CN112545543B - 基于病床运动信息的扫描运动监测方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学成像技术领域，公开了一种基于病床运动信息的扫描运动监测方法、系统及存储介质，方法包括步骤：在扫描孔径附近设置用于采集病人待检测部位图像的摄像机，对摄像机进行几何校准；扫描过程中获取待检测部位的彩色图像和深度图像；选择相邻帧获取的彩色图像和深度图像，进行图像配准和特征点匹配；计算特征点在世界坐标系中的位置和运动向量以及待检测部位随病床运动的运动向量，两者差值与预设的阈值相比较，作为判断待检测部位是否存在运动的依据。本发明能够根据监测结果对扫描过程进行及时调整，解决因自主或非自主运动破环投影数据的一致性和完整性的问题，提高图像质量，同时能够适用于轴扫或螺旋扫描多种扫描方式。

Description

基于病床运动信息的扫描运动监测方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及CT图像技术领域，具体涉及一种基于病床运动信息的扫描运动监测方法、系统及存储介质。

背景技术

CT医学成像系统自20世纪70年代发明了之后经过了长足的进步，扫描速度从开始要几分钟到现在的0.2秒。探测器排数也从开始的单排双排，到现在的64排，128排，甚至256排。这其中的变化不单单是系统硬件的升级换代，系统的图像重建技术也带来了革命性的变化。初期的CT系统由于只有一排探测器，所以X射线束是扇形束，所用到的重建技术也都是二维的扇形束重建技术。因为每次只能扫描一层，整个扫描需要很长的时间，后来螺旋多排CT引入就是为了加快扫描的速度，比如16排，32排，64排等系统。

轴扫和螺旋是CT扫描常用的两种扫描模式。理想情况下，整个CT扫描过程中，患者相对病床位置保持静止，随着病床一起运动。但是实际扫描过程中总有可能存在运动，比如头部不经意的转动，呼吸运动和心跳等等。这些自主和非自主的运动破环了投影数据的一致性和完整性，如果不进行更正将导致重建图像严重伪影，影响医生诊断。因此监测病人运动对CT成像有重要的意义。

减小运动伪影最有效的方法是提高投影数据的采集频率，也就是提高机架的旋转速度，例如0.25s每圈。但是由于机械和电子方面硬件的限制，继续提高转速面临巨大的挑战。为了抑制运动伪影减少病人不必要的辐射剂量，一些方法被提出用来解决CT扫描过程中运动的问题。如申请号为201510473092.X的专利“一种基于投影图像的CT扫描实时运动监测方法”，用当前投影的互信息和经验投影的互信息差异来判断是否有运动，经验值的选取以及病人非自主运动都会影响判断结果。申请号为201611238467.5的专利“用于计算机断层扫描的运动检测方法和装置”中，通过计算相隔180度整数倍的两幅投影的质心偏差估计是否运动，该方法同样不适用于螺旋扫描的情况。

发明内容

技术目的：针对上述技术问题，本发明公开了一种基于病床运动信息的扫描运动监测方法、系统及存储介质，同时能够适用于轴扫或螺旋扫描多种扫描方式、有利于消除运动伪影以提高CT图像质量。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一、相机校准：在CT扫描机架的预设位置上设置用于采集扫描孔径内的病人待检测部位的图像的摄像机，对摄像机进行几何校准，确定摄像机的内部参数和外部参数，内部参数为摄像机的内部几何和光学特征，外部参数为摄像机坐标系三维位置和方向，建立成像模型，确定摄像机坐标系统与世界坐标系的变换矩阵；

步骤二、图像监测：扫描过程中，通过摄像机对扫描孔径内的待检测部位进行连续监测和图像采集，得到彩色图像和深度图像；

步骤三、图像配准及特征点匹配：选择相邻帧获取的彩色图像和深度图像，首先对每帧数据的彩色图像和深度图像配准对齐，然后对配准后的图像进行特征点匹配；

步骤四、计算第一运动向量：计算特征点在世界坐标系中的位置和运动向量，记为第一运动向量；

步骤五、根据运动方向和运动速度来估计是否存在运动：计算扫描孔径内的待检测部位随CT病床运动的运动向量，记为第二运动向量，第一运动向量和第二运动向量之差作为待检测部位的绝对运动向量，将绝对运动向量与预设的阈值相比较，判断待检测部位是否存在运动；若存在运动则终止扫描或对扫描数据进行校正重建，若不存在运动则继续扫描或对扫描数据进行常规重建。

步骤一中采用的校准方法为棋盘格方法，首先输入棋盘格标定图，然后找到棋盘格中角点，再计算相机内参、外参和畸变参数，根据成像模型和变换矩阵，对相机采集到的图像进行校准，最后再对图像进行畸变校正；经过畸变校正后图像坐标到世界坐标的转换公式如下：

其中M为相机的内参数矩阵，R为旋转矩阵，

为平移矩阵，s为深度信息；X，Y和Z为 世界坐标系下空间点的欧式坐标，u和v为图像坐标系下的点的齐次坐标。

具体地，所述步骤四中，描述特征点在世界坐标系中的位置和运动的第一运动向量的计算公式为：

其中，

为第

帧图像、特征点

在世界坐标系统中的位置，

为该特征点

在

时刻的运动向量；

步骤五中，描述扫描孔径内的待检测部位随CT病床运动的第二运动向量为：

其中，

为CT病床速度，由扫描协议决定；

为相邻两帧采集图像之间的时间间隔，则绝对运动向量为：

任意维度的大于阈值T表示该方向存在运动。

具体地，所述步骤一中采用的校准方法为直线线性变换DLT方法、RAC方法或平面标定方法中的任一种。

具体地，所述步骤三中采用SURF方法完成定位局部特征点和特征点匹配。

具体地，理想情况下，阈值T为0；若存在噪声和测量误差，阈值T根据实际环境实验测定。

一种CT扫描系统，其特征在于，包括：

CT投影数据获取模块，用于获取病床上病人待检测部位的投影数据；

相机图像获取模块，用于CT检测过程中，连续获取病床上待检测部位的彩色图像和深度图像；

计算模块，用于对彩色图像和深度图像进行图像配准和特征点匹配，并计算出用于描述特征点在世界坐标系中位置和运动变化的第一运动向量；且根据病床速度信息，计算用于描述待检测部位随病床运动变化的第二运动向量；然后计算出第一运动向量和第二运动向量的差值，作为绝对运动向量，并比较绝对运动向量与阈值的差异；

控制模块，发出对应的控制指令给其它功能模块；

运动检测模块，用于根据绝对运动向量与阈值的差异判断被检测对象是否运动；并根据判断结果向控制模块发出是否进行中止扫描或继续扫描的信息。

一种存储介质，其特征在于：所述存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令，其中至少一个指令被处理器执行时，用于执行所述基于病床运动信息的扫描运动监测方法。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

本发明的基于病床运动信息的运动监测方法，利用放置在扫描孔径附近的摄像采集病人图像，并结合当前病床的运动速度，实现对视野内待检测部位的运动监测，进一步实现扫描过程的及时调整，解决现有技术中自主和非自主的运动破环投影数据的一致性和完整性的问题，同时能够适用于轴扫或螺旋扫描多种扫描方式，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的基于病床运动信息的扫描运动监测方法的示意图；

图2为本发明中摄像头/机布置在扫描机架上的示意图；

图3为本发明采用棋盘格方法对相机进行校准和图像处理的流程；

图4为对每帧数据的彩色图像和深度图像进行关键点匹配的示意图；

图5为运动向量估计的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明是利用放置在扫描孔径附近的摄像头来对病人的运动进行监测，并结合当前病床运动的速度，对视野内的物体的运动进行监测，流程如图2所示。摄像头可以安装在机架孔径上方，也可以安装在满足需求的其他位置。

本发明提供的基于病床运动信息的扫描运动监测方法，包括如下步骤：

1、对光学相机的几何进行校准。

校准的目的是确定摄像机内部几何和光学特性(内部参数)，以及和相对世界坐标系对应的摄像机坐标系的三维位置和方向(外部参数)，并建立成像模型，以便确定空间坐标系中物体点同它所在像平面上像点的对应关系，即确定变换矩阵。相机校准方法包含直接线性变换DLT方法、RAC方法、平面标定方法等。

本案例选用棋盘格方法，处理流程如图3所示：首先输入棋盘格标定图，然后找到棋盘格中角点，再计算相机内参、外参和畸变参数，根据成像模型和变换矩阵，对相机采集到的图像进行校准，最后再对图像进行畸变校正。

经过畸变校正后图像坐标到世界坐标的转换公式（1）：

其中M为相机的内参数矩阵，R为旋转矩阵，

为平移矩阵，s为深度信息。X，Y和Z为 世界坐标系下空间点的欧式坐标，u和v为图像坐标系下的点的齐次坐标。

2、扫描过程中对扫描孔径内的物体进行连续监测和采集，得到彩色信息和深度信息。采集与CT投影采集同步可以定位到发生运动的CT采样角度位置。深度图像也被称为距离影像，是指将从图像采集器到场景中各点的距离（深度）作为像素值的图像，它能够直接反映被采集对像可见表面的几何形状。

3、根据相邻帧获取的RBG彩色图像和深度图像D计算运动向量。首先对每帧数据的彩色图像和深度图像配准对齐，然后对配准后的图像进行特征点匹配，如SURF方法完成定位局部特征点和特征点匹配。

4、根据公式（1），计算特征点在世界坐标系中的位置以及其运动向量：

其中，

为第

帧图像、特征点

在世界坐标系统中的位置，

为该特征点

在

时刻的运动向量。

5、根据运动方向/运动速度两个方法来估计是否存在运动。CT病床速度

由 扫描协议决定，如轴扫病床速度为0，螺旋床速为

。 其中

为螺距，

为扫描准直宽度，

为机架的旋转速度。则物体随 病床运动的运动向量为：

t为相邻两帧采集图像之间的时间间隔。如图5所示，则物体绝对运动向量为：

任意维度的大于阈值T表示该方向存在运动。理想情况下T=0，由于噪声和测量精度的影响，阈值T根据实际环境实验测定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一、相机校准：在CT扫描机架的预设位置上设置用于采集扫描孔径内的病人待检测部位的图像的摄像机，对摄像机进行几何校准，确定摄像机的内部参数和外部参数，内部参数为摄像机的内部几何和光学特征，外部参数为摄像机坐标系三维位置和方向，建立成像模型，确定摄像机坐标系统与世界坐标系的变换矩阵；

步骤二、图像监测：扫描过程中，通过摄像机对扫描孔径内的待检测部位进行连续监测和图像采集，得到彩色图像和深度图像；

步骤三、图像配准及特征点匹配：选择相邻帧获取的彩色图像和深度图像，首先对每帧数据的彩色图像和深度图像配准对齐，然后对配准后的图像进行特征点匹配；

步骤四、计算第一运动向量：计算特征点在世界坐标系中的位置和运动向量，记为第一运动向量；

步骤五、根据运动方向和运动速度来估计是否存在运动：计算扫描孔径内的待检测部位随CT病床运动的运动向量，记为第二运动向量，第一运动向量和第二运动向量之差作为待检测部位的绝对运动向量，将绝对运动向量与预设的阈值相比较，判断待检测部位是否存在运动；若存在运动则终止扫描或对扫描数据进行校正重建，若不存在运动则继续扫描或对扫描数据进行常规重建。

2.根据权利要求1所述的基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于：所述步骤一中采用的校准方法为棋盘格方法，首先输入棋盘格标定图，然后找到棋盘格中角点，再计算摄像机内部参数、外部参数和畸变参数，根据成像模型和变换矩阵，对摄像机采集到的图像进行校准，最后再对图像进行畸变校正；经过畸变校正后图像坐标到世界坐标的转换公式如下：

其中M为摄像机的内参数矩阵，R为旋转矩阵，

为平移矩阵，s为深度信息；X，Y和Z为世 界坐标系下空间点的欧式坐标，u和v为图像坐标系下的点的齐次坐标。

3.根据权利要求2所述的基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于：所述步骤四中，描述特征点在世界坐标系中的位置和运动的第一运动向量的计算公式为：

其中，

为第

帧图像、特征点

在世界坐标系统中的位置，

为该特征点

在

时刻的运动向量；

步骤五中，描述扫描孔径内的待检测部位随CT病床运动的第二运动向量为：

其中，

为CT病床速度，由扫描协议决定；

为相邻两帧采集图像之间的时间间隔，则绝对运动向量为：

任意维度的绝对向量大于预设的阈值表示该方向存在运动。

4.根据权利要求1所述的基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于：所述步骤一中采用的校准方法为直线线性变换DLT方法、RAC方法或平面标定方法中的任一种。

5.根据权利要求1所述的基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于：所述步骤三中采用SURF方法完成定位局部特征点和特征点匹配。

6.根据权利要求4所述的基于病床运动信息的扫描运动监测方法，其特征在于：理想情况下，预设的阈值为0；若存在噪声和测量误差，预设的阈值根据实际环境实验测定。

7.一种CT扫描系统，其特征在于，包括：

CT投影数据获取模块，用于获取病床上病人待检测部位的投影数据；

相机图像获取模块，用于CT检测过程中，连续获取病床上待检测部位的彩色图像和深度图像；

计算模块，用于对彩色图像和深度图像进行图像配准和特征点匹配，并计算出用于描述特征点在世界坐标系中位置和运动变化的第一运动向量；且根据病床速度信息，计算用于描述待检测部位随病床运动变化的第二运动向量；然后计算出第一运动向量和第二运动向量的差值，作为绝对运动向量，并比较绝对运动向量与阈值的差异；

控制模块，发出对应的控制指令给其它功能模块；

运动检测模块，用于根据绝对运动向量与阈值的差异判断被检测对象是否运动；并根据判断结果向控制模块发出是否进行中止扫描或继续扫描的信息。

8.一种存储介质，其特征在于：所述存储介质存储有至少一个可被处理器执行的指令，其中至少一个指令被处理器执行时，用于执行如权利要求1至6中任一所述基于病床运动信息的扫描运动监测方法。

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