CN114404041A - C型臂成像参数校准系统及方法 - Google Patents

C型臂成像参数校准系统及方法 Download PDF

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CN114404041A CN202210060696.1A CN202210060696A CN114404041A CN 114404041 A CN114404041 A CN 114404041A CN 202210060696 A CN202210060696 A CN 202210060696A CN 114404041 A CN114404041 A CN 114404041A
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Abstract

本发明提供了一种C型臂成像参数校准系统及方法，涉及C型臂参数、手术导航技术领域，包括：玻璃面板、对准孔、显影小球、装配锁紧孔以及坐标传感器装配结构；所述显影小球固定在玻璃面板上，并按特定间隔位置摆放；所述对准孔穿设在玻璃面板的中心位置；所述玻璃面板与坐标传感器装配结构紧密组装；通过坐标传感器装配结构和装配锁紧孔组装传感器组件，记录空间三维坐标姿态。本发明能够在达到显影效果的同时避免金属显影散射过亮导致影像不清晰问题，且本发明的显影小球算法采用霍夫变换圆形检测算法，更加高效准确。

Description

C型臂成像参数校准系统及方法
技术领域
本发明涉及C型臂参数、手术导航技术领域，具体地，涉及一种C型臂成像参数校准系统及方法。
背景技术
在图像引导手术导航技术中，配准是必要的过程。手术导航技术的实现依赖于导航空间和图像空间中相对应点的空间配准，传统的手术导航空间配准方法，首先将带有特殊金属标记点的装置与病人一起进行医学扫描成像，然后通过手动选取或计算机自动识别的方式在医学影像中选取标记点，获得这些标记点在医学影像空间中的坐标，然后使用注册探针获取以上标记点在导航空间中的坐标，最后通过以上两组标记点的坐标数据计算出医学影像空间和导航空间的转换关系，从而实现手术导航的空间配准。
现有技术中对C型臂的扫描角度具有特定的要求，在手术应用的场景中并不灵活。在基于C型臂成像的引导手术和机器人手术技术中，对C型臂成像参数的计算求解是必不可少的关键步骤，其方法的高效性和准确性是重点研究的内容。C型臂的参数校准算法精度决定了手术导航的影像配准精度，在医疗器械的精准微创领域里面是关键研究方向。
公开号为CN113284160A的发明专利，公开了一种手术导航标记珠体识别的方法、装置和设备，包括：获取手术区域空间标记珠体分布的图像；对所述图像进行阈值分割，得到多个连通域；对所述连通域进行筛选，得到连通域组合；根据得到的所述连通域组合，计算并输出目标连通域的质心点坐标，完成图像上所述标记珠体的识别。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种C型臂成像参数校准系统及方法。
根据本发明提供的一种C型臂成像参数校准系统及方法，所述方案如下：
第一方面，提供了一种C型臂成像参数校准系统，所述系统包括：玻璃面板、对准孔、显影小球、装配锁紧孔以及坐标传感器装配结构；
所述显影小球固定在玻璃面板上，并按特定间隔位置摆放；所述对准孔穿设在玻璃面板的中心位置；
所述玻璃面板与坐标传感器装配结构紧密组装；通过坐标传感器装配结构和装配锁紧孔组装传感器组件，记录空间三维坐标姿态。
优选地，所述显影小球的材质为X射线吸收显影材质，采用陶瓷材料。
优选地，所述显影小球的特定间隔为12mm，所述玻璃面板包括上层玻璃面板和下层玻璃面板，且所述上层玻璃面板和下层玻璃面板平行设置，间隔为50mm。
优选地，所述坐标传感器装配结构上采用的坐标传感器为六自由度传感器记录位置和方向数据。
优选地，所述对准孔包括上层对准孔和下层对准孔，在C型臂设备扫描射线时，设定将对上层对准孔和下层对准孔与焦点射线平行。
第二方面，提供了一种C型臂成像参数校准方法，所述方法包括：
步骤S1：将装配好的校准系统，放置在能追踪定位的工作场景下；
步骤S2：在扫描C型臂影像时，将校准系统放置在扫描影像范围内，得到带有校准系统显影小球成像的二维影像I1，扫描时记录此时的三维坐标定位数据为P1，包含空间平移量和旋转量[Tx,Ty,Tz,Rx,Ry,Rz]；
步骤S3：调整C型臂的扫描角度，进行步骤S2的扫描记录工作，得到二维影像I2，三维坐标定位数据为P2；
步骤S4：针对二维影像I1和I2，分别计算显影小球的中心位置
Figure BDA0003478083550000021
和
Figure BDA0003478083550000022
并分别计算显影小球点的坐标K1和K2；
步骤S5：求解投影参数矩阵
Figure BDA0003478083550000023
投影参数应满足
Figure BDA0003478083550000024
Figure BDA0003478083550000025
即第i个编号的显影小球的三维坐标
Figure BDA0003478083550000026
投影变换得到的在影像I1中的二维坐标是
Figure BDA0003478083550000027
即求解Q，使得K-QP＝0；
步骤S6：求解反投影，根据已得到的两个角度的投影矩阵Q1和Q2，则有
Figure BDA0003478083550000028
Figure BDA0003478083550000029
和
Figure BDA00034780835500000210
已知的两个角度影像中的点对应的是一个三维坐标点，则有K1-Q1P＝0和K2-Q2P＝0，联合两式可以解出两组二维坐标对应的三维坐标的反投影坐标P。
优选地，所述步骤S3中调整C型臂的扫描角度，将角度设置为第一次扫描时相垂直的角度。
优选地，所述步骤S4中计算显影小球的坐标K1和K2，包括：
步骤S4.1：分别计算显影小球的中心位置
Figure BDA0003478083550000031
和
Figure BDA0003478083550000032
步骤S4.2：对校准系统中的所有显影小球进行1到n的编号，然后自动计算匹配二维影像中的显影小球对应的编号，对应关系的结果记录为n×n矩阵M1和M2：
Figure BDA0003478083550000033
其中，mij＝0或1；mij＝1表示二维影像中第i个显影小球点坐标与三维定位坐标的第j个显影小球点对应；i,j＝(1,2,…,n)；
步骤S4.3：得到匹配好编号关系的显影小球点的坐标为K1＝C1M1和K2＝C2M2。
优选地，所述步骤S4中计算显影小球的中心位置的方法为自动识别方法；
首先对影像I1或I2执行自适应阈值二值化处理，将影像中显影小球的点处理为二值化的前景；
再执行霍夫变换计算识别图像中圆形区域，根据圆形尺寸大小和圆度特征排除噪声，得到圆形区域的中心作为显影小球的中心位置记录坐标。
优选地，所述步骤S4中自动计算匹配二维影像中的显影小球对应的编号，将校准系统中的两层显影小球自垂直于两层方向做模拟投影，得到显影小球模拟投影后的位置点集，此点集中显影小球的编号是已知的；
将影像I1或I2中的显影小球坐标点集和模拟点集进行配准，配准后，影像I1或I2中的显影小球坐标点的编号即为模拟点集中的编号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用包含两层标准分布的显影小球设计的校准工具，采用自动识别二维影像中显影小球坐标点和自动匹配显影小球二维三维空间中的对应关系，解决了C型臂设备扫描成像的坐标参数转化问题，实现了二维和三维坐标的相互转化；
2、本发明校准方法中对扫描两次的角度和方法没有限定，方便小型C型臂设备的灵活使用；
3、本发明采用的陶瓷材质能够在达到显影效果的同时避免金属显影散射过亮导致影像不清晰问题；
4、本发明的显影小球算法采用霍夫变换圆形检测算法，更加高效准确；
5、本发明校准系统及方法可以应用于基于C型臂和CT相关的定位导航及医疗机器人手术等场景中，提供精确的手术规划和定位结果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明系统的整体结构示意图；
图2为本发明系统的整体结构示意图。
附图标记：
玻璃面板 101 上层玻璃面板 101a
下层玻璃面板 101b 对准孔 102
上层对准孔 102a 下层对准孔 102b
显影小球 103 装配锁紧孔 104
坐标传感器装配结构 105
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种C型臂成像参数校准系统，参照图1和图2所示，该系统包括：玻璃面板101、对准孔102、显影小球103、装配锁紧孔104以及坐标传感器装配结构105；
在X射线下显影的显影小球103按照特定的间隔位置摆放，玻璃面板101包括上层玻璃面板101a和下层玻璃面板101b，显影小球103固定在上层玻璃面板101a和下层玻璃面板101b上。显影小球103的特定间隔为12mm，且上层玻璃面板101a和下层玻璃面板101b平行设置，间隔为50mm。对准孔102则分别穿设在上层玻璃面板101a和下层玻璃面板101b的中心位置。
玻璃面板101整体呈C字型，与坐标传感器装配结构105紧密组装；通过坐标传感器装配结构105和装配锁紧孔104组装传感器组件，记录空间三维坐标姿态。
本实施例中显影小球103的材质为X射线吸收显影材质，采用陶瓷材料。坐标传感器装配结构105上采用的坐标传感器为6自由度(6Dof，Degree of freedom)传感器记录位置和方向数据。
对准孔102包括上层对准孔102a和下层对准孔102b，校准系统在C型臂设备扫描射线时，设定将对上层对准孔102a和下层对准孔102b与焦点射线平行，射线穿透玻璃面板101和其中的显影小球103形成投影成像，根据投影成像中显影小球103的相对位置关系，匹配二维图像与显影小球103在三维空间中的位置对应关系，可计算得到C型臂扫描的一组三维转二维的投影矩阵参数；两次不同扫描角度得到两个不同的投影成像，将两组二维坐标和三维坐标结合得到C型臂的扫描的二维转三维反投影计算结果。
本发明还提供了一种C型臂成像参数校准方法，该方法包括：
将装配好的校准系统，放置在能追踪定位的工作场景下；软件可以采集到坐标数据。追踪定位的工作场景优选地包括电磁导航、光学导航、激光等定位系统设备，可追踪6自由度的方位数据。通过可测量的装配结构及显影小球103的间隔位置设定，可以基于坐标传感器，计算所有显影小球103的三维定位数据；执行以下流程：
在扫描C型臂影像时，将校准系统放置在扫描影像范围内，得到带有校准系统显影小球103成像的二维影像I1，扫描时记录此时的三维坐标定位数据为P1，包含空间平移量和旋转量[Tx,Ty,Tz,Rx,Ry,Rz]。
调整C型臂的扫描角度，可以将角度设置为第一次扫描时相垂直的角度。进行上述步骤的扫描记录工作，得到二维影像I2，三维坐标定位数据为P2；
针对二维影像I1和I2，分别计算显影小球103的中心位置
Figure BDA0003478083550000051
和
Figure BDA0003478083550000052
Figure BDA0003478083550000053
对校准系统中的所有显影小球103进行1到n的编号，然后自动计算匹配二维影像中的显影小球103对应的编号，对应关系的结果记录为n×n矩阵M1和M2：
Figure BDA0003478083550000054
其中，mij＝0或1；mij＝1表示二维影像中第i个显影小球103点坐标与三维定位坐标的第j个显影小球103点对应；i,j＝(1,2,…,n)。
则可以得到匹配好编号关系的显影小球103点的坐标为K1＝C1M1和K2＝C2M2。
其中，计算显影小球103的中心位置的方法为自动识别方法，首先对影像I1或I2执行自适应阈值二值化处理，将影像中显影小球103的点处理为二值化的前景；再执行霍夫变换计算识别图像中圆形区域，根据圆形尺寸大小和圆度特征排除噪声，得到圆形区域的中心作为显影小球103的中心位置记录坐标。
自动计算匹配二维影像中的显影小球103对应的编号，将校准系统中的两层显影小球103自垂直于两层方向做模拟投影，得到显影小球103模拟投影后的位置点集，此点集中显影小球103的编号是已知的；将影像I1或I2中的显影小球103坐标点集和模拟点集进行配准，配准后，影像I1或I2中的显影小球103坐标点的编号即为模拟点集中的编号。
求解投影参数矩阵
Figure BDA0003478083550000061
投影参数应满足
Figure BDA0003478083550000062
即第i个编号的显影小球103的三维坐标
Figure BDA0003478083550000063
投影变换得到的在影像I1中的二维坐标是
Figure BDA0003478083550000064
即求解Q，使得K-QP＝0即可。
求解反投影，根据已得到的两个角度的投影矩阵Q1和Q2，则有
Figure BDA0003478083550000065
和
Figure BDA0003478083550000066
Figure BDA0003478083550000067
已知的两个角度影像中的点对应的是一个三维坐标点，则有K1-Q1P＝0和K2-Q2P＝0，联合两式可以解出两组二维坐标对应的三维坐标的反投影坐标P。
本发明实施例提供了一种C型臂成像参数校准系统及方法，通过采用包含两层标准分布的显影小球设计的校准系统，采用自动识别二维影像中显影小球坐标点和自动匹配显影小球二维三维空间中的对应关系，解决了C型臂设备扫描成像的坐标参数转化问题，实现了二维和三维坐标的相互转化。校准方法中对扫描两次的角度和方法没有限定，方便小型C型臂设备的灵活使用。校准系统及方法可以应用于基于C型臂和CT相关的定位导航及医疗机器人手术等场景中，提供精确的手术规划和定位结果。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种C型臂成像参数校准系统，其特征在于，包括：玻璃面板、对准孔、显影小球、装配锁紧孔以及坐标传感器装配结构；
所述显影小球固定在玻璃面板上，并按特定间隔位置摆放；所述对准孔穿设在玻璃面板的中心位置；
所述玻璃面板与坐标传感器装配结构紧密组装；通过坐标传感器装配结构和装配锁紧孔组装传感器组件，记录空间三维坐标姿态。
2.根据权利要求1所述的C型臂成像参数校准系统，其特征在于，所述显影小球的材质为X射线吸收显影材质，采用陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的C型臂成像参数校准系统，其特征在于，所述显影小球的特定间隔为12mm，所述玻璃面板包括上层玻璃面板和下层玻璃面板，且所述上层玻璃面板和下层玻璃面板平行设置，间隔为50mm。
4.根据权利要求1所述的C型臂成像参数校准系统，其特征在于，所述坐标传感器装配结构上采用的坐标传感器为六自由度传感器记录位置和方向数据。
5.根据权利要求1所述的C型臂成像参数校准系统，其特征在于，所述对准孔包括上层对准孔和下层对准孔，在C型臂设备扫描射线时，设定将对上层对准孔和下层对准孔与焦点射线平行。
6.一种C型臂成像参数校准方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任意一项所述的C型臂成像参数校准系统，包括：
步骤S1：将装配好的校准系统，放置在能追踪定位的工作场景下；
步骤S2：在扫描C型臂影像时，将校准系统放置在扫描影像范围内，得到带有校准系统显影小球成像的二维影像I1，扫描时记录此时的三维坐标定位数据为P1，包含空间平移量和旋转量[Tx,Ty,Tz,Rx,Ry,Rz]；
步骤S3：调整C型臂的扫描角度，进行步骤S2的扫描记录工作，得到二维影像I2，三维坐标定位数据为P2；
步骤S4：针对二维影像I1和I2，分别计算显影小球的中心位置
Figure FDA0003478083540000011
和
Figure FDA0003478083540000012
并分别计算显影小球点的坐标K1和K2；
步骤S5：求解投影参数矩阵
Figure FDA0003478083540000013
投影参数应满足
Figure FDA0003478083540000014
Figure FDA0003478083540000021
即第i个编号的显影小球的三维坐标
Figure FDA0003478083540000022
投影变换得到的在影像I1中的二维坐标是
Figure FDA0003478083540000023
即求解Q，使得K-QP＝0；
步骤S6：求解反投影，根据已得到的两个角度的投影矩阵Q1和Q2，则有
Figure FDA0003478083540000024
Figure FDA0003478083540000025
和
Figure FDA0003478083540000026
已知的两个角度影像中的点对应的是一个三维坐标点，则有K1-Q1P＝O和K2-Q2P＝O，联合两式可以解出两组二维坐标对应的三维坐标的反投影坐标P。
7.根据权利要求6所述的C型臂成像参数校准方法，其特征在于，所述步骤S3中调整C型臂的扫描角度，将角度设置为第一次扫描时相垂直的角度。
8.根据权利要求6所述的C型臂成像参数校准方法，其特征在于，所述步骤S4中计算显影小球的坐标K1和K2，包括：
步骤S4.1：分别计算显影小球的中心位置
Figure FDA0003478083540000027
和
Figure FDA0003478083540000028
步骤S4.2：对校准系统中的所有显影小球进行1到n的编号，然后自动计算匹配二维影像中的显影小球对应的编号，对应关系的结果记录为n×n矩阵M1和M2：
Figure FDA0003478083540000029
其中，mij＝0或1；mij＝1表示二维影像中第i个显影小球点坐标与三维定位坐标的第j个显影小球点对应；i,j＝(1,2,…,n)；
步骤S4.3：得到匹配好编号关系的显影小球点的坐标为K1＝C1M1和K2＝C2M2。
9.根据权利要求8所述的C型臂成像参数校准方法，其特征在于，所述步骤S4中计算显影小球的中心位置的方法为自动识别方法；
首先对影像I1或I2执行自适应阈值二值化处理，将影像中显影小球的点处理为二值化的前景；
再执行霍夫变换计算识别图像中圆形区域，根据圆形尺寸大小和圆度特征排除噪声，得到圆形区域的中心作为显影小球的中心位置记录坐标。
10.根据权利要求8所述的C型臂成像参数校准方法，其特征在于，所述步骤S4中自动计算匹配二维影像中的显影小球对应的编号，将校准系统中的两层显影小球自垂直于两层方向做模拟投影，得到显影小球模拟投影后的位置点集，此点集中显影小球的编号是已知的；
将影像I1或I2中的显影小球坐标点集和模拟点集进行配准，配准后，影像I1或I2中的显影小球坐标点的编号即为模拟点集中的编号。
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