CN112472294B - 不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法，该方法根据标定需要确定四个坐标系，分别为超声波图像坐标系，记作I，标定模板坐标系，记作M，黑色磁片坐标系，记作B，以及探针坐标系，记作A，利用最小二乘法优化得到最优的超声波图像坐标系到黑色磁片坐标系的空间变换矩阵；计算出该空间变换矩阵即完成了超声波探头的标定，也就实现了不同超声波设备的探头在电磁导航系统中空间位置的获取。上述不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法将二维超声波图像与电磁导航系统相结合，可以实现二维超声波图像信息到三维空间的高精度转换，为基于超声波图像的手术导航系统提供依据。

Description

不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法

技术领域

本发明涉及标定技术领域，尤其涉及一种不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法，该方法的实质就是建立超声波图像坐标系到黑色磁片坐标系的转换关系，即二维图像和三维空间之间的转换关系。

背景技术

与CT、MRI图像相比，超声波图像具有采集时间短、无电离辐射、经济方便、可实时成像等优点，成为临床必不可少的诊断和治疗方法。然而，如果想更准确地了解病灶结构时，传统的二维超声就不能很好地满足临床要求。与传统的二维超声波图像相比，三维超声能显示病灶的三维形态及其与周围组织器官的空间位置关系，其成为二维超声的重要辅助手段。但是目前市场上的三维超声基本都是基于二维面阵探头的三维彩超，其只能为一些复杂声像结构的判断提供辅助信息，并对某些病变的诊断起到二维超声无法替代的作用。但是它并不能像CT或MRI那样提供准确的3D器官分割信息，因此尚不可能完成与3D CT/MRI数据的配准导航工作。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法，以便将二维超声波图像与电磁导航系统相结合，可以实现二维超声波图像信息到三维空间的高精度转换，为基于超声波图像的手术导航系统提供依据。

为了实现上述目的，本申请提出了一种不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法，包括以下步骤：

步骤1、将磁场发射器和电磁导航系统相连接；

步骤2、根据标定需要确定四个坐标系，分别为超声波图像坐标系，记作I，标定模板坐标系，记作M，黑色磁片坐标系，记作B，以及探针坐标系，记作A，这四个坐标系对应着三个空间变换矩阵，分别记作T_IB，T_BA，T_AM，其中T_IB是超声波图像坐标系到黑色磁片坐标系的空间变换矩阵，T_BA是黑色磁片坐标系到探针坐标系的空间变换矩阵，T_AM是探针坐标系到标定模板坐标系的空间变换矩阵；标定模板包括主体，在所述主体上设有至少八个锥形孔，各锥形孔在标定模板坐标系下的坐标已知，即P_M(i)(i＝1，2，3…n)是已知的；已知标定模板中的一点，记作P_M，用超声波探头扫描该点，能够得到超声波图像中的一点，记作P_I，则该点在标定模板坐标系和超声波图像坐标系中的坐标转换关系能够表示为：

P_M＝T_AM*T_BA*T_IB*P_I (1)；

步骤3、将所述标定模板放置在水槽中，将黑色磁片固定在超声波探头上；

步骤4、将探针插入标定模板的第一个锥形孔中，能够由电磁导航系统得到探针尖端点的位置信息，即得到该锥形孔在探针坐标系下的坐标，记为PA(1)；由计算机捕捉超声波图像上该锥形孔的位置信息，该锥形孔在超声波图像上显示的是一个圆形亮点，即得到该锥形孔在超声波图像坐标系下的坐标，记作P_I(1)；

步骤5、重复步骤4，得到标定模板上的其余锥形孔在探针坐标系下的坐标以及在超声波图像坐标系下的坐标，将标定模板上的各锥形孔在探针坐标系下的坐标记为P_A(i)，将标定模板上的各锥形孔在超声波图像坐标系下的坐标记作P_I(i)，(i＝1，2，3…n)；

步骤6、根据公式(2)，利用最小二乘法优化得到最优的探针坐标系到标定模板坐标系的空间变换矩阵T_AM；

步骤7、根据公式(3)，利用最小二乘法优化得到最优的超声波图像坐标系到黑色磁片坐标系的空间变换矩阵T_IB；

其中探针和黑色磁片都属于电磁导航系统，所以黑色磁片坐标系到探针坐标系的空间变换矩阵T_BA是已知的，计算出T_IB即完成了超声波探头的标定，也就实现了不同超声波设备的探头在电磁导航系统中空间位置的获取。

在一些实施例中，在所述步骤3中，所述水槽中的水的温度在10摄氏度至50摄氏度。

本申请的该方案的有益效果在于上述不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法将二维超声波图像与电磁导航系统相结合，可以实现二维超声波图像信息到三维空间的高精度转换，为基于超声波图像的手术导航系统提供依据。

附图说明

图1示出了实施例中标定模板的结构示意图。

附图标记：1-主体，2-锥形孔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。

本申请所涉及的不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法包括以下步骤：

步骤1、将磁场发射器和电磁导航系统相连接。

由于电磁导航系统下的黑色磁片能够固定在不同超声波设备的探头上，故可以忽略不同超声波探头的差异性，从而建立起数学模型。

步骤2、根据标定需要确定四个坐标系，分别为超声波图像坐标系，记作I，标定模板坐标系，记作M，黑色磁片坐标系，记作B，以及探针坐标系，记作A，这四个坐标系对应着三个空间变换矩阵，分别记作T_IB，T_BA，T_AM，其中T_IB是超声波图像坐标系I到黑色磁片坐标系B的空间变换矩阵，T_BA是黑色磁片坐标系B到探针坐标系A的空间变换矩阵，T_AM是探针坐标系A到标定模板坐标系M的空间变换矩阵；其中标定模板的结构示意图如图1所示，包括主体1，在所述主体1上设有至少八个锥形孔2，各锥形孔在标定模板坐标系下的坐标已知，即P_M(i)(i＝1，2，3…n)是已知的；所述标定模板是为了兼容各种超声波设备的超声波图像与电磁导航系统的标定工作而设计的，该标定模板具备标定速度快，体积小，步骤简单，对图像成像质量有较明显提高等优点。

已知标定模板中的一点P_M，用超声波探头扫描该点，能够得到超声波图像中的一点P_I，则该点在标定模板坐标系M和超声波图像坐标系I中的坐标转换关系能够表示为：

P_M＝T_AM*T_BA*T_IB*P_I (1)。

步骤3、将所述标定模板放置在水槽中，为了尽可能降低水温对声速的影响，在水槽中灌入10摄氏度至50摄氏度的水作为介质，将黑色磁片固定在超声波探头上。

步骤4、将探针插入标定模板的第一个锥形孔中，能够由电磁导航系统得到探针尖端点的位置信息，即得到该锥形孔在探针坐标系下的坐标，记为P_A(1)；由计算机捕捉超声波图像上该锥形孔的位置信息，该锥形孔在超声波图像上显示的是一个圆形亮点，即得到该锥形孔在超声波图像坐标系下的坐标，记作P_I(1)。

步骤5、重复步骤4，得到标定模板上的其余锥形孔在探针坐标系下的坐标以及在超声波图像坐标系下的坐标，将标定模板上的各锥形孔在探针坐标系下的坐标记为P_A(i)，将标定模板上的各锥形孔在超声波图像坐标系下的坐标记作P_I(i)，(i＝1，2，3…n)。

步骤6、根据公式(2)，利用最小二乘法优化得到最优的探针坐标系A到标定模板坐标系M的空间变换矩阵T_AM；

步骤7、根据公式(3)，利用最小二乘法优化得到最优的超声波图像坐标系I到黑色磁片坐标系B的空间变换矩阵T_IB；

其中探针和黑色磁片都属于电磁导航系统，所以黑色磁片坐标系B到探针坐标系A的空间变换矩阵T_BA是已知的，计算出T_IB即完成了超声波探头的标定，也就实现了不同超声波设备的探头在电磁导航系统中空间位置的获取。

本申请所涉及的不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法将二维超声波图像与电磁导航系统相结合，可以实现二维超声波图像信息到三维空间的高精度转换，为基于超声波图像的手术导航系统提供依据。

Claims (1)

1.一种不同超声波设备探头在电磁导航系统中空间位置获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将磁场发射器和电磁导航系统相连接；

步骤2、根据标定需要确定四个坐标系，分别为超声波图像坐标系，记作I，标定模板坐标系，记作M，黑色磁片坐标系，记作B，以及探针坐标系，记作A，这四个坐标系对应着三个空间变换矩阵，分别记作T_IB，T_BA，T_AM，其中-T _IB 是超声波图像坐标系到黑色磁片坐标系的空间变换矩阵，T_BA是黑色磁片坐标系到探针坐标系的空间变换矩阵，T_AM是探针坐标系到标定模板坐标系的空间变换矩阵；标定模板包括主体，在所述主体上设有至少八个锥形孔，各锥形孔在标定模板坐标系下的坐标已知，即P_M(i)(i＝1，2，3…n)是已知的；已知标定模板中的一点，记作P_M，用超声波探头扫描该点，能够得到超声波图像中的一点，记作P_I，则该点在标定模板坐标系和超声波图像坐标系中的坐标转换关系能够表示为：P_M＝T_AM*T_BA*T_IB*P_I(1)；

步骤3、将所述标定模板放置在水槽中，所述水槽中的水的温度在10摄氏度至50摄氏度，将黑色磁片固定在超声波探头上；

步骤4、将探针插入标定模板的第一个锥形孔中，能够由电磁导航系统得到探针尖端点的位置信息，即得到该锥形孔在探针坐标系下的坐标，记为P_A(1)；由计算机捕捉超声波图像上该锥形孔的位置信息，该锥形孔在超声波图像上显示的是一个圆形亮点，即得到该锥形孔在超声波图像坐标系下的坐标，记作P_I(1)；

步骤5、重复步骤4，得到标定模板上的其余锥形孔在探针坐标系下的坐标以及在超声波图像坐标系下的坐标，将标定模板上的各锥形孔在探针坐标系下的坐标记为P_A(i)，将标定模板上的各锥形孔在超声波图像坐标系下的坐标记作P_I(i)，(i＝1，2，3…n)；

步骤6、根据公式(2)，利用最小二乘法优化得到最优的探针坐标系到标定模板坐标系的空间变换矩阵T_AM；

步骤7、根据公式(3)，利用最小二乘法优化得到最优的超声波图像坐标系到黑色磁片坐标系的空间变换矩阵T_IB；

其中探针和黑色磁片都属于电磁导航系统，所以黑色磁片坐标系到探针坐标系的空间变换矩阵T_BA是已知的，计算出T_IB即完成了超声波探头的标定，也就实现了不同超声波设备的探头在电磁导航系统中空间位置的获取。

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