CN115737122A - 一种借助x射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁导航技术领域，提供一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，通过磁场发生器对配准板的感应，多次利用矩阵坐标系转换，通过已知的相对位置来对未知的相对位置关系进行转换，来将所有需测定物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。本发明结构简单，操作方便的优点，同时因为磁场发生器和配准板的体积较为小巧，可以适应不同的场景，使用范围比价广，成本较低。配准板上设有磁传感器线圈，该磁传感器可被磁场发生器感应到位置；且配准板的标定球球心之间的相对位置需要用三坐标测量仪提前标定。利用矩阵坐标系的转换，通过已知的相对位置来对未知的相对位置关系进行转换，来将所以物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。
Description
技术领域
本发明涉及磁导航技术领域，特别涉及一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法。
背景技术
随着计算机技术、医学影像技术等高新的发展，为满足当前对于高精度手术的要求，越来越多的计算机辅助手术导航系统出现。基本工作流程大多是依赖定位系统获取特征位姿与病人术前医学影像的三维建模模型进行配准，来达到位姿映射，并在手术工具末端安装传感器，再由定位系统跟踪末端传感器，以将手术视野中的手术器械的位姿映射到三维影像中，医生可以直观的观察到手术器械和病灶的相对位姿，并有效精准的进行操作。所以，定位系统是整个系统中至关重要的步骤，是建立手术空间和医学影像位姿映射的重要输入，是跟踪手术器械位姿的关键模块。它的精度是决定手术精度的关键模块。
目前，导航跟踪前一般都需要对手术区域进行配准定位，现有的技术通常是在机械臂上加装配准板，通过对机械臂姿态的标定来实现配准的。但该方法存在以下两个问题，一个是机械臂后端需连接台车，使用不方便，使用场景不够广；二是结构较为复杂，成本较高。
发明内容
本发明提供一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，通过磁场发生器对配准板的感应，多次利用矩阵坐标系转换，通过已知的相对位置来对未知的相对位置关系进行转换，可将所有需测定物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，所述方法包括：
(1)制定配准板，并利用三坐标测量仪标定配准板上标定球的坐标；
(2)固定磁场发生器，并将配准板放置到磁场范围内；
(3)以磁场发生器为原点建立坐标系得到磁场坐标系，计算得到在磁场中配准板上标定球和磁传感器的相对位置；
(4)将要配准的物品放置到磁场内，并放置在配准板的正下方，调整C臂机位置对物品进行X光拍照，通过计算得到C臂机在磁场中的绝对位置；
(5)利用C臂机的投影特性及数字影像重建原理，得到C臂机坐标系与CT坐标系间的变换关系；
其中，C臂机坐标系和CT坐标系均为虚拟坐标系，其中C臂机坐标系以发光点为圆心建立的坐标系，CT坐标系以图像上某个标定球为圆心建立的坐标系。
(6)通过坐标变换得到，得到CT在磁场中的绝对位置；
通过坐标变换得到，T2和T3中都有C臂机的坐标系，可将T2中C臂机坐标系用T3代替，即可得到CT坐标系在磁场中的绝对位置。
(7)通过坐标转换得到物品在磁场下的位置。
进一步的，所述配准板为双层板。
进一步的，所述配准板的双层板上均固定设有磁传感器和标定球。
优选的，所述配准板上有设有至少一个自由度的磁传感器，最优可以设置6个自由度的磁传感器，该磁传感器可被磁场发生器感应到位置；且配准板的标定球球心之间的相对位置需要用三坐标测量仪提前标定。
进一步的，步骤(1)中的坐标是以其中一个标定球的球心为原点建立三维坐标系，并将标定球的坐标用(x，y，z)表示。
进一步的，步骤(3)中具体计算过程为：
用标定好的工具对配准板上的标定球进行定位，得出标定球此时在磁场中的绝对位置，标定球在磁场中的坐标为(x1，y1，z1)，因为配准板上的磁传感器位置是已知的，通过矩阵坐标转换原理得出配准板上的标定球与磁传感器的相对位置；
进一步的，步骤(4)中具体计算过程为：
已知C臂机影增发出的光为锥形光，即光源为点光源，利用物品投影存在近大远小的特性，根据投影大小和标定球实际尺寸进行逆向投影，即可得到C臂机影增相对于配准板标定球的坐标；
通过对X片图像处理使用霍夫变换处理，计算得到透视图像中标记球的圆心坐标集合{P2D-ball}；
通过磁导航系统，实时获取磁场坐标系与坐标配准工具磁传感器坐标系间的变换关系，记为T1；
根据投影变换原理(逆向投影原理)，计算得到磁场坐标系与C臂机(透视设备)坐标系间的变换关系，记为T2；
其中，{P3D-ball}是对配准板的标定，通过三坐标测量仪测量可知；
A是针孔相机模型的内参矩阵；
通过求解T2的最优解，获得在磁场作用下C臂机在磁场中的绝对位置。
进一步的，步骤(5)中的具体计算过程为：
根据数字影像重建原理，即DRR原理，获取仿真透视投影视图，计算出仿真透视图与真实透视X光片的相似度，通过调整C臂机与CT模型间的相对关系，获取不同的数字影像重建图，即DRR图，通过迭代计算相似度，求解出最优解，即为C臂机(透视设备)坐标系与CT坐标系间的变换关系，记为T3。
进一步的，步骤(7)中的物品在磁场下的位置为：
P2D＝A*C-armP3D；
其中，A是针孔相机模型的内参矩阵；
C-armP3D是标定球在C臂机坐标系下的坐标。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单，操作方便的优点，同时因为磁场发生器和配准板的体积较为小巧，可以适应不同的场景，使用范围比价广，成本也较低。
(2)本发明的配准板上设有自由度的磁传感器线圈，该磁传感器可被磁场发生器感应到位置；且配准板的标定球球心之间的相对位置需要用三坐标测量仪提前标定。
(3)本发明利用矩阵坐标系的转换，通过已知的相对位置来对未知的相对位置关系进行转换，来将所以物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的配准板的结构示意图。
图3是本发明的C臂机投影原理示意图。
图4是本发明的C臂机投影示意图。
图5是本发明的得到C臂机在磁场中的绝对位置的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对发明的具体阐述，不应视为对发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。
本发明提供一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，通过磁场发生器对配准板的感应，多次利用矩阵坐标系转换，通过已知的相对位置来对未知的相对位置关系进行转换，可将所有需测定物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。
断层影像技术即为CT技术，CT是一种功能齐全的病情探测仪器，它是电子计算机X射线断层扫描技术简称。CT检查是根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。
通过统一CT和磁定位工具的坐标，实现将所有需测定物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。
利用磁导航系统，实时获取磁场坐标系与坐标配准工具磁传感器坐标系间的变换关系。磁导航系统是由放置于导管床两侧的半球形磁体组成的高精密医疗设备，通过两侧的磁体转动改变磁场方向，引导带有磁性物质的介入导管或导丝按系统设定的方向行进，并在既定的病变部位自动精确定位。该系统以计算机控制代替手工控制，不但在临床操作上有了极大改进，在介入手术的成功率及安全性上也有明显优势。
如图1所示，本发明提供一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，所述方法包括：
S1，制定配准板1，并利用三坐标测量仪标定配准板1上标定球11的坐标；建立坐标系是以其中一个标定球11的球心为原点建立三维坐标系，并将标定球11的坐标用(x，y，z)表示。
S2，固定磁场发生器，并将配准板1放置到磁场范围内；
如图2所示，所述配准板1为双层板。
所述配准板1的双层板上均固定设有磁传感器12和标定球11。
S3，以磁场发生器为原点建立坐标系，计算得到在磁场中配准板上标定球11和磁传感器12的相对位置；
用标定好的工具对配准板1上的标定球进行定位，得出标定球11此时在磁场中的绝对位置，标定球11在磁场中的坐标为(x1，y1，z1)，因为配准板1上的磁传感器12位置是已知的，通过矩阵坐标转换原理得出配准板1上的标定球11与磁传感器12的相对位置；
S4，将要配准的物品放置到磁场内，并放置在配准板1的正下方，调整C臂机位置对物品进行X光拍照，通过计算得到C臂机在磁场中的绝对位置；
如图3-4所示，已知C臂机影增发出的光为锥形光，即光源为点光源，利用物品投影存在近大远小的特性，根据投影大小和标定球实际尺寸进行逆向投影，即可得到C臂机影增相对于配准板上的标定球的坐标；
具体为，以C臂机的发光点为点光源2，对配准板1上的标定球11进行照射投影，根据投影大小和标定球实际尺寸进行逆向投影，通过C臂机的一个点光源，对配准板上的多个标定球进行透视投影，在投影接收板3上得到投影得到标定球11的位置，从而得到对应的C臂机影增相对于配准板上的标定球的坐标。如图5所示，S41，通过对X片图像使用霍夫变换处理，计算得到透视图像中各标记球11的圆心坐标集合{P2D-ball}通过磁导航系统，实时获取磁场坐标系与坐标配准工具磁传感器坐标系间的变换关系，记为T1；
S42，根据投影变换原理(逆向投影原理)，计算得到磁场坐标系与C臂机(透视设备)坐标系间的变换关系，记为T2；
其中，{P3D-ball}是对配准板的标定，通过三坐标测量仪测量可知；
A是针孔相机模型的内参矩阵；
S43，通过求解T2的最优解，获得在磁场作用下C臂机在磁场中的绝对位置。
S5，利用C臂机的投影特性及数字影像重建原理，得到C臂机坐标系与CT坐标系间的变换关系；
其中，C臂机坐标系和CT坐标系均为虚拟坐标系，其中C臂机坐标系以发光点为圆心建立的坐标系，CT坐标系以图像上某个标定球为圆心建立的坐标系。
根据数字影像重建原理，获取仿真透视投影视图，计算出仿真透视图与真实透视X光片的相似度，通过调整C臂机与CT模型间的相对关系，获取不同的数字影像重建图，通过迭代计算相似度，求解出最优解，即为C臂机坐标系与CT坐标系间的变换关系，记为T3。
S6，通过坐标变换得到，得到CT在磁场中的绝对位置；
通过坐标变换得到，即矩阵坐标系转换，T2和T3中都有C臂机的坐标系，可将T2中C臂机坐标系用T3代替，即可得到CT坐标系在磁场中的绝对位置。
S7，通过坐标转换得到物品在磁场下的位置为；
P2D＝A*C-armP3D；
其中，A是针孔相机模型的内参矩阵；
C-armP3D是标定球在C臂机坐标系下的坐标。
综上所述，本发明结构简单，操作方便的优点，同时因为其磁场发生器和配准板的体积较为小巧，可以适应不同的场景，使用范围比价广，成本也较低。
本发明的配准板上设有自由度的磁传感器，该磁传感器可被磁场发生器感应到位置；且配准板的标定球球心之间的相对位置需要用三坐标测量仪提前标定。
本发明利用矩阵坐标系的转换，通过已知的相对位置来对未知的相对位置关系进行转换，来将所以物品统一到同一坐标系下，以便完成配准。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
Claims (8)
1.一种基于磁场发生器的配准定位方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)制定配准板，并利用三坐标测量仪标定配准板上标定球的坐标；
(2)固定磁场发生器，并将配准板放置到磁场范围内；
(3)以磁场发生器为原点建立坐标系得到磁场坐标系，计算得到在磁场中配准板上标定球和磁传感器的相对位置；
(4)将要配准的物品放置到磁场内，并放置在配准板的正下方，调整C臂机位置对物品进行X光拍照，通过计算得到C臂机在磁场中的绝对位置；
(5)利用C臂机的投影特性及数字影像重建原理，得到C臂机坐标系与CT坐标系间的变换关系；
(6)通过坐标变换得到，得到CT在磁场中的绝对位置；
(7)通过坐标转换得到物品在磁场下的位置。
2.根据权利要求1所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，其特征在于，所述配准板为双层板。
3.根据权利要求2所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，其特征在于，所述配准板的双层板上均固定设有磁传感器和标定球。
4.根据权利要求1所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，其特征在于，步骤(1)中的坐标是以其中一个标定球的球心为原点建立三维坐标系。
5.根据权利要求1所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，其特征在于，步骤(3)中具体计算过程为：
用标定好的工具对配准板上的标定球进行定位，得出标定球此时在磁场中的绝对位置，因为配准板上的磁传感器位置是已知的，通过矩阵坐标转换原理得出配准板上的标定球与磁传感器的相对位置。
6.根据权利要求1所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，其特征在于，步骤(4)中具体计算过程为：
通过对X片图像使用霍夫变换处理，计算得到透视图像中各标记球的圆心坐标集合{P2D-ball}；
通过磁导航系统，实时获取磁场坐标系与配准板磁传感器坐标系间的变换关系，记为T1；
根据投影变换原理，计算得到磁场坐标系与C臂机坐标系间的变换关系，记为T2；
其中，{P3D-ball}是对配准板的标定，通过三坐标测量仪测量可知；
A是针孔相机模型的内参矩阵；
通过求解T2的最优解，获得在磁场作用下C臂机在磁场中的绝对位置。
7.根据权利要求1所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐-标的方法，其特征在于，步骤(5)中的具体计算过程为：
根据数字影像重建原理，获取仿真透视投影视图，计算出仿真透视图与真实透视X光片的相似度，通过调整C臂机与CT模型间的相对关系，获取不同的数字影像重建图，通过迭代计算相似度，求解出最优解，即为C臂机坐标系与CT坐标系间的变换关系，记为T3。
8.根据权利要求1所述的一种借助X射线的统一断层影像和磁定位工具坐标的方法，其特征在于，步骤(7)中的物品在磁场下的位置为：
P2D＝A*C-armP3D；
其中，A是针孔相机模型的内参矩阵；
C-armP3D是标定球在C臂机坐标系下的坐标。
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