阵r、平移矩阵t和缩放矩阵s。如前面所述地，该缩放矩阵s的引入可以将其尺寸与真实物理尺寸相比不准确的物体排除在外。
再次回到图6，最后在步骤S650中，使用校准矩阵M实现3D相机140坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准。
进一步地，参考图7，根据本发明的校准方法600还可包括步骤S660：用于通过将第三数据组与第四数据组进行比较，对校准矩阵M进行检验。
具体地，在该步骤S660中，首先将从3D相机140得到的标记125的位置经校准矩阵M校准为医疗成像设备坐标系中的位置P’(第三数据组)，再将该校准后的位置P’与标记125实际在医疗成像设备坐标系中的位置P(第四数据组)进行比较。标记125实际在医疗成像设备坐标系中的位置P可由比如激光基准来确定。通过上述比较，可对校准矩阵M进行检验。
对于上述比较，具体例如，可计算上述P’与P之间的平均绝对误差，并将该平均绝对误差与一预先设定的阈值进行比较，以此来判断校准矩阵M的校准精度是否是所期望的。所述预先设定的阈值可根据工作要求和环境等因素来确定。
如前面所述地，上述医疗成像设备可包括多种，具体例如，CT设备、MR设备、PET设备等，还可以包括这些设备的各种组合。
上述方法600及其各种可选实施例和示例与根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统100对应，该系统100的许多设计细节同样适用于上述方法600及其各种可选实施例，并且上述方法600及其各种可选实施例可以实现系统100所能实现的所有技术效果。
本发明的上述3D相机-医疗成像设备坐标系间的校准系统和方法可以在医疗成像领域中的许多场合下得到广泛应用。
具体比如，根据本发明，还提供一种用于医疗成像设备的扫描定位方法，其包括：通过3D相机获取位于所述医疗成像设备的扫描床上的待扫描患者的3D图像；对所述获取的3D图像进行识别，以得到待扫描患者的人体解剖结构信息；基于所述人体解剖结构信息在所述3D图像上确定待扫描范围；以及通过根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，将所述3D相机坐标系下的所述待扫描范围校准到所述医疗成像设备坐标系下。
再比如，根据本发明，还提供一种扫描范围显示方法，包括：通过3D相机获取所述扫描范围的关键点；通过根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，将所述关键点在3D相机坐标系中的位置校准为所述关键点在医疗成像设备坐标系中的位置；根据预定的起止距离和所述关键点在所述医疗成像设备坐标系中的位置，获取所述扫描范围的起止点在所述医疗成像设备坐标系中的位置；以及显示通过所述校准矩阵的逆运算所得到的所述扫描范围的起止点在所述3D相机画面中的像素位置。
还比如，根据本发明，提供一种用于预测人体碰撞的方法，包括：通过3D相机获取人体的点云数据；通过根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，将所述点云数据校准到医疗成像设备坐标系中；以及通过将所述点云数据在所述医疗成像设备坐标系中的位置与扫描机架在所述医疗成像设备坐标系中的位置进行比较，预测人体与所述扫描机架发生碰撞的可能性。
上述三个示例仅为根据本发明的3D相机-医疗成像设备坐标系间的校准在医疗成像领域中的一部分应用，本领域技术人员应该很清楚，根据本发明的校准技术还可以在很多其他场合下得到广泛应用。这些具体应用中因为采用了根据本发明的3D相机-医疗成像设备坐标系间的校准，因此可以更方便、快捷地基于更准确的数据来获得更好的效果。
根据本发明的实施例，还提供一种计算机可读存储介质，其上记录有经编码的指令，当执行该指令时可实现上述用于在3D相机坐标系和CT系统坐标系之间进行校准的方法600及其各种变型和拓展，也可实现上述各种采用本发明的3D相机-医疗成像设备坐标系间的校准所实现的应用。该计算机可读存储介质可以包括硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘读/写(CD-R/W)驱动器、数字通用磁盘(DVD)驱动器、闪存驱动器和/或固态存储装置等。该计算机可读存储介质可以安装在医疗成像设备中，也可以安装在远程操控医疗成像设备的单独的控制设备或计算机中。
至此，描述了根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统和方法，以及该校准的具体应用及可实现所述校准方法和应用的计算机可读存储介质。
上述根据本发明的用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统和方法，完全不需要成像扫描，而只要通过纯计算就能得到校准工具上的标记在医疗成像设备坐标系中的位置，同时又通过3D相机得到校准工具上的标记在3D相机坐标系中的位置，最后基于这两组位置数据得到3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵。整个过程没有任何辐射，辐射安全性非常得高；而且也节约了时间，因为不需要进行成像扫描，并且操作员也无需离开扫描室去操控台上操控成像扫描。另外，根据所述标记到所述参考点的相对位置来计算该标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置，这也显著提高了3D相机与医疗成像设备坐标系间的校准准确性。
本发明为相机-医疗成像设备的校准提供了方便且无辐射的方法和系统。与现有多数相机-医疗成像设备的校准方法相比，本发明不需要为校准工具进行成像扫描，而是通过使用扫描机架中的激光灯来进行基准的工作。这使得所有的工序都可以在扫描床边上完成，而无需辐射扫描，大大地提高了便利性。
而且本发明使得普通用户就能够很容易地完成再校准，这相比其它现有的必须专业工程师才能进行校准的技术，可以大大节约技术人员的资源。通过本发明，可以实现将3D相机结合进医疗成像设备中的多种应用，其中3D相机在3D相机坐标系中或用图像像素来完成所有的计算。根据本发明，产生校准矩阵以将来自3D相机的数据校准为在医疗成像设备坐标系中的数据，这使得基于3D相机就能直接指导医疗成像设备的操作。
此外，本发明使得在医疗成像设备中引入成像装置-特别是3D相机来提供更直观特征展示的时候，相比使用有局限性的深度相机，能够更加准确地为用户提供各种直观和有效的操作，从而使工作流程更有效并能为用户提供安全性更好的操作，大大地提升了用户的体验度。而且本发明使得在扫描室内配置3D相机以增加与用户互动的技术得到了强有力的保证。不仅如此，如果想将3D相机引入某个机器，本发明还有助于获得用于机器数字化的重要数据源。
上面已经描述了一些示例性实施例。然而，应该理解的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以对上述示例性实施例做出各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同方式被组合和/或被另外的组件或其等同物替代或补充，也可以实现合适的结果，那么相应地，这些修改后的其它实施方式也落入权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的系统，包括：
校准工具，设置在所述医疗成像设备中的扫描床上，所述校准工具上设置有标记和参考点，该参考点与所述医疗成像设备的中心对准以作为所述医疗成像设备坐标系的原点，并且根据所述标记到所述参考点的相对位置计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置；
3D相机，用于捕捉所述标记的图像并基于该捕捉到的图像确定所述标记在所述3D相机坐标系中的位置；以及
计算装置，使用所述标记在所述3D相机坐标系中的位置作为第一数据组，使用所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置作为第二数据组，基于所述第一数据组和所述第二数据组计算所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵，并使用该校准矩阵在所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间进行校准。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述医疗成像设备中的激光灯所发出的激光线束与所述参考点相交于所述医疗成像设备的中心。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述校准工具上还设置有相交于所述参考点的两条辅助线，所述激光线束包括第一线束和第二线束，所述两条辅助线分别与所述第一线束和第二线束重合。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述校准矩阵包括旋转矩阵、平移矩阵和缩放矩阵。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
检验单元，用于通过将第三数据组与第四数据组进行比较，对所述校准矩阵进行检验，
其中，所述第三数据组为将从所述3D相机获取的所述标记的位置经所述校准矩阵后得到的该标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置，所述第四数据组为所述标记实际在所述医疗成像设备坐标系中的位置。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述检验单元中，计算所述第三数据组与所述第四数据组之间的平均绝对误差，并将该平均绝对误差与阈值进行比较。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，设定所述标记的形状和大小，并根据所述标记到所述参考点的相对位置以及该设定的形状和大小来计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置。
8.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，所述医疗成像设备包括CT设备、MR设备、PET设备或所述这些设备的组合。
9.一种用于在3D相机坐标系和医疗成像设备坐标系之间进行校准的方法，所述医疗成像设备中的扫描床上设置有校准工具，该校准工具上设置有参考点和标记，所述方法包括：
使所述参考点与所述医疗成像设备的中心对准以作为所述医疗成像设备坐标系的原点；
根据所述标记到所述参考点的相对位置计算所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置；
通过3D相机捕捉所述标记的图像并基于该捕捉到的图像确定所述标记在所述3D相机坐标系中的位置；
使用所述标记在所述3D相机坐标系中的位置作为第一数据组，同时使用所述标记在所述医疗成像设备坐标系中的位置作为第二数据组，并基于所述第一数据组和所述第二数据组计算所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间的校准矩阵；以及
使用所述校准矩阵在所述3D相机坐标系和所述医疗成像设备坐标系之间进行校准。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述医疗成像设备中的激光灯所发出的激光线束与所述参考点相交于所述医疗成像设备的中心。
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