CN117420215A - 一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法与标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法及装置，首先设计球形标定模型，超声探头采集球形标定模型的球心在二维超声图像坐标系中的位置x_i；通过坐标变换实现二维超声图像坐标系到三维世界坐标系的变换，获取球形标定模型的球心在三维世界坐标系中的坐标；经过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，根据六自由度传感器输出标定方程x_s；采用点集刚性配准算法中的经典算法ICP对标定方程x_s进行求解，得到标定变换矩阵，包括旋转矩阵和平移矩阵，从而获取标定关系。该方法及装置克服了传统标定算法需要直接检测点的超声像点时产生的伪影误差，提高了标定精度。

Description

一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法与标定装置

技术领域

本发明涉及图像处理技术融合技术领域，尤其涉及一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法与标定装置。

背景技术

目前心脑血管疾病的最佳治疗手段是微创介入手术，手术导航系统是介入手术能够实现精准治疗的重要保证，不仅可以为医生提供直观的术中信息反馈，同时可以起到提供手术导航路径规划、术中手术器械定位以及对手术全局进行监控的作用，但介入手术术中影像导航系统一般是以术中X光成像为主，存在辐射高，模态单一的问题，所以超声图像导航系统以价格低廉、无电离辐射和减少误操作的优点成为目前学研究的主要方向。整体的超声图像导航系统的关键技术主要包括：超声探头标定、术中超声影像分割、术中DSA影像分割和术前/术中3D点云配准，其中超声探头标定是确定超声图像与三维定位系统传感器之间的空间变换关系的过程，是超声引导介入手术、超声融合成像、徒手三维超声等应用中的基础技术环节。超声探头的标定是指通过在超声探头表面固定一个三维空间的位置感应器，通过一系列的二维到三维的对应点关系，经过最小二乘方法等迭代进行二维到三维转换关系的获取，获取到二维超声图像到三维世界坐标系的转换关系的过程。

利用标定模型对超声探头进行标定是整个导航系统中最为基础的环节，直接决定后续的手术导航精度。现有技术中常用的标定模型有N线模型、点模型、平面模型等。但由于超声图像质量较差且有伪影出现，使得对N线上的点或者对于点模型直接进行定位的精度都不高，有时候误差甚至达到十几个像素点。因此设计一种定位精度高、误差小、标定流程少、通用性强的超声探头标定方法和标定装置，对于提升超声引导介入手术的精度有质的飞跃，是现有技术中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法与标定装置，该方法及装置克服了传统标定算法需要直接检测点的超声像点时产生的伪影误差，提高了标定精度，具有标定精度高、导航精确和临床应用前景好的优点，适用于超声引导的介入手术导航系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法，所述方法包括：

步骤1、设计球形标定模型，超声探头采集球形标定模型的球心在二维超声图像坐标系中的位置x_i；

步骤2、通过坐标变换实现二维超声图像坐标系到三维世界坐标系的变换，获取球形标定模型的球心在三维世界坐标系中的坐标x_w；

步骤3、经过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，并输出标定方程x_s；

步骤4、采用点集刚性配准算法中的经典算法ICP对标定方程x_s进行求解，得到标定矩阵，包括旋转矩阵和平移向量，从而获取标定关系。

一种基于椭圆拟合的超声探头标定装置，所述装置包括Aurora电磁定位系统、圆盘型电磁定位传感器、针形电磁定位传感器、球形标定模型、超声探头移动框架和超声探头；

所述Aurora电磁定位系统包括电磁定位发射器、电磁定位接受传感器和系统主机，其中：所述电磁定位发射器用于发射电磁定位信号；所述电磁定位接受传感器用于接受所述电磁定位发射器发射的定位数据，并传送给所述系统主机；

所述圆盘型电磁定位传感器固定在所述超声探头上，用于追踪所述超声探头的三维位置和姿态；

所述球形标定模型具有一个直达球心的锥形孔，以针形电磁定位传感器测量球心的世界坐标，通过平面约束使超声探头超声成像平面正好通过球心处，进而球形标定模型在超声设备中的成像是一个圆形，通过椭圆检测算法获取超声图像中球形标定模型截面所形成的圆形的圆心；

所述超声探头移动框架用于对所述超声探头及球形标定模型的相对位置关系进行约束。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法及装置克服了传统标定算法需要直接检测点的超声像点时产生的伪影误差，提高了标定精度，具有标定精度高、导航精确和临床应用前景好的优点，适用于超声引导的介入手术导航系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于椭圆拟合的超声探头标定方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述基于椭圆拟合的超声探头标定装置的结构示意图；

图3为本发明实施中所述超声探头标定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的基于椭圆拟合的超声探头标定方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、设计球形标定模型，超声探头采集球形标定模型的球心在二维超声图像坐标系中的位置x_i；

在该步骤中，首先建立电磁定位系统坐标系，包括三维世界坐标系{W}、超声探头坐标系{S}及二维超声图像坐标系{I}；

设计一个球形标定模型，使该球形标定模型具有一个直达球心的锥形孔，通过平面约束使超声探头超声成像平面正好通过球心处，保证球形标定模型在超声设备中的成像是一个与球形标定模型直径相等的圆形；

在超声图像中检测出圆弧段，进而基于椭圆方程的拟合，得到所述球形标定模型的圆心点在二维超声图像坐标系{I}中的位置x_i。

具体实现中，可以将超声设备的成像深度控制在50mm-130mm以内确保成像精度。

步骤2、通过坐标变换实现二维超声图像坐标系到三维世界坐标系的变换，获取球形标定模型的球心在三维世界坐标系中的坐标x_w；

在该步骤中，根据坐标变换关系有：

x_w＝T_s→w·T_i→s·x_i#

T_s→w表示超声探头坐标系{S}到世界坐标系{W}的坐标变换矩阵；T_i→s获表示从二维超声图像坐标系{I}到超声探头坐标系{S}的坐标变换矩阵；

具体是在超声探头上固定一个六自由度电磁定位传感器，利用该电磁定位传感器追踪超声探头的三维位置和姿态，得到超声探头坐标系{S}到世界坐标系{W}的坐标变换矩阵T_s→w；

六自由度电磁定位传感器输出数据为三维位置(x,y,z)和以四元数(q₀,q₁,q₂,q₃)表示的姿态，由此得到T_s→w计算公式如下：

T_i→s是需要得到的标定矩阵；

利用球形标定模型上的锥形孔对五自由度针形电磁定位传感器进行定位，保证五自由度针形电磁定位传感器能到达球形标定模型的球心，然后采用五自由度针形电磁定位传感器测量球形标定模型的球心在三维世界坐标系{W}中的三维坐标x_w。

步骤3、经过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，并输出标定方程x_s；

在该步骤中，根据坐标变换关系得到标定方程x_s表示为：

x_s＝T_w→s·x_w

T_w→s为三维世界坐标系{W}到超声探头坐标系{S}的坐标变换矩阵；

将上式带入到x_i到x_w的坐标变换，得到标定方程x_s为：

x_s＝T_i→s·x_i＝R_i→s·x_i+t_i→s

其中R_i→s为二维超声图像坐标系{I}到超声探头坐标系{S}的旋转矩阵；t_i→s为二维超声图像坐标系{I}到超声探头坐标系{S}的平移向量。

步骤4、采用点集刚性配准算法中的经典算法ICP对标定方程进行求解，得到标定矩阵，包括旋转矩阵和平移向量，从而获取标定关系。

在该步骤中，通过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，记所取得的点对组数为M，分别求取包含M个x_i与x_w点的两个点集的质心和/>表示为：

构造和/>的协方差矩阵χ，表示为：

由协方差矩阵χ构造矩阵ξ，表示为：

其中tr(χ)是χ的迹；I₃是3×3的单位矩阵；Δ＝(a₂₃,a₃₁,a₁₂)^T，a_ij＝(χ-χ^T)_ij；

计算矩阵ξ的特征值和特征向量，其中最大特征值所对应的特征向量(w,x,y,z)就表示旋转矩阵R_i→s的四元数，则旋转矩阵R_i→s表示为：

根据所求得的旋转矩阵R_i→s，求解平移矩阵t_i→s，表示为：

根据所得到的旋转矩阵R_i→s和平移矩阵t_i→s获取超声探头的标定关系T_i→s；T_i→s表示球形标定模型的球心在二维超声图像坐标系{I}中的像素坐标到超声探头坐标系{S}的转换矩阵。

具体实现中，采用点集刚性配准算法中的经典算法ICP代替最小二乘法，既可以从实际意义出发解决刚性配准问题，又可以简化计算，避免多次迭代。

基于上述的标定方法，本发明实施例还提供了一种基于椭圆拟合的超声探头标定装置，如图2所示为本发明实施例所述装置的结构示意图，所述装置包括Aurora电磁定位系统、圆盘型电磁定位传感器、针形电磁定位传感器、球形标定模型、超声探头移动框架和超声探头；

所述Aurora电磁定位系统包括电磁定位发射器、电磁定位接受传感器和系统主机，其中：所述电磁定位发射器用于发射电磁定位信号；所述电磁定位接受传感器用于接受所述电磁定位发射器发射的定位数据，并传送给所述系统主机；

所述圆盘型电磁定位传感器固定在所述超声探头上，用于追踪所述超声探头的三维位置和姿态；

所述球形标定模型具有一个直达球心的锥形孔，以针形电磁定位传感器测量球心的世界坐标，通过平面约束使超声探头超声成像平面正好通过球心处，进而球形标定模型在超声设备中的成像是一个圆形，通过椭圆检测算法获取超声图像中球形标定模型截面所形成的圆形的圆心；

所述超声探头移动框架用于对所述超声探头及球形标定模型的相对位置关系进行约束。

上述装置各部分的具体实现过程见上述方法实施例所述。

具体实现中，如图3所示为本发明实施中所述超声探头标定装置的结构示意图，所述超声探头标定装置包括水槽5、超声探头移动框架6、定位孔7、超声探头多级移动滑槽8、圆盘型电磁定位传感器9、超声探头固定滑块11、球形标定模型12、锥形定位孔13、定位阶梯轴14和针形电磁定位传感器15，其中：

所述水槽5的规格为45cm×45cm×45cm，里面盛有成像液或清水；

所述超声探头移动框架6位于所述水槽5内，在超声探头移动框架6两长边所在的侧面，即z方向上设计有若干对定位孔7，超声探头多级移动滑槽8位于所述超声探头移动框架6的短边所在侧面；通过所述超声探头固定滑块11固定超声探头10，使超声探头10在所述超声探头多级移动滑槽8中进行x以及y方向上的移动；同时球形标定模型12沿z方向进行移动，实现球形标定模型12在同一超声成像平面中的多次成像；

所述圆盘型电磁定位传感器9通过胶合剂固定于超声探头10上，超声探头10嵌于所述超声探头多级移动滑槽8内；所述超声探头固定滑块11通过紧固螺钉安装在所述超声探头多级移动滑槽8的上表面；

球形标定模型12与两个定位阶梯轴14固连，锥形定位孔13位于所述球形标定模型12上，锥形孔底部位于所述球形标定模型12的球心，并与所述超声探头10位于同一平面上；

其中，利用所述超声探头移动框架6使超声探头10超声成像平面正好通过球心处，进而球形标定模型12在超声设备中的成像是一个圆形，通过椭圆拟合检测出弧段，进而基于椭圆方程的拟合得到所述球形标定模型12的圆心点在二维超声图像坐标系{I}中的位置x_i。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于椭圆拟合的超声探头标定方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、设计球形标定模型，超声探头采集球形标定模型的球心在二维超声图像坐标系中的位置x_i；

步骤2、通过坐标变换实现二维超声图像坐标系到三维世界坐标系的变换，获取球形标定模型的球心在三维世界坐标系中的坐标x_w；

步骤3、经过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，并输出标定方程x_s；

步骤4、采用点集刚性配准算法中的经典算法ICP对标定方程x_s进行求解，得到标定矩阵，包括旋转矩阵和平移向量，从而获取标定关系。

2.根据权利要求1所述基于椭圆拟合的超声探头标定方法，其特征在于，在步骤1中，首先建立电磁定位系统坐标系，包括三维世界坐标系{W}、超声探头坐标系{S}及二维超声图像坐标系{I}；

设计一个球形标定模型，使该球形标定模型具有一个直达球心的锥形孔，通过平面约束使超声探头超声成像平面正好通过球心处，保证球形标定模型在超声设备中的成像是一个与球形标定模型直径相等的圆形；

在超声图像中检测出圆弧段，进而基于椭圆方程的拟合，得到所述球形标定模型的圆心点在二维超声图像坐标系{I}中的位置x_i。

3.根据权利要求2所述基于椭圆拟合的超声探头标定方法，其特征在于，在步骤2中，根据坐标变换关系有：

x_w＝T_s→w·T_i→s·x_i#

T_s→w表示超声探头坐标系{S}到世界坐标系{W}的坐标变换矩阵；T_i→s获表示从二维超声图像坐标系{I}到超声探头坐标系{S}的坐标变换矩阵；

具体是在超声探头上固定一个六自由度电磁定位传感器，利用该电磁定位传感器追踪超声探头的三维位置和姿态，得到超声探头坐标系{S}到世界坐标系{W}的坐标变换矩阵T_s→w；

六自由度电磁定位传感器输出数据为三维位置(x,y,z)和以四元数(q₀,q₁,q₂,q₃)表示的姿态，由此得到T_s→w计算公式如下：

T_i→s是需要得到的标定矩阵；

利用球形标定模型上的锥形孔对五自由度针形电磁定位传感器进行定位，保证五自由度针形电磁定位传感器能到达球形标定模型的球心，然后采用五自由度针形电磁定位传感器测量球形标定模型的球心在三维世界坐标系{W}中的三维坐标x_w。

4.根据权利要求2所述基于椭圆拟合的超声探头标定方法，其特征在于，在步骤3中，经过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，根据坐标变换关系得到标定方程x_s表示为：

x_s＝T_w→s·x_w

T_w→s为三维世界坐标系{W}到超声探头坐标系{S}的坐标变换矩阵；

将上式带入到x_i到x_w的坐标变换，得到标定方程x_s为：

x_s＝T_i→s·x_i＝R_i→s·x_i+t_i→s

其中R_i→s为二维超声图像坐标系{I}到超声探头坐标系{S}的旋转矩阵；t_i→s为二维超声图像坐标系{I}到超声探头坐标系{S}的平移向量。

5.根据权利要求4所述基于椭圆拟合的超声探头标定方法，其特征在于，在步骤4中，通过多次测量，得到多组x_i与x_w点对，记所取得的点对组数为M，分别求取包含M个x_i与x_w点的两个点集的质心和/>表示为：

构造和/>的协方差矩阵χ，表示为：

由协方差矩阵χ构造矩阵ξ，表示为：

其中tr(χ)是χ的迹；I₃是3×3的单位矩阵；Δ＝(a₂₃,a₃₁,a₁₂)^T，a_ij＝(χ-χ^T)_ij；

计算矩阵ξ的特征值和特征向量，其中最大特征值所对应的特征向量(w,x,y,z)就表示旋转矩阵R_i→s的四元数，则旋转矩阵R_i→s表示为：

根据所求得的旋转矩阵R_i→s，求解平移矩阵t_i→s，表示为：

根据所得到的旋转矩阵R_i→s和平移矩阵t_i→s获取超声探头的标定关系T_i→s；T_i→s表示球形标定模型的球心在二维超声图像坐标系{I}中的像素坐标到超声探头坐标系{S}的转换矩阵。

6.一种基于椭圆拟合的超声探头标定装置，其特征在于，所述装置包括Aurora电磁定位系统、圆盘型电磁定位传感器、针形电磁定位传感器、球形标定模型、超声探头移动框架和超声探头；

所述Aurora电磁定位系统包括电磁定位发射器、电磁定位接受传感器和系统主机，其中：所述电磁定位发射器用于发射电磁定位信号；所述电磁定位接受传感器用于接受所述电磁定位发射器发射的定位数据，并传送给所述系统主机；

所述圆盘型电磁定位传感器固定在所述超声探头上，用于追踪所述超声探头的三维位置和姿态；

所述球形标定模型具有一个直达球心的锥形孔，以针形电磁定位传感器测量球心的世界坐标，通过平面约束使超声探头超声成像平面正好通过球心处，进而球形标定模型在超声设备中的成像是一个圆形，通过椭圆检测算法获取超声图像中球形标定模型截面所形成的圆形的圆心；

所述超声探头移动框架用于对所述超声探头及球形标定模型的相对位置关系进行约束。

7.如权利要求6所述的超声探头标定装置，其特征在于，所述超声探头标定装置具体包括水槽、超声探头移动框架、定位孔、超声探头多级移动滑槽、圆盘型电磁定位传感器、超声探头固定滑块、球形标定模型、锥形定位孔、定位阶梯轴和针形电磁定位传感器，其中：

所述水槽的规格为45cm×45cm×45cm，里面盛有成像液或清水；

所述超声探头移动框架位于所述水槽内，在超声探头移动框架两长边所在的侧面，即z方向上设计有若干对定位孔，超声探头多级移动滑槽位于所述超声探头移动框架的短边所在侧面；通过所述超声探头固定滑块固定超声探头，使超声探头在所述超声探头多级移动滑槽中进行x以及y方向上的移动；同时球形标定模型沿z方向进行移动，实现球形标定模型在同一超声成像平面中的多次成像；

所述圆盘型电磁定位传感器通过胶合剂固定于超声探头上，超声探头嵌于所述超声探头多级移动滑槽内；所述超声探头固定滑块通过紧固螺钉安装在所述超声探头多级移动滑槽的上表面；

球形标定模型与两个定位阶梯轴固连，锥形定位孔位于所述球形标定模型上，锥形孔底部位于所述球形标定模型的球心，并与所述超声探头位于同一平面上；

其中，利用所述超声探头移动框架使超声探头超声成像平面正好通过球心处，球形标定模型在超声设备中的成像是一个圆形，通过椭圆拟合检测出弧段，进而基于椭圆方程的拟合得到所述球形标定模型的圆心点在二维超声图像坐标系{I}中的位置x_i。