CN113570710A - 一种具有c型臂抖动校正的三维成像系统及方法 - Google Patents

一种具有c型臂抖动校正的三维成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统及方法，系统包含C型臂、水平滑动组件、控制器、物体台、3D相机模组、底座，底座顶部安装有连接水平滑动组件的升降立柱，水平滑动组件的一端连接C型臂，C型臂的两端分别连接有探测器、射线源，物体台设置于探测器、与射线源之间，C型臂上设置有标记点组，控制器分别控制连接C型臂、水平滑动组件、3D相机模组、升降立柱、探测器、射线源；方法包含步骤A1‑步骤A6；能够在无需校正模体的情况下实现在线实时几何校正，降低几何校正时间，测得的三维坐标或运动轨迹用于CT重建保证图像质量。

Description

一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统及方法
技术领域
本发明涉及C型臂机成像领域，具体涉及一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统及方法。
背景技术
在C臂机，尤其是非等中心C臂机的扫描过程中，C臂的抖动会给CT(ComputedTomography,计算机断层成像）成像带来严重的伪影和图像扭曲，为了校正抖动带来的几何误差，可使用CT几何校正算法，在X-CT几何校正方法中，主要差别在于是否使用校正模体，校正模体是为了几何校正而定制的物体，根据不同的实验需求，形状会有较大差异；近年来研究者提出并验证了多种使用校正模体的校正算法，如F. Noo等人提出基于椭圆参数进行锥形束几何校正的方法[1]；另一种是不使用校正模体的迭代校正算法[2]，如M. Chen等人基于局部线性嵌入(Locally Linear Embedding, LLE) 模型提出并开展的二维及三维CT的几何校正方法研究，然而前者需进行单独扫描，无法实时进行校正，后者涉及多次重建，校正时间较长。
本发明通过动态跟踪技术在CT扫描的同时获得C臂机三维坐标或运动轨迹，实现在线实时几何校正，降低几何校正时间，测得的三维坐标或运动轨迹用于CT重建保证图像质量。
[1]Noo F, Clackdoyle R, Mennessier C, White TA, Roney TJ. Analyticmethod based on identification of ellipse parameters for scanner calibrationin cone-beam tomography[J]. Physics in Medicine & Biology. 2000;45(11):3489。
[2]Chen M, Yang Q, Cong W, Wei B, Wang G. Fully 3D geometricalcalibration for an X-ray grating-based imaging system[J]. Journal of X-rayscience and technology. 2016;24(6):821-36。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，本发明还提供一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，能够在无需校正模体的情况下实现在线实时几何校正，降低几何校正时间，测得的三维坐标或运动轨迹用于CT重建保证图像质量，用以解决现有技术导致的缺陷。
为解决上述技术问题本发明提供以下的技术方案：
第一方面，一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，包含C型臂、水平滑动组件、控制器、物体台、3D相机模组、底座，所述底座顶部安装有连接所述水平滑动组件的升降立柱，所述水平滑动组件的一端连接所述C型臂，所述C型臂的两端分别连接有探测器、射线源，所述物体台设置于所述探测器、与所述射线源之间，所述C型臂上设置有标记点组，所述控制器分别控制连接所述C型臂、所述水平滑动组件、所述3D相机模组、所述升降立柱、所述探测器、所述射线源。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，所述标记点组包含设置在所述C型臂上的一个或多个标记物，所述标记物与所述探测器、所述射线源焦点的相对位置已知或未知。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，所述3D相机模组包含两个或两个以上2D相机，每两个所述2D相机组成一组双目相机，所述2D相机为可见光相机或近红外相机，当所述2D相机为近红外相机时，所述标记物可主动发出近红外线或被动通过红外光源照射后反射红外光。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，所述水平滑动组件上设有连接所述C型臂的拖座机构，所述拖座机构内部设有直流电机齿轮变速箱，所述直流电机齿轮变速箱驱动连接有传动组件，所述传动组件通过同步带轮与所述C型臂内部的同步带啮合，所述控制器控制连接所述直流电机齿轮变速箱。
第二方面，一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，该方法采用第一方面所述一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，包含以下步骤：
步骤A1：病人位于物体台，控制器控制调整水平滑动组件和升降立柱使C型臂位于预拍摄位置，C型臂、射线源、探测器、3D相机模组组成成像装置；
步骤A2：控制器选择扫描部位；
步骤A3：调整3D相机模组使标记点组位于3D相机模组的公共视野范围内；
步骤A4：控制器控制C型臂旋转采集图像信息的同时控制3D相机模组工作采集标记点组信息，控制射线源发出射线，控制探测器接收射线；
步骤A5：控制器分析3D相机模组采集的标记点组信息，计算各标记物的三维坐标；
步骤A6：采用模式1或模式2；
模式1包含以下步骤：
步骤A61: 将各标记物的三维坐标用于CT重建算法进行重建计算；
步骤A62：C型臂旋转过程中，控制器同步触发3D相机模组、射线源及探测器，重复执行步骤A4、A5、A61，获得校正后的三维CT重建图像；
模式2包含以下步骤：C型臂旋转过程中，控制器同步触发3D相机模组、射线源及探测器，重复执行步骤A4-A5，记录每一时刻的三维坐标，最终得到按时间序列的运动轨迹，运动轨迹用于CT重建算法进行重建得到三维CT重建图像。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A5中所述3D相机模组通过三角测量的方式获取目标标记物的空间三维坐标,具体步骤如下：
步骤B1：控制器按指定频率发出触发信号触发各2D相机同步获取图像；
步骤B2: 从各组双目相机左、右图像中分别提取特征标记物，获得标记物在图像中的二维像素坐标；
步骤B3: 对各组双目相机左、右图像中提取到的特征标记物进行匹配及识别，获得符合匹配要求的二维像素坐标点对；
步骤B4: 根据匹配好的二维像素坐标点对与标定好的各组双目相机内外参数，通过三角测量的方式，计算出各组标记物空间三维坐标；
步骤B5：每组双目相机对应一组标记物空间三维坐标，最终融合得到一组标记物空间三维坐标。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤B1中的所述指定频率与探测器采集图像的脉冲频率相同；
所述标记物为一个或多个ArUco特殊编码标记物或三个或三个以上规则或不规则的几何形状标记物；
步骤B3中，若标记物是ArUco特殊编码标记物，则对ArUco特殊编码标记物的位置不作要求，需通过对应的解码方式对ArUco特殊编码标记物进行识别及匹配；
若是规则或不规则的几何形状标记物，则两两规则或不规则的几何形状标记物之间的物理距离需要存在一定偏差，该偏差需高于双目相机的测量精度，需先采用极线约束法初步匹配后再采用距离约束进行最终匹配；
步骤B4中的三角测量公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中式中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
是符合匹配要求的标记物对分别在左、右图像中的图像坐标；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
分别是构成一组双目相机的左、右2D相机的投影矩阵；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为待求解的标记物三维坐标，T表示矩阵的转置；
步骤B5中若一组标记物为多个标记物且各标记物间相对距离已知，则根据已知标记物间相对距离对实时检测得到的标记物空间三维坐标进行误差补偿，提高三维坐标或轨迹的精度。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，若所述标记物为规则或不规则的几何形状标记物，其中，步骤B2中，若2D相机的成像系统为可见光系统，则使用规则的几何形状标记物，提取标记物几何中心，若2D相机的成像系统是近红外光系统，则使用主动发射红外光或被动反射红外光的规则或不规则的几何形状标记物。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A6中的标记物的三维坐标或运动轨迹用于CT重建算法包含以下步骤：
步骤C1：判断标记物及探测器和射线源焦点的相对位置是否已知；
步骤C2：若标记物及探测器和射线源焦点的相对位置未知，则将初始角度的标记物构成平面及通过C型臂圆心垂直该平面的直线组成RE坐标系统，计算标记物构成平面相对RE坐标系统的XYZ三轴的旋转角，将旋转角用于重建算法中进行正反投影；
步骤C3：若标记物及探测器和射线源焦点的相对位置已知，则通过探测器和射线源焦点与标记物位置的相对距离计算探测器和射线源焦点在各扫描角度下的三维坐标的位置，将探测器和射线源焦点的位置用于重建算法中进行正反投影。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤C2和步骤C3中的重建算法为解析重建算法或迭代重建算法。
依据上述本发明一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统及方法提供的技术方案具有以下技术效果：
本发明一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统及方法无需校正模体，实现在线实时几何校正，降低几何校正时间，测得的三维坐标或运动轨迹用于CT重建保证图像质量。
附图说明
图1为本发明一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统的结构示意图；
图2为本发明一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法模式1的流程图；
图3为本发明一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法模式2的流程图。
其中，附图标记如下：
C型臂101、水平滑动组件102、控制器103、物体台104、3D相机模组105、底座106、升降立柱107、探测器108、射线源109、标记物110、拖座机构111。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的第一实施例是提供一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，目的是在无需校正模体的情况下实现在线实时几何校正，降低几何校正时间，测得的三维坐标或运动轨迹用于CT重建保证图像质量。
第一方面，第一实施例，如图1所示，一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，包含C型臂101、水平滑动组件102、控制器103、物体台104、3D相机模组105、底座106，底座106顶部安装有连接水平滑动组件102的升降立柱107，水平滑动组件102的一端连接C型臂101，C型臂101的两端分别连接有探测器108、射线源109，物体台104设置于探测器108、与射线源109之间，C型臂101上设置有标记点组，控制器103分别控制连接C型臂101、水平滑动组件102、3D相机模组105、升降立柱107、探测器108、射线源109。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，标记点组包含设置在C型臂101上的标记物110，标记物110与探测器108、射线源109焦点的相对位置已知或未知；
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，3D相机模组105包含两个或两个以上2D相机，每两个2D相机组成一组双目相机，2D相机为可见光相机，标记物110采用三个或三个以上规则的几何形状标记物，例如球形标记物、圆形标记物、立方体标记物，可见光相机可以提取标记物110的特征点，从而计算标记物110的坐标值，由标记物110组成的多边形任意两条边长度不等（偏差应大于2D相机可识别的最小长度单位，即最小长度差异取决于2D相机的精度）。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，水平滑动组件102上设有连接C型臂101的拖座机构111，拖座机构111内部设有直流电机齿轮变速箱，直流电机齿轮变速箱驱动连接有传动组件，传动组件通过同步带轮与C型臂101内部的同步带啮合，控制器103控制连接直流电机齿轮变速箱。
如图2所示，采用一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统进行一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法的步骤如下：
步骤A1：病人位于物体台104，控制器103控制调整水平滑动组件102和升降立柱107使C型臂101位于预拍摄位置，C型臂101、射线源109、探测器108、3D相机模组105组成成像装置；
步骤A2：控制器103选择扫描部位；
步骤A3：调整3D相机模组105使标记点组位于3D相机模组105的公共视野范围内；
步骤A4：控制器103控制C型臂101旋转采集图像信息的同时控制3D相机模组105工作采集标记点组信息，控制射线源109发出射线，控制探测器108接收射线；
步骤A5：控制器103分析3D相机模组105采集的标记点组信息，计算各标记物110的三维坐标；
步骤A6：采用模式1或模式2；
模式1包含以下步骤：
步骤A61: 将各标记物110的三维坐标用于CT重建算法进行重建计算；
步骤A62：C型臂101旋转过程中，控制器103同步触发3D相机模组105、射线源109及探测器108，重复执行步骤A4、A5、A61，获得校正后的三维CT重建图像；
如图3所示，模式2包含以下步骤：C型臂101旋转过程中，控制器103同步触发3D相机模组105、射线源109及探测器108，重复执行步骤A4-A5，记录每一时刻的三维坐标，最终得到按时间序列的运动轨迹，运动轨迹用于CT重建算法进行重建得到三维CT重建图像。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A3中，调整3D相机模组105可以是通过人工调整，在一些情况下，3D相机模组105还包含可以有控制器103控制的滑动和升降组件，通过控制器103调整3D相机模组的位置。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A5中3D相机模组105通过三角测量的方式获取标记物110的空间三维坐标,具体步骤如下：
步骤B1：控制器103按指定频率发出触发信号触发各左右2D相机同步获取图像；
步骤B2：从各组双目相机左、右图像中分别提取标记物110，获得标记物110几何中心在图像中的二维像素坐标；
步骤B3：对各组双目相机左、右图像中提取到的标记物110进行匹配及识别，获得符合匹配要求的二维像素坐标点对；
步骤B4：根据匹配好的二维像素坐标点对与标定好的各组双目相机内外参数，通过三角测量的方式，计算出各组标记物空间三维坐标；
步骤B5：每组双目相机对应一组标记物空间三维坐标，最终融合得到一组标记物空间三维坐标。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤B1中的指定频率与探测器108采集图像的脉冲频率相同；
标记物110为三个或三个以上规则的几何形状标记物；
步骤B2中，2D相机的成像系统为可见光系统，使用规则的几何形状标记物提取标记物110几何中心；
步骤B3中，两两规则的几何形状标记物之间的物理距离需要存在一定偏差，该偏差需高于双目相机的测量精度，需先采用极线约束法初步匹配后再采用距离约束进行最终匹配；
步骤B4中的三角测量公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中式中，
Figure 421139DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 135017DEST_PATH_IMAGE003
是符合匹配要求的标记物110对分别在左、右图像中的图像坐标；
Figure 914754DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 841122DEST_PATH_IMAGE004
分别是构成一组双目相机的左、右2D相机的投影矩阵；
Figure 983390DEST_PATH_IMAGE006
为待求解的标记物三维坐标，T表示矩阵的转置。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A6中的标记物110的三维坐标或运动轨迹用于CT重建算法包含以下步骤：
步骤C1：判断标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置是否已知；
步骤C2：若标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置未知，则将初始角度的标记物110构成平面及通过C型臂101圆心垂直该平面的直线组成RE坐标系统，计算标记物110构成平面相对RE坐标系统的XYZ三轴的旋转角，将旋转角用于重建算法中进行正反投影；
步骤C3：若标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置已知，则通过探测器108和射线源109焦点与标记物110位置的相对距离计算探测器108和射线源109焦点在各扫描角度下的三维坐标的位置，将探测器108和射线源109焦点的位置用于重建算法中进行正反投影。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤C2和步骤C3中的重建算法为解析重建算法或迭代重建算法。
第二方面，第二实施例，如图1所示，一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，包含C型臂101、水平滑动组件102、控制器103、物体台104、3D相机模组105、底座106，底座106顶部安装有连接水平滑动组件102的升降立柱107，水平滑动组件102的一端连接C型臂101，C型臂101的两端分别连接有探测器108、射线源109，物体台104设置于探测器108、与射线源109之间，C型臂101上设置有标记点组，控制器103分别控制连接C型臂101、水平滑动组件102、3D相机模组105、升降立柱107、探测器108、射线源109。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，标记点组包含设置在C型臂101上的标记物110，标记物110与探测器108、射线源109焦点的相对位置已知或未知；
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，3D相机模组105包含两个或两个以上2D相机，每两个2D相机组成一组双目相机，2D相机为近红外相机，选择具有反射红外光或发射红外光的标记物110，标记物110可主动发出近红外光或通过红外光光源照射后反射红外光，标记物110可以是三个或三个以上规则或不规则的几何形状标记物，近红外相机可直接获取标记物110的坐标值，由标记物110组成的多边形任意两条边长度不等（偏差应大于2D相机可识别的最小长度单位，即最小长度差异取决于2D相机的精度）。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，水平滑动组件102上设有连接C型臂101的拖座机构111，拖座机构111内部设有直流电机齿轮变速箱，直流电机齿轮变速箱驱动连接有传动组件，传动组件通过同步带轮与C型臂101内部的同步带啮合，控制器103控制连接直流电机齿轮变速箱。
如图2所示，采用一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统进行一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法的步骤如下：
步骤A1：病人位于物体台104，控制器103控制调整水平滑动组件102和升降立柱107使C型臂101位于预拍摄位置，C型臂101、射线源109、探测器108、3D相机模组105组成成像装置；
步骤A2：控制器103选择扫描部位；
步骤A3：调整3D相机模组105使标记点组位于3D相机模组105的公共视野范围内；
步骤A4：控制器103控制C型臂101旋转采集图像信息的同时控制3D相机模组105工作采集标记点组信息，控制射线源109发出射线，控制探测器108接收射线；
步骤A5：控制器103分析3D相机模组105采集的标记点组信息，计算各标记物110的三维坐标；
步骤A6：采用模式1或模式2；
模式1包含以下步骤：
步骤A61: 将各标记物110的三维坐标用于CT重建算法进行重建计算；；
步骤A62：C型臂101旋转过程中，控制器103同步触发3D相机模组105、射线源109及探测器108，重复执行步骤A4、A5、A61，获得校正后的三维CT重建图像；
如图3所示，模式2包含以下步骤：C型臂101旋转过程中，控制器103同步触发3D相机模组105、射线源109及探测器108，重复执行步骤A4-A5，记录每一时刻的三维坐标，最终得到按时间序列的运动轨迹，运动轨迹用于CT重建算法进行重建得到三维CT重建图像。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A3中，调整3D相机模组105可以是通过人工调整，在一些情况下，3D相机模组105还包含可以有控制器103控制的滑动和升降组件，通过控制器103调整3D相机模组的位置。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A5中3D相机模组105通过三角测量的方式获取标记物110的空间三维坐标,具体步骤如下：
步骤B1：控制器103按指定频率发出触发信号触发各2D相机同步获取图像；
步骤B2：从各组双目相机左、右图像中分别提取标记物110，获得标记物110几何中心在图像中的二维像素坐标；
步骤B3：对各组双目相机左、右图像中提取到的标记物110进行匹配及识别，获得符合匹配要求的二维像素坐标点对；
步骤B4：根据匹配好的二维像素坐标点对与标定好的各组双目相机内外参数，通过三角测量的方式，计算出各组标记物空间三维坐标；
步骤B5：每组双目相机对应一组标记物空间三维坐标，最终融合得到一组标记物空间三维坐标。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤B1中的指定频率与探测器108采集图像的脉冲频率相同；
标记物110为三个或三个以上规则或不规则的几何形状标记物；
步骤B2中，2D相机的成像系统是近红外光系统，使用主动发射红外光或被动反射红外光的规则或不规则的几何形状标记物；
步骤B3中，两两规则或不规则的几何形状标记物之间的物理距离需要存在一定偏差，该偏差需高于双目相机的测量精度，需先采用极线约束法初步匹配后再采用距离约束进行最终匹配；
步骤B4中的三角测量公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中式中，
Figure 101126DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 164897DEST_PATH_IMAGE003
是符合匹配要求的标记物110对分别在左、右图像中的图像坐标；
Figure 894955DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 563834DEST_PATH_IMAGE004
分别是构成一组双目相机的左、右2D相机的投影矩阵；
Figure 353935DEST_PATH_IMAGE006
为待求解的标记物三维坐标，T表示矩阵的转置。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A6中的标记物110的三维坐标或运动轨迹用于CT重建算法包含以下步骤：
步骤C1：判断标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置是否已知；
步骤C2：若标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置未知，则将初始角度的标记物110构成平面及通过C型臂101圆心垂直该平面的直线组成RE坐标系统，计算标记物110构成平面相对RE坐标系统的XYZ三轴的旋转角，将旋转角用于重建算法中进行正反投影；
步骤C3：若标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置已知，则通过探测器108和射线源109焦点与标记物110位置的相对距离计算探测器108和射线源109焦点在各扫描角度下的三维坐标的位置，将探测器108和射线源109焦点的位置用于重建算法中进行正反投影。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤C2和步骤C3中的重建算法为解析重建算法或迭代重建算法。
第三方面，第三实施例，如图1所示，一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，包含C型臂101、水平滑动组件102、控制器103、物体台104、3D相机模组105、底座106，底座106顶部安装有连接水平滑动组件102的升降立柱107，水平滑动组件102的一端连接C型臂101，C型臂101的两端分别连接有探测器108、射线源109，物体台104设置于探测器108、与射线源109之间，C型臂101上设置有标记点组，控制器103分别控制连接C型臂101、水平滑动组件102、3D相机模组105、升降立柱107、探测器108、射线源109。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，标记点组包含设置在C型臂101上的1个或多个标记物110，标记物110与探测器108、射线源109焦点的相对位置已知或未知，标记物110数量为1个或多个；
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，3D相机模组105包含一组或多组双目相机，3D相机为可见光相机或近红外相机；
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其中，水平滑动组件102上设有连接C型臂101的拖座机构111，拖座机构111内部设有直流电机齿轮变速箱，直流电机齿轮变速箱驱动连接有传动组件，传动组件通过同步带轮与C型臂101内部的同步带啮合，控制器103控制连接直流电机齿轮变速箱。
如图2所示，采用一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统进行一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法的步骤如下：
步骤A1：病人位于物体台104，控制器103控制调整水平滑动组件102和升降立柱107使C型臂101位于预拍摄位置，C型臂101、射线源109、探测器108、3D相机模组105组成成像装置；
步骤A2：控制器103选择扫描部位；
步骤A3：调整3D相机模组105使标记点组位于3D相机模组105的公共视野范围内；
步骤A4：控制器103控制C型臂101旋转采集图像信息的同时控制3D相机模组105工作采集标记点组信息，控制射线源109发出射线，控制探测器108接收射线；
步骤A5：控制器103分析3D相机模组105采集的标记点组信息，计算各标记物110的三维坐标；
步骤A6：采用模式1或模式2；
模式1包含以下步骤：
步骤A61: 将各标记物110的三维坐标用于CT重建算法进行重建计算；
步骤A62：C型臂101旋转过程中，控制器103同步触发3D相机模组105、射线源109及探测器108，重复执行步骤A4、A5、A61，获得校正后的三维CT重建图像；
如图3所示，模式2包含以下步骤：C型臂101旋转过程中，控制器103同步触发3D相机模组105、射线源109及探测器108，重复执行步骤A4-A5，记录每一时刻的三维坐标，最终得到按时间序列的运动轨迹，运动轨迹用于CT重建算法进行重建得到三维CT重建图像。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A3中，调整3D相机模组105可以是通过人工调整，在一些情况下，3D相机模组105还包含可以有控制器103控制的滑动和升降组件，通过控制器103调整3D相机模组的位置。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A5中3D相机模组105通过三角测量的方式获取标记物110的空间三维坐标,具体步骤如下：
步骤B1：控制器103按指定频率发出触发信号触发各2D相机同步获取图像；
步骤B2：从各组双目相机左、右图像中分别提取标记物110，获得标记物110几何中心在图像中的二维像素坐标；
步骤B3：对各组双目相机左、右图像中提取到的标记物110进行匹配及识别，获得符合匹配要求的二维像素坐标点对；
步骤B4：根据匹配好的二维像素坐标点对与标定好的各组双目相机内外参数，通过三角测量的方式，计算出各组标记物空间三维坐标；
步骤B5：每组双目相机对应一组标记物空间三维坐标，最终融合得到一组标记物空间三维坐标。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤B1中的指定频率与探测器108采集图像的脉冲频率相同；
标记物110为一个或多个ArUco特殊编码标记物，且多个标记物110之间的距离也没有要求；
步骤B3中，对ArUco特殊编码标记物的位置不作要求，需通过对应的解码方式对ArUco特殊编码标记物进行识别及匹配；
步骤B4中的三角测量公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中式中，
Figure 639423DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 205796DEST_PATH_IMAGE003
是符合匹配要求的标记物110对分别在左、右图像中的图像坐标；
Figure 729181DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 955763DEST_PATH_IMAGE004
分别是构成一组双目相机的左、右2D相机的投影矩阵；
Figure 197389DEST_PATH_IMAGE006
为待求解的标记物三维坐标，T表示矩阵的转置。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤A6中的标记物110的三维坐标或运动轨迹用于CT重建算法包含以下步骤：
步骤C1：判断标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置是否已知；
步骤C2：若标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置未知，则将初始角度的标记物110构成平面及通过C型臂101圆心垂直该平面的直线组成RE坐标系统，计算标记物110构成平面相对RE坐标系统的XYZ三轴的旋转角，将旋转角用于重建算法中进行正反投影；
步骤C3：若标记物110及探测器108和射线源109焦点的相对位置已知，则通过探测器108和射线源109焦点与标记物110位置的相对距离计算探测器108和射线源109焦点在各扫描角度下的三维坐标的位置，将探测器108和射线源109焦点的位置用于重建算法中进行正反投影。
上述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其中，步骤C2和步骤C3中的重建算法为解析重建算法或迭代重建算法。
综上，本发明的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统及方法，能够在无需校正模体的情况下实现在线实时几何校正，降低几何校正时间，测得的三维坐标或运动轨迹用于CT重建保证图像质量。
以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换，这并不影响发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其特征在于，包含C型臂、水平滑动组件、控制器、物体台、3D相机模组、底座，所述底座顶部安装有连接所述水平滑动组件的升降立柱，所述水平滑动组件的一端连接所述C型臂，所述C型臂的两端分别连接有探测器、射线源，所述物体台设置于所述探测器、与所述射线源之间，所述C型臂上设置有标记点组，所述控制器分别控制连接所述C型臂、所述水平滑动组件、所述3D相机模组、所述升降立柱、所述探测器、所述射线源。
2.如权利要求1所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其特征在于，所述标记点组包含设置在所述C型臂上的一个或多个标记物。
3.如权利要求2所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其特征在于，所述3D相机模组包含两个或两个以上2D相机，每两个所述2D相机组成一组双目相机，所述2D相机为可见光相机或近红外相机。
4.如权利要求3所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，其特征在于，所述水平滑动组件上设有连接所述C型臂的拖座机构，所述拖座机构内部设有直流电机齿轮变速箱，所述直流电机齿轮变速箱驱动连接有传动组件，所述传动组件通过同步带轮与所述C型臂内部的同步带啮合，所述控制器控制连接所述直流电机齿轮变速箱。
5.一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-4中任一项所述一种具有C型臂抖动校正的三维成像系统，包含以下步骤：
步骤A1：病人位于物体台，控制器控制调整水平滑动组件和升降立柱使C型臂位于预拍摄位置；
步骤A2：控制器选择扫描部位；
步骤A3：调整3D相机模组使标记点组位于3D相机模组的公共视野范围内；
步骤A4：控制器控制C型臂旋转采集图像信息的同时控制3D相机模组工作采集标记点组信息，控制射线源发出射线，控制探测器接收射线；
步骤A5：控制器分析3D相机模组采集的标记点组信息，计算各标记物的三维坐标；
步骤A6：采用模式1或模式2；
模式1包含以下步骤：
步骤A61：将各标记物的三维坐标用于CT重建算法进行重建计算；
步骤A62：C型臂旋转过程中，控制器同步触发3D相机模组、射线源及探测器，重复执行步骤A4、A5、A61，获得校正后的三维CT重建图像；
模式2包含以下步骤：C型臂旋转过程中，控制器同步触发3D相机模组、射线源及探测器，重复执行步骤A4-A5，记录每一时刻的三维坐标，最终得到按时间序列的运动轨迹，运动轨迹用于CT重建算法进行重建得到三维CT重建图像。
6.如权利要求5所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其特征在于，步骤A5中所述3D相机模组通过三角测量的方式获取目标标记物的空间三维坐标,具体步骤如下：
步骤B1：控制器按指定频率发出触发信号触发各2D相机同步获取图像；
步骤B2: 从各组双目相机左、右图像中分别提取特征标记物，获得标记物在图像中的二维像素坐标；
步骤B3: 对各组双目相机左、右图像中提取到的特征标记物进行匹配及识别，获得符合匹配要求的二维像素坐标点对；
步骤B4: 根据匹配好的二维像素坐标点对与标定好的各组双目相机内外参数，通过三角测量的方式，计算出各组标记物空间三维坐标；
步骤B5：每组双目相机对应一组标记物空间三维坐标，最终融合得到一组标记物空间三维坐标。
7.如权利要求6所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其特征在于，步骤B1中的所述指定频率与探测器采集图像的脉冲频率相同；
所述标记物为一个或多个ArUco特殊编码标记物或三个或三个以上规则或不规则的几何形状标记物；
步骤B3中，若标记物是ArUco特殊编码标记物，则对ArUco特殊编码标记物的位置不作要求，需通过对应的解码方式对ArUco特殊编码标记物进行识别及匹配；
若是规则或不规则的几何形状标记物，则两两规则或不规则的几何形状标记物之间的物理距离需要存在一定偏差，该偏差需高于双目相机的测量精度，需先采用极线约束法初步匹配后再采用距离约束进行最终匹配；
步骤B4中的三角测量公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是符合匹配要求的标记物对分别在左、右图像中的图像坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别是构成一组双目相机的左、右2D相机的投影矩阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为待求解的标记物三维坐标，T表示矩阵的转置；
步骤B5中若一组标记物为多个标记物且各标记物间相对距离已知，则根据已知标记物间相对距离对实时检测得到的标记物空间三维坐标进行误差补偿。
8.如权利要求7所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其特征在于，若所述标记物为规则或不规则的几何形状标记物，其中，步骤B2中，若2D相机的成像系统为可见光系统，则使用规则的几何形状标记物，提取标记物几何中心，若2D相机的成像系统是近红外光系统，则使用主动发射红外光或被动反射红外光的规则或不规则的几何形状标记物。
9.如权利要求6或7或8所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其特征在于，步骤A6中的标记物的三维坐标或运动轨迹用于CT重建算法包含以下步骤：
步骤C1：判断标记物及探测器和射线源焦点的相对位置是否已知；
步骤C2：若标记物及探测器和射线源焦点的相对位置未知，则将初始角度的标记物构成平面及通过C型臂圆心垂直该平面的直线组成RE坐标系统，计算标记物构成平面相对RE坐标系统的XYZ三轴的旋转角，将旋转角用于重建算法中进行正反投影；
步骤C3：若标记物及探测器和射线源焦点的相对位置已知，则通过探测器和射线源焦点与标记物位置的相对距离计算探测器和射线源焦点在各扫描角度下的三维坐标的位置，将探测器和射线源焦点的位置用于重建算法中进行正反投影。
10.如权利要求9所述的一种具有C型臂抖动校正的三维成像方法，其特征在于，步骤C2和步骤C3中的重建算法为解析重建算法或迭代重建算法。
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