CN116458904A - 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents

平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN116458904A
CN116458904A CN202310431774.9A CN202310431774A CN116458904A CN 116458904 A CN116458904 A CN 116458904A CN 202310431774 A CN202310431774 A CN 202310431774A CN 116458904 A CN116458904 A CN 116458904A
Authority
CN
China
Prior art keywords
dimensional coordinates
arm
marker
flat
group
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310431774.9A
Other languages
English (en)
Inventor
郑国焱
孙闻远
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202310431774.9A priority Critical patent/CN116458904A/zh
Publication of CN116458904A publication Critical patent/CN116458904A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/58—Testing, adjusting or calibrating thereof
    • A61B6/582—Calibration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/44—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis
    • A61B6/4429—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis related to the mounting of source units and detector units
    • A61B6/4435—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis related to the mounting of source units and detector units the source unit and the detector unit being coupled by a rigid structure
    • A61B6/4441—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis related to the mounting of source units and detector units the source unit and the detector unit being coupled by a rigid structure the rigid structure being a C-arm or U-arm
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/50—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications
    • A61B6/505—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment specially adapted for specific body parts; specially adapted for specific clinical applications for diagnosis of bone
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/10—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges for stereotaxic surgery, e.g. frame-based stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/30—Determination of transform parameters for the alignment of images, i.e. image registration
    • G06T7/33—Determination of transform parameters for the alignment of images, i.e. image registration using feature-based methods
    • G06T7/344—Determination of transform parameters for the alignment of images, i.e. image registration using feature-based methods involving models
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras
    • G06T7/73—Determining position or orientation of objects or cameras using feature-based methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3966—Radiopaque markers visible in an X-ray image

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)

Abstract

本申请提供一种平板C臂校准方法、装置、存储介质及电子设备。所述平板C臂校准方法包括：获取目标图像；根据所述目标图像对所述标志球进行分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系；获取各所述组别包含的所述标志球的二维坐标构成的交比作为各所述组别对应的第二交比；根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系；根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数。所述平板C臂校准方法能够自动完成对平板C臂的校准。

Description

平板C臂校准方法、装置、存储介质及电子设备
技术领域
本申请属于医学图像处理技术领域，涉及一种校准方法，特别是涉及一种平板C臂校准方法、装置、存储介质及电子设备。
背景技术
平板C臂是一种术中成像设备，在外科临床手术中发挥着重要的作用，常应用于骨科、心血管外科、泌尿外科、消化内科等科室。以骨科为例，平板C臂可被用于内固定手术、关节置换手术、胸腰椎压缩性骨折椎体成形术等复杂骨科手术的术前定位、术中透视观察以及术后恢复查看，在计算机辅助外科与外科手术导航中起着至关重要的作用。在使用前，平板C臂需要进行校准，以保证手术精度。因此，如何提供一种平板C臂校准方法已成为相关技术人员亟需解决的问题之一。
发明内容
本申请实施例提供一种平板C臂校准方法、装置、存储介质及电子设备，用于实现对平板C臂的校准。
第一方面，本申请实施例提供一种平板C臂校准方法，所述平板C臂校准方法包括：获取目标图像，所述目标图像由平板C臂对校准工具拍摄得到，所述校准工具包括互不平行的若干条棱边，各所述棱边均包含多个标志球，各所述棱边对应的第一交比各不相同，其中所述棱边对应的所述第一交比是指所述棱边包含的所述标志球的三维坐标构成的交比；根据所述目标图像对所述标志球进行分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系；获取各所述组别包含的所述标志球的二维坐标构成的交比作为各所述组别对应的第二交比；根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系；根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数。
在第一方面的一种实现方式中，根据所述目标图像对所述标志球进行分组以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系包括：根据所述目标图像获取所述标志球的二维坐标；根据所述标志球的二维坐标进行聚类分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系。
在第一方面的一种实现方式中，根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系包括：根据所述第一交比和所述第二交比确定所述组别与所述棱边之间的匹配关系；根据所述组别与所述棱边之间的匹配关系确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系。
在第一方面的一种实现方式中，对于一所述组别，若该组别对应的所述第二交比与一所述棱边对应的第一交比相同，则确定该组别与该棱边之间具有匹配关系。
在第一方面的一种实现方式中，所述校准参数包括内参矩阵和/或外参矩阵。
在第一方面的一种实现方式中，根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数包括：根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系构建超定齐次方程组；获取所述超定齐次方程组的求解结果并对其进行非线性优化；根据所述超定齐次方程组的求解结果获取所述内参矩阵和/或所述外参矩阵。
在第一方面的一种实现方式中，所述标志球为金属标志球，各所述棱边均包含4个所述金属标志球。
第二方面，本申请实施例提供一种平板C臂校准装置，所述平板C臂校准装置包括：图像获取模块，用于获取目标图像，所述目标图像由平板C臂对校准工具拍摄得到，所述校准工具包括互不平行的若干条棱边，各所述棱边均包含多个标志球，各所述棱边对应的第一交比各不相同，其中所述棱边对应的所述第一交比是指所述棱边包含的所述标志球的三维坐标构成的交比；标志球分组模块，用于根据所述目标图像对所述标志球进行分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系；交比获取模块，用于获取各所述组别包含的所述标志球的二维坐标构成的交比作为各所述组别对应的第二交比；匹配关系获取模块，用于根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系；校准参数获取模块，用于根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请第一方面中任一项所述的平板C臂校准方法。
第四方面，本申请实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器，存储有一计算机程序；处理器，与所述存储器通信相连，调用所述计算机程序时执行本申请第一方面中任一项所述的平板C臂校准方法。
本申请实施例提供的平板C臂校准方法，能够根据校准工具的目标图像自动获取平板C臂的校准参数，从而实现对平板C臂的校准。该过程基本无需人工参与，也无需用户执行标志球中心定位、匹配标志球对应关系等操作，具有较高的效率和准确度。
此外，本申请一些实施例提供的平板C臂校准方法，利用交比不变性的原理来实现对平板C臂的校准。因此，该方法能够精准快速地匹配标志球，并能够在标志球遮挡、标志球缺失等意外情况时感知哪些标志球的信息无法获取。根据信息缺失程度，该平板C臂校准方法可以利用获取到的有限信息进行校准计算，也可以对用户进行提醒，自动判断根据当前目标图像进行校准是否可靠、是否需要重新采集图像，大大提升了复杂场景下的校准算法的自动化水平和鲁棒性程度。
附图说明
图1显示为本申请实施例提供的平板C臂校准方法的一种应用场景示意图。
图2显示为本申请实施例提供的平板C臂校准方法的流程图。
图3显示为本申请实施例中对标志球进行分组的流程图。
图4显示为本申请实施例中获取坐标匹配关系的流程图。
图5显示为本申请实施例中获取内参矩阵和/或外参矩阵的流程图。
图6显示为本申请实施例提供的平板C臂校准装置的结构示意图。
图7显示为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。
元件标号说明
6 平板C臂校准装置
61 图像获取模块
62 标志球分组模块
63 交比获取模块
64 匹配关系获取模块
65 校准参数获取模块
7 电子设备
71 存储器
72 处理器
73 显示器
S21～S25 步骤
S31～S32 步骤
S41～S42 步骤
S51～S53 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
平板C臂是一种常见的医学成像设备，在外科临床手术中具有广泛的应用。以骨科手术中的术中导航为例，医生需要结合患者的术前图像并参考平板C臂获得的X光图像，通过想象恢复患者体内的解剖结构，从而引导手术操作。然而，如果想要获得准确地空间信息进而进行精准的术中导航，必须对X光投影成像进行精确地量化，这依赖于对平板C臂的精确校准。
在一些技术方案中，平板C臂通常基于特制的校准工具或者双平面校准方法进行校准参数的求解。然而，这些技术方案的自动化水平较低，且鲁棒性较差。在术中复杂的成像环境中，标志球的自动识别定位、二维与三维坐标的匹配、标志球遮挡、标志球缺失等问题，都有可能导致这些方案的校准方法失效。此时医生必须通过手动标注或者修改才能完成平板C臂的校准工作，效率较低，且可能存在因医生主观错误导致的误差。
至少针对上述问题，本申请一实施例提供一种平板C臂校准方法。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。
图1显示为本申请实施例提供的平板C臂校准方法的应用场景示意图。如图1所示，该应用场景中包含校准工具、平板C臂以及与平板C臂通信相连的电子设备。
校准工具包括空间中互相不平行的若干条棱边。每一条棱边均设置有能够在平板C臂影像中清晰显影的多个标志球。校准工具包含的各标志球的三维坐标在校准开始之前即可得到。每一条棱边均对应一第一交比，第一交比是指棱边包含的标志球的三维坐标构成的交比。
在一些可能的实现方式中，标志球可以为金属标志球，每条棱边可以包含四个金属标志球，但本申请并不以此为限。
在一些可能的实现方式中，标志球的三维坐标是指标志球的中心点的三维坐标，但本申请并不以此为限。
平板C臂是一种能够采集医学影像的设备，由一个平板和一个C型臂组成。C型臂可以在平板上移动，并且可以在不同的角度下进行旋转。在一些实施例中，平板C臂可用于采集目标对象的X影像。这些实施例中，平板C臂由X射线管和平板探测器组成。X射线管用于向目标对象发射X射线，平板探测器用于接收X射线并将其转换成数字图像。这些数字图像可以实时传输到显示器上，以便医生实时观察手术区域的内部情况。
电子设备包括存储器、处理器和显示器。需要说明的是，本申请不对电子设备的类型做任何限制。例如，电子设备可以为台式计算机、笔记本计算机、手持式通信设备、手持式计算设备等。
存储器可以包括易失性存储器(Volatile Memory)，例如随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、高速缓存cache。存储器也可以包括非易失性存储器(Non-VolatileMemory)，例如只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)。存储器可用于存储平板C臂所采集的图像等数据。此外，存储器还可用于存储程序指令，以供处理器调用并执行本申请描述的平板C臂校准方法的至少一部分。
处理器可以是能够处理电子指令的任何类型的装置。本申请实施例中电子设备可包括一个或者多个处理器，例如包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)和神经网络处理器(Neural-network Processing Unit，NPU)中的一个或两个。此外，还可以包括图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)、微处理器、微控制器、主处理器、控制器以及ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)等中的一个或多个。处理器被配置为执行各种类型的数字存储指令，例如存储在存储器中的软件或者固件程序，它能使电子设备提供多种服务。例如，处理器能够执行程序或者处理数据，以执行本申请实施例提供的平板C臂校准方法的至少一部分。
显示器具体可包括显示屏(显示面板)。在一些实现方式中，可以采用液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等形式来配置显示面板。此外，显示器还可以是触控面板(触摸屏、触控屏)，触控面板可包括显示屏和触敏表面。当触敏表面检测到在其上或附近的触摸操作后，传送给处理器以确定触摸事件的类型，随后处理器根据触摸事件的类型在显示器上提供相应的视觉输出。
图2显示为本申请实施例提供的平板C臂校准方法的流程图，该平板C臂校准方法例如可应用于图1所示的电子设备。如图2所示，本申请实施例提供的平板C臂校准方法包括以下步骤S21至S25。
S21，获取目标图像，目标图像由平板C臂对校准工具拍摄得到。具体地，可以控制平板C臂在任意视角下获取校准工具的一副图像作为目标图像。
S22，根据目标图像对标志球进行分组以得到多个组别，每个组别包含多个标志球，且各组别包含的标志球实质上具有共线关系。例如，对于一组别A，其中包含标志球a1，a2，a3和a4。a1，a2，a3和a4实质上具有共线关系是指a1，a2，a3和a4位于同一条直线上，或者近似位于同一条直线上。
S23，获取各组别包含的标志球的二维坐标构成的交比作为各组别对应的第二交比。
在一些可能的实现方式中，标志球的二维坐标可以为标志球的中心点的二维坐标，但本申请并不以此为限。
S24，根据第一交比和第二交比确定标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系。例如，对于棱边L上的标志球b1，b2，b3和b4，根据b1，b2，b3和b4的三维坐标得到的交比为CR_b。标志球b1，b2，b3和b4在图像中对应的点分别为b1’，b2’，b3’和b4’，根据b1’，b2’，b3’和b4’的二维坐标得到的交比为CR_b’。则根据交比不变性远离，CR_b与CR_b’应当相等或近似相等。据此，可以确定标志球的二维坐标和三维坐标之间的匹配关系。
S25，根据标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取平板C臂的校准参数。
图3显示为本申请实施例中根据目标图像对标志球进行分组以使各组别包含的标志球实质上具有共线关系的流程图。如图3所示，本申请实施例中根据目标图像对标志球进行分组包括以下步骤S31和S32。
S31，根据目标图像获取标志球的二维坐标。具体地，本申请实施例中可以利用检测算法在目标图像中自动检测所有的标志球，进而计算出每个标志球在图像上的二维坐标。其中，检测算法例如可以为图像分割算法、目标检测算法、Hough变换算法等各种圆形物体检测，但本申请并不以此为限。
S32，根据标志球的二维坐标进行聚类分组，以使各组别包含的标志球实质上具有共线关系。具体地，校准工具每条棱边所包含的标志球的球心在三维空间内共线，因而同一条棱边包含的标志球投影到目标图像平面后的二维坐标仍然具有共线关系。因此，于步骤S32中可以根据共线关系对所有标志球的二维坐标进行聚类分组以得到多个组别，使得每个组别包含的标志球在同一条直线上。由此得到的组别与棱边之间存在一一对应关系。
图4显示为本申请实施例中根据第一交比和第二交比确定标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系的流程图。如图4所示，本申请实施例中确定标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系包括以下步骤S41和S42。
S41，根据第一交比和第二交比确定组别与棱边之间的匹配关系。具体地，各组别包含的标志球均属于同一条棱边，各组别包含的标志球的二维坐标构成的交比(也即，第二交比)与其对应棱边包含的标志球的三维坐标构成的交比(也即，第一交比)应当相等或者近似相等。基于该关系，于步骤S41中可以根据第一交比和第二交比确定组别与棱边之间的匹配关系。
S42，根据组别与棱边之间的匹配关系确定标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系。
接下来将通过一个具体实例对第一交比和第二交比的计算方式进行介绍。为便于说明，以校准工具包含M条棱边，每条棱边包含4个标志球为例，第一交比可以通过以下式1得到，第二交比可以通过以下式2得到。
其中，pij＝(xij,yij,zij)表示第i条棱边的第j个标志球的三维坐标，Ci为第i条棱边对应的第一交比，也即，{pi1,pi2,pi3,pi4}构成的交比。qij＝(uij,vij)表示第i个组别中第j个标志球的二维坐标，为第m个组别对应的第二交比，也即，{qm1,qm2,qm3,qm4}构成的交比。||||表示距离运算，例如，||pi3-pi1||表示pi3与pi1之间的距离。此外，于上述各式中，i∈[1,M]，j∈[1,4]。
由于投影过程具有交比不变性，本申请实施例中可以通过Ci和的一致性构建目标图像二维坐标与校准工具中标志球中心三维坐标的匹配关系，记作{qij＝(uij,vij),pij＝(xij,yij,zij)}。
需要说明的是，上述以每条棱边包含4个标志球为例对第一交比和第二交比的获取过程进行介绍，但本申请并不以此为限。
于本申请的一实施例中，对于一组别B，若该组别B对应的第二交比与棱边C对应的第一交比相同，则确定组别B与棱边C之间具有匹配关系。
于本申请的一实施例中，校准参数包括内参矩阵和/或外参矩阵。内参矩阵是平板C臂的内部参数矩阵，用于描述平板C臂的内部特性，例如焦距、主点位置和像素大小等。外参矩阵是平板C臂的外部参数矩阵，用于描述平板C臂的外部特征，也即，平板C臂在三维空间中的位置和方向。
在一些可能的实现方式中，外参矩阵包括旋转矩阵和平移向量。
在一些可能的实现方式中，可以对目标图像中的二维坐标和三维坐标匹配关系，利用直接线性变换求解获取目标图像的相机内参矩阵和/或外参矩阵。
图5显示为本申请实施例中根据标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取平板C臂的校准参数的流程图。如图5所示，本申请实施例中获取平板C臂的校准参数包括以下步骤S51至S53。
S51，根据标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系构建超定齐次方程组。具体地，以校准工具包含M条棱边，每条棱边包含4个标志球为例，标志球在目标图像中的二维坐标为qij＝(uij,vij)，标志球在三维空间中的三维坐标为pij＝(xij,yij,zij)，二者共构成4M组坐标匹配关系，每一组匹配关系可以写作其中矩阵/>为待求解矩阵。为了求解W，可以根据标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系构建如下式3所示的超定齐次方程组。
Aw＝0，式3。
其中，矩阵A和w可以分别采用以下式4和式5表示。w与矩阵W包含的元素相同，求解得到w之后即可进一步得到矩阵W。
w＝[w11 w12 w13 w14 w21 w22 w23 w24 w31 w32 w33 w34]T，式5。
S52，获取超定齐次方程组的求解结果并对其进行非线性优化。具体地，于步骤S52中可以对矩阵A进行奇异值分解A＝UDVT，之后即可通过下式6得到式3的求解结果
在一些可能的实现方式中，可以通过下式7构建优化方程，以作为最优化问题的初始值，利用Levernberg-marquardt最优化算法迭代求解，即可得到非线性优化之后的求解结果/>
S53，根据超定齐次方程组的求解结果获取内参矩阵和/或外参矩阵。具体地，将优化后的求解结果代入矩阵W后，其前三列构成矩阵WR＝KR。对(WR)-1＝R-1K1-进行QR分解计算得到正交矩阵R-1和上三角矩阵K-1，进而通过求逆得到内参矩阵K与外参矩阵T中的旋转矩阵R。进一步地，基于W第四列的列向量wτ计算外参矩阵T中的平移向量t＝K-1wτ。
本申请实施例提供的平板C臂校准方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本申请的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本申请的保护范围内。
本申请一实施例还提供一种平板C臂校准装置。平板C臂校准装置可以实现本申请实施例提供的平板C臂校准方法，但本申请实施例提供的平板C臂校准方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的平板C臂校准装置的结构，凡是根据本申请的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本申请的保护范围内。
图6显示为本申请实施例中平板C臂校准装置6的结构示意图。如图6所示，平板C臂校准装置6包括图像获取模块61，标志球分组模块62，交比获取模块63，匹配关系获取模块64以及校准参数获取模块65。其中，图像获取模块61用于获取目标图像。标志球分组模块62用于根据目标图像对标志球进行分组，以使各组别包含的标志球实质上具有共线关系。交比获取模块63用于获取各组别包含的标志球的二维坐标构成的交比作为各组别对应的第二交比。匹配关系获取模块64用于根据第一交比和第二交比确定标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系。校准参数获取模块65用于根据标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取平板C臂的校准参数。
需要说明的是，平板C臂校准装置6包含的各模块与图2所示平板C臂校准方法的步骤S21至S25一一对应，此处不做过多赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置或方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如，模块/单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或单元可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块/单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块/单元显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块/单元来实现本申请实施例的目的。例如，在本申请各个实施例中的各功能模块/单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块/单元单独物理存在，也可以两个或两个以上模块/单元集成在一个模块/单元中。
本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。该计算机程序被处理器执行时实现本申请任一实施例提供的平板C臂校准方法。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(magnetic tape)，软盘(floppy disk)，光盘(optical disc)及其任意组合。上述存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如固态硬盘(solidstate disk，SSD))等。
本申请一实施例还提供一种电子设备。图7显示为本申请实施例中电子设备7的结构示意图。如图7所示，本实施例中电子设备7包括存储器71和处理器72。
存储器71用于存储计算机程序。在一些可能的实现方式中，存储器71可以包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
处理器72与存储器71相连，用于执行存储器71存储的计算机程序，以使电子设备7执行本申请任一实施例提供的平板C臂校准方法。
在一些可能的实现方式中，本申请实施例提供的电子设备7还可以包括显示器73。显示器73与存储器71和处理器72通信相连，用于显示平板C臂校准方法的相关图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)。
综上所述，本申请实施例提供的平板C臂校准方法，从任意视角获取校准工具的一幅目标图像，通过自动检测目标图像中的标志球来获取标志球在目标图像中的二维坐标，并利用投影过程中的交比不变性自动构建每个二维坐标与每一个校准工具标志球的匹配关系。基于此，该平板C臂校准方法能够利用直接线性变换来求解相机内参矩阵和外参矩阵。因此。本申请实施例提供的平板C臂校准方法能够实现全自动的平板C臂校准，具有较高的准确性和鲁棒性。
此外，本申请一些实施例中还提供一种校准工具。校准工具包括互不平行的若干条棱边，各棱边均包含多个标志球，各棱边对应的第一交比各不相同，其中棱边对应的第一交比是指棱边包含的标志球的三维坐标构成的交比。通过此种校准工具能够快速准确地完成对平板C臂的校准。
因此，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种平板C臂校准方法，其特征在于，所述平板C臂校准方法包括：
获取目标图像，所述目标图像由平板C臂对校准工具拍摄得到，所述校准工具包括互不平行的若干条棱边，各所述棱边均包含多个标志球，各所述棱边对应的第一交比各不相同，其中所述棱边对应的所述第一交比是指所述棱边包含的所述标志球的三维坐标构成的交比；
根据所述目标图像对所述标志球进行分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系；
获取各所述组别包含的所述标志球的二维坐标构成的交比作为各所述组别对应的第二交比；
根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系；
根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数。
2.根据权利要求1所述的平板C臂校准方法，其特征在于，根据所述目标图像对所述标志球进行分组以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系包括：
根据所述目标图像获取所述标志球的二维坐标；
根据所述标志球的二维坐标进行聚类分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系。
3.根据权利要求1所述的平板C臂校准方法，其特征在于，根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系包括：
根据所述第一交比和所述第二交比确定所述组别与所述棱边之间的匹配关系；
根据所述组别与所述棱边之间的匹配关系确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系。
4.根据权利要求3所述的平板C臂校准方法，其特征在于，对于一所述组别，若该组别对应的所述第二交比与一所述棱边对应的第一交比相同，则确定该组别与该棱边之间具有匹配关系。
5.根据权利要求1所述的平板C臂校准方法，其特征在于，所述校准参数包括内参矩阵和/或外参矩阵。
6.根据权利要求5所述的平板C臂校准方法，其特征在于，根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数包括：
根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系构建超定齐次方程组；
获取所述超定齐次方程组的求解结果并对其进行非线性优化；
根据所述超定齐次方程组的求解结果获取所述内参矩阵和/或所述外参矩阵。
7.根据权利要求1所述的平板C臂校准方法，其特征在于，所述标志球为金属标志球，各所述棱边均包含4个所述金属标志球。
8.一种平板C臂校准装置，其特征在于，所述平板C臂校准装置包括：
图像获取模块，用于获取目标图像，所述目标图像由平板C臂对校准工具拍摄得到，所述校准工具包括互不平行的若干条棱边，各所述棱边均包含多个标志球，各所述棱边对应的第一交比各不相同，其中所述棱边对应的所述第一交比是指所述棱边包含的所述标志球的三维坐标构成的交比；
标志球分组模块，用于根据所述目标图像对所述标志球进行分组，以使各组别包含的所述标志球实质上具有共线关系；
交比获取模块，用于获取各所述组别包含的所述标志球的二维坐标构成的交比作为各所述组别对应的第二交比；
匹配关系获取模块，用于根据所述第一交比和所述第二交比确定所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系；
校准参数获取模块，用于根据所述标志球的二维坐标与三维坐标之间的匹配关系获取所述平板C臂的校准参数。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的平板C臂校准方法。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
存储器，存储有一计算机程序；
处理器，与所述存储器通信相连，调用所述计算机程序时执行权利要求1至7中任一项所述的平板C臂校准方法。
CN202310431774.9A 2023-04-20 2023-04-20 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备 Pending CN116458904A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310431774.9A CN116458904A (zh) 2023-04-20 2023-04-20 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310431774.9A CN116458904A (zh) 2023-04-20 2023-04-20 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116458904A true CN116458904A (zh) 2023-07-21

Family

ID=87176692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310431774.9A Pending CN116458904A (zh) 2023-04-20 2023-04-20 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116458904A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117086885A (zh) * 2023-10-18 2023-11-21 深圳市信润富联数字科技有限公司 机械臂位置的校准方法及装置、存储介质、电子装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117086885A (zh) * 2023-10-18 2023-11-21 深圳市信润富联数字科技有限公司 机械臂位置的校准方法及装置、存储介质、电子装置
CN117086885B (zh) * 2023-10-18 2024-02-02 深圳市信润富联数字科技有限公司 机械臂位置的校准方法及装置、存储介质、电子装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11237627B2 (en) Alignment of medical images in augmented reality displays
US20080063304A1 (en) Calibration of radiographic images
US12016633B2 (en) Alignment of medical images in augmented reality displays
US20170103505A1 (en) Identification and Registration of Multi-marker Jig
CN116458904A (zh) 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备
US10078906B2 (en) Device and method for image registration, and non-transitory recording medium
Yang et al. Vision-based endoscope tracking for 3D ultrasound image-guided surgical navigation
Morgan et al. Hand-eye calibration for surgical cameras: a procrustean perspective-n-point solution
Haliburton et al. A visual odometry base-tracking system for intraoperative C-arm guidance
CN116258752A (zh) 配准方法、配准装置、电子设备和计算机可读存储介质
CN113143459A (zh) 腹腔镜增强现实手术导航方法、装置及电子设备
CN113262048B (zh) 空间配准方法、装置、终端设备及术中导航系统
Vijayan et al. Automatic trajectory and instrument planning for robot-assisted spine surgery
Wei et al. Multi-camera AR navigation system for CT-guided needle insertion task
US10699409B2 (en) Removing ghost markers from a measured set of medical markers
TWI839311B (zh) 手術三維即時定位補償方法
US20240207012A1 (en) Operation image positioning method and system thereof
CN111110348B (zh) 定位方法、定位装置、定位系统及计算机可读存储介质
CN113674333A (zh) 标定参数的精度验证方法、介质及电子设备
US20230169696A1 (en) Transfer of Alignment Accuracy Between Visible Markers Used with Augmented Reality Displays
CN115409835A (zh) 三维成像方法、装置、电子设备、系统和可读存储介质
CN116687585A (zh) 一种基于增强现实的关节手术辅助方法、设备及介质
CN116246005A (zh) 三维空间的标注方法、系统、电子设备及存储介质
WO2023034620A1 (en) Two-dimensional image registration methods and systems for three-dimensional object transformation
CN116898464A (zh) 球管旋转角度显示方法、装置、存储介质和dr系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination