专利名称：一种脑电电极空间定位系统和定位方法
技术领域：
本发明属于脑电信号测量技术领域，特别涉及一种基于单目视觉的脑电电极空间定位系统和定位方法。
背景技术：
在脑电信号测量、分析以及脑电信号源定位过程中，脑电电极在三维空间的位置是影响源定位精度的关键数据。目前，已有的脑电电极定位方法主要有包括手动测量、电磁定位系统测量、超声定位系统测量以及摄影测量。其中，(I)手动测量主要是利用各种测量设备，如尺、电子测距仪实现，该方式是目前大多数医院采用的测量方法，由于手动测量每次只能测量一个电极的空间位置，因此定位精度低(平均位置误差在4-10_左右)、耗时长、可重复性差；(2)基于电磁定位和超声测距的系统均采用特定的发射、接收装置实现电极定位，不同的是电磁定位系统是根据电磁传播测定物体位置和方向，而超声定位是根据声波传播测定物体位置和方向。两种方法均需要逐点测量电极位置，耗时较长。同时，金属材料的存在会造成发射磁场的畸变，环境温度的改变会影响声波传输，因此两种方法的测量过程易受环境变化干扰，可重复性差、定位精度低(平均位置误差在3-5_左右)，同时测量设备比较昂贵、难以普及；(3)基于摄影测量的电极定位方法分为多像机摄影测量和单像机摄影测量。基于多像机摄影测量的电极定位系统以测试者为中心放置11个像机，同时拍摄测试者头部电极图像，利用生成的多幅图像手动提取标志点2D坐标，根据多目视觉三维重建原理进行电极定位。目前该系统主要由美国EGI公司研发并在其脑电信号测量系统中使用，定位精度高但操作复杂、自动程度低、价格昂贵，且只能用于EGI公司生产的系统中，不适用于其他类型的电极；基于单像机摄影测量的电极定位系统只利用一个像机，但需要以测试者为中心通过旋转移动获取电极多个角度的图像。其测量原理与多像机电极定位系统在本质上相同，都是基于多目视觉或立体视觉三维重建原理进行电极定位。单相机摄影测量方法虽然造价低，但围绕测试者进行多角度图像拍摄的过程中很难保证测试者头部固定不动，系统精度可重复性较差。而且现有单像机摄影测量系统均是在塑料头模型上实现，在真实头模型上的测试精度尚不明确。同时，单像机摄影测量系统只有拍摄完所有图像才能计算脑电电极位置，一旦某一部分图像匹配失败或计算错误将导致整个定位过程的失效。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种脑电电极空间定位系统和定位方法，以克服现有技术在价格、自动性、可重复性和精度方面难以兼顾且只有拍摄完所有图像才能计算脑电电极位置的缺陷。(二)技术方案为了达到上述目的，本发明提供了一种脑电电极空间定位系统，所述系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在一个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标；所述辅助定位标志包括标识部和安装部；所述标识部包括一顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并 含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形；所述安装部连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。其中，所述标识部的圆柱为白色，嵌套矩形的颜色各不相同，相邻两个矩形的颜色具有明显的色差，每个矩形的颜色可为蓝、黑、红、橙、黄、绿、青、紫中的一种。其中，所述矩形为四个，从外到内分别为第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形；所述四个矩形的边彼此平行且相邻两边之间的距离大于1mm，第四矩形的长大于或等于3mm，宽大于或等于2mm ;所述第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形的中心与所述标识部圆心重合。其中，所述安装部为与所述标识部的圆柱同轴线的圆柱形定位销。其中，所述图像采集装置为相机，所述数据处理装置为计算机或DSP图像处理系统。本发明还提供了一种脑电电极空间定位方法，所述方法包括以下步骤A、将多个带有辅助定位标志的脑电电极安置在测试者头部；B、图像采集装置采集一幅包含多个辅助定位标志的图像；C、数据处理装置通过颜色聚类、区域形状约束提取所述辅助定位标志的边缘图像；D、所述数据处理装置对具有8邻域连接关系的边缘轮廓进行局部主元分析，获取每个像素局部范围的主方向和特征值，根据最小特征值阈值识别所述辅助定位标志中的直线结构，进而检测出矩形，并采用直线相交获取矩形顶点坐标；E、所述数据处理装置根据已知矩形的尺寸、矩形顶点坐标、所述图像采集装置的内部参数和所述辅助定位标志与脑电电极测量点之间的位置关系，建立共面四点在图像采集装置模型下的约束方程，依次获取每个脑电电极测量点在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标。其中，在所述步骤A之前，还包括输入不同角度的棋盘格图像完成所述图像采集装置的内部参数标定。其中，在所述步骤D中，具体包括利用最小特征值分析识别矩形中的直线结构，根据抗干扰能力较强的直线特征获取矩形顶点。其中，在所述步骤E之后，还包括以下步骤F、所述测试者以自身为中心旋转一定角度，并重复步骤B飞；G、多次重复步骤F，获取多个视角下的每一固定视角内脑电电极在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标；H、利用两幅图像中出现的颜色分布相同的辅助定位标志，通过坐标变换获取所述测试者头部所有区域内脑电电极在世界坐标系下的三维空间坐标。
(三)有益效果本发明采用了距离头皮有一定高度、颜色组合不同的嵌套矩形结构作为辅助定位标志，并利用矩形两边求交计算矩形顶点坐标的方法，在定位时避免了头发、电极连接线的干扰，因此具有较高的定位精度、稳定性和自动性。另外，本发明可以单独完成单一视角内脑电电极的定位，而采用图像采集装置固定，测试者运动的方法对整个头部区域内脑电电极进行定位的方法，避免了因头部晃动而弓I起的定位误差，因此本发明的脑电电极定位精度具有较好的可重复性。
图Ia是本发明实施例的辅助定位标志的主视图；图Ib是本发明实施例的辅助定位标志的俯视图；图2是本发明实施例的一种脑电电极空间定位方法的流程图； 图3是本发明实施例的脑电电极的位置分布图；图4是本发明实施例的脑电电极定位坐标系统的示意图；图5是本发明实施例的单幅图像脑电电极的空间定位方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明实施例的一种脑电电极空间定位系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在一个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标；本实施例中所述图像采集装置采用相机；本实施例中所述数据处理装置采用计算机。本实施例中所述辅助定位标志的结构如图Ia和图Ib所示，包括标识部I和安装部2 ;所述标识部I包括一顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形；所述安装部2连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。本实施例中，所述标识部I采用半径为8. 5mm,高为Imm的白色圆柱，圆柱体顶面从外到内依次喷涂彼此平行、且中心与底面圆心重合的四个矩形从外到内分别为第一矩形11、第二矩形12、第三矩形13和第四矩形14。第一矩形11、第二矩形12、第三矩形13和第四矩形14的边彼此平行且相邻两边之间的距离大于1mm，其中，第一矩形11的长为12mm、宽为IOmm,所述第二矩形12的长为9mm、宽为7mm,所述第三矩形13的长为7mm、宽为5mm,所述第四矩形14的长为5mm、宽为3mm,矩形的尺寸误差不超过O. 005mm。每个矩形的两条相邻边互相垂直(误差小于O. 01m)，每两个矩形严格平行(误差小于O. Olmm);矩形的颜色组合各不相同，用来代表脑电电极标号，其中最内层矩形颜色固定为蓝色，其它三个矩形的颜色从黑(0，O, O)、红(255，O, O)、橙(255，128，O)、黄(255，255，O)、绿(0，2550，O)、青(O, 255，255)、紫(255，O, 255) 7种颜色中任选三种进行排列。
所述安装部2是与所述标识部I的圆柱同轴线的圆柱形定位销，用于将辅助定位标志固定在脑电电极上。定位销的高度根据脑电电极种类的不同而不同。对于医院用的普通盐水电极，定位销高度为IOmm ;对于Neroscan系统配备的电极帽,定位销高度为5mm。本发明与传统的应用于多相机或单相机摄影测量的矩形或圆形定位标志不同之处在于，嵌套矩形及圆形底面的存在为相机外参自动标定提供了充分的约束条件，因此可以保证在头发、电极连接线和电极帽等多种复杂干扰背景下自动准确的识别出辅助定位标志，而多个矩形的存在也提供了更多的约束，使定位可以达到更高的精度。同时矩形颜色的不同排列组合为每个辅助定位标志提供了特定的标记，有利于测量过程中实现不同视角、同一区域内相同电极的识别，从而完成整个头部区域内脑电电极的定位。当采用含有如图Ia和图Ib所示的辅助定位标志的脑电电极空间定位系统时，本发明实施例的一种脑电电极空间定位方法如图2所示，包括以下步骤
步骤S201，输入不同角度的棋盘格图像完成所述图像采集装置的内部参数标定。本实施例中，利用Tsai两步法输入不同角度的棋盘格图像完成所述图像采集装置的内部参数标定。步骤s202，将多个带有辅助定位标志的脑电电极安置在测试者头部。本实施例中，脑电电极的位置分布如图3所示。步骤s203，图像采集装置采集一幅包含多个辅助定位标志的图像。本实施例中，测试者佩戴含有辅助定位标志的脑电电极，坐在可旋转的座椅上，将单个相机安装在测试者附近斜上方某一角度固定不动(相机位置调节以视频图像能够清晰看到测试者头部的辅助定位标志的边缘信息为准)，拍摄单张清晰图像作为输入。步骤S204，数据处理装置通过颜色聚类、区域形状约束提取所述辅助定位标志的边缘图像。本实施例中，由于所述辅助定位标志具有丰富的颜色信息和规则的几何形状，分别代表了不同的电极标号和矩形、圆形几何约束，因此不管测试者头部电极如何摆放、光照、头发以及电极连接线造成何种程度的干扰，都可以将图像转换到HIS空间，先利用聚类算法提取红色最近邻区域并结合矩形约束初步确定辅助定位标志的中心，然后进一步利用颜色组合识别出电极辅助定位标志的准确位置并标号(设最大标号为η)。最后根据辅助定位标志颜色的不同从单张输入图像中依据聚类算法识别辅助定位标志，并按次序标号。步骤s205，所述数据处理装置对具有8邻域连接关系的边缘轮廓进行局部主元分析，获取每个像素局部范围的主方向和特征值，根据最小特征值阈值识别所述辅助定位标志中的直线结构，进而检测出矩形，并采用直线相交获取矩形顶点坐标；其中，利用最小特征值分析识别矩形中的直线结构，根据抗干扰能力较强的直线特征获取矩形顶点。本实施例中，具体包括以标号为i(0〈i〈n+l)的辅助定位标志作为输入，采用Canny算子检测边缘和轮廓跟踪法，获取电极辅助定位标志中具有8-邻域连接关系的边缘，记为ei=[xn···XimIyil…yim]，(I ( i彡η)，其中η为同一辅助定位标志内具有8-邻域连接关系的边缘轮廓数目，m为第i条边缘轮廓上像素点的数目。根据最小特征根约束计算每一条轮廓中所包含的直线，只要轮廓包含2组近似平行且长度近似相同的直线，就认为其是矩形，并计算该矩形的四个顶点坐标(顶点排序为顺时针，起点为最长边所对应的顶点)。因为在相机内参和矩形尺寸精确已知的前提下，矩形顶点2D图像坐标的精度是影响电极定位精度的关键因素，所以，本发明采用先提取矩形中的直线，进而根据两直线相交计算矩形顶点的方法获取矩形顶点2D图像坐标，与传统的角点检测方法相比，基于直线特征计算矩形顶点不受遮挡的影响，能够达到亚像素级定位精度，稳定性和定位精度更高。下面着重说明从边缘轮廓中提取直线的算法针对任意边缘轮廓…yim], (I彡i彡η),首先设定9像素宽滑动窗口，依此提取ei上任意点t前后各4个像素组成子集eit=[xi(t_4)…xyxi(t+4) ;yi(t_4)…yit…yi(t+4)]，计算该子集的协方差矩阵，并求其最小特征根Xmin和主方向Θ ;待边缘轮廓上所有点9像素滑动窗口内的最小特征根和主方向计算完毕，取使得λ_>0. 25的点值为0，然后重新统计具有8-邻域连接关系的边缘，如果该连续边缘的最小特征根值小于O. 25，记为直线，并记录其主方向。步骤s206，所述数据处理装置根据已知矩形的尺寸、矩形顶点坐标、所述图像采集装置的内部参数和所述辅助定位标志与脑电电极测量点之间的位置关系，建立共面四点在图像采集装置模型下的约束方程，依次获取每个脑电电极测量点在图像采集装置坐标系下 的三维空间坐标。本实施例中，具体包括根据每个矩形顶点的2D图像坐标、矩形尺寸和相机内参，建立如图4所示坐标系，其中O" -X" Y" I"为辅助定位标志的空间坐标系，O-XYZ为相机坐标系，O-X' Y' Ζ’为电极坐标系，dA，dB，dc，dD分别为矩形四个顶点距相机光心的距离；并建立共面四点在相机模型下的约束方程，求解每个矩形中心在相机坐标系下的三维空间坐标，取辅助定位标志中所有矩形中心点三维坐标的均值作为该辅助定位标志在相机坐标系下的三维空间坐标。其中所述约束方程为
dA + dB2 — 2dAdB COS^ = Dab2
dB + dr ~ 2d dc cos = D ^,~< ，
dc‘ + dD — . D cos Θ⑶=Dd
βa + ~ 2dAdD cos Oad = Dad上述方程中cos Θ AB, COS Θ BC, COS Θ CD, cos Θ AD依矩形的图像坐标可求。然后根据辅助定位标志和脑电电极测量点之间的平移关系，将其转换为脑电电极在相机坐标系下的三维空间坐标，从而完成单个脑电电极的空间定位。最后对单幅图像内检测到的其它辅助定位标志，重复上述步骤，可获得单幅图像内所有电极在相机坐标系下的三维空间坐标。上述步骤S204 步骤s206为单幅图像脑电电极的空间定位，其具体的流程如图5所示。步骤s207，所述测试者以自身为中心旋转一定角度，并重复步骤s203 步骤s206。步骤s208，多次重复步骤s207，获取多个视角下的每一固定视角内脑电电极在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标。步骤s209，利用两幅图像中出现的颜色分布相同的辅助定位标志，通过坐标变换获取所述测试者头部所有区域内脑电电极在世界坐标系下的三维空间坐标。上述步骤s207 步骤s209为多幅图像脑电电极的空间定位，本实施例中具体包括测试者坐在椅子上以自身为中心旋转，每间隔30度停下来拍摄I幅头部清晰图像作为输入，直至旋转360度终止。依次计算每幅图像所包含的测试者头部不同区域内所有脑电电极在相机坐标系下的三维空间坐标。接下来根据每相邻两幅图像标号相同的辅助定位标志(至少3个)所对应的脑电电极在相机坐标系下的三维空间坐标，计算每相邻两幅图像之间的旋转平移矩阵RTi(i_D (2 < i < 12)。最后，根据递推关系推导每一幅图像相对于第一幅图像的旋转平移矩阵RTil (2 ( i ( 12)，并计算第i(i>l)张图像内的电极在第一幅图像所定义的摄像机坐标系下的三维空间坐标，依此完成测试者头部所有脑电电极的空间定位。本实施例中，采用的相机为Nikon D90单反相机，定焦拍摄，像素分辨率设置为2144X1424，图像设置为raw格式，为保证图像质量，在拍摄过程中要严格保证图像的清晰图；如果要定位测试者整个头部区域的脑电电极位置，测试者旋转时一定要保证每次相邻区域有3个以上的脑电电极同时出现在两幅图像中。另外需要说明的是，在进行整个头部区域的脑电电极定位方面，为提高受试者的舒适度，也可以采用可旋转和升降的电动座椅，这样就受试者就可以不必运动，通过自动控制座椅的旋转和升降获得头部不同区域的电极图像，从而使定位过程更加稳定、可靠。、
本实施例的单幅图像脑电电极定位位置误差可达到I. 6_以内。部分脑电电极之间的位置测量值如表I所示表I
脑电电极测量值(mm)真实值(mm) 误差(mm)
~\~254.642653. 18621.4564
~1~664. 762866.1578I. 395
~~112.0774110.4751.6024
2-691.836290. 3136I.5226 4-6 46.22849 47.8244 I.5959 4-2 46.21316 44. 5519 1.66126
3-10133. 16535132.7410.42435 7-10 58.0675 57.2997 O. 7678采用本发明的辅助定位标志可以实现高精度、高稳定、高可重复度的脑电电极定位，并且本发明采用单个相机进行定位，具有价格便宜的特点，在操作过程中，不受时间的影响，可以间隔完成不同区域的脑电电极定位，定位过程快速、准确。整个定位过程快速、易操作，在几分钟之内即可完成。本发明的数据处理装置也可以采用DSP图像处理系统。由以上实施例可以看出，本发明采用了距离头皮有一定高度、颜色组合不同的嵌套矩形结构作为辅助定位标志，并利用矩形两边求交计算矩形顶点坐标的方法，在定位时避免了头发、电极连接线的干扰，因此具有较高的定位精度、稳定性和自动性。另外，本发明可以单独完成单一视角内脑电电极的定位，而采用图像采集装置固定，测试者运动的方法对整个头部区域内脑电电极进行定位的方法，避免了因头部晃动而弓I起的定位误差，因此本发明的脑电电极定位精度具有较好的可重复性。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。·
权利要求
1.ー种脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在ー个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标； 所述辅助定位标志包括标识部和安装部； 所述标识部包括ー顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、顔色各不相同的嵌套的矩形； 所述安装部连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。
2.根据权利要求I所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述标识部的圆柱为白色，嵌套矩形的顔色各不相同。
3.根据权利要求I所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述矩形为四个，从外到内分别为第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形；所述四个矩形的边彼此平行且相邻两边之间的距离大于1mm，第四矩形的长大于或等于3mm，宽大于或等于2mm ;所述第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形的中心与所述标识部圆心重合。
4.根据权利要求I至3任一项所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述安装部为与所述标识部的圆柱同轴线的圆柱形定位销。
5.根据权利要求I至3任一项所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述图像采集装置为相机，所述数据处理装置为计算机或DSP图像处理系统。
6.ー种脑电电极空间定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 A、将多个带有辅助定位标志的脑电电极安置在测试者头部； B、图像采集装置采集一幅包含多个辅助定位标志的图像； C、数据处理装置通过颜色聚类、区域形状约束提取所述辅助定位标志的边缘图像； D、所述数据处理装置对具有8邻域连接关系的边缘轮廓进行局部主元分析，获取每个像素局部范围的主方向和特征值，根据最小特征值阈值识别所述辅助定位标志中的直线结构，进而检测出矩形，并采用直线相交获取矩形顶点坐标； E、所述数据处理装置根据已知矩形的尺寸、矩形顶点坐标、所述图像采集装置的内部參数和所述辅助定位标志与脑电电极测量点之间的位置关系，建立共面四点在图像采集装置模型下的约束方程，依次获取每个脑电电极测量点在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标。
7.根据权利要求6所述的脑电电极空间定位方法，其特征在于，在所述步骤A之前，还包括输入不同角度的棋盘格图像完成所述图像采集装置的内部參数标定。
8.根据权利要求6所述的脑电电极空间定位方法，其特征在于，在所述步骤D中，具体包括利用最小特征值分析识别矩形中的直线结构，根据抗干扰能力较强的直线特征获取矩形顶点。
9.根据权利要求6至8任ー项所述的脑电电极空间定位方法，其特征在于，在所述步骤E之后，还包括以下步骤 F、所述测试者以自身为中心旋转一定角度，并重复步骤Bi；G、多次重复步骤F，获取多个视角下的每ー固定视角内脑电电极在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标； H、利用两幅图像中出现的颜色分布相同的辅助定位标志，通过坐标变换获取所述测试者头部所有区域内脑电电极在世界坐标系下的 三维空间坐标。
全文摘要
本发明公开了一种脑电电极空间定位系统，包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置；辅助定位标志含有特征标志；特征标志包括互相平行、且中心与标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形。本发明还公开了一种脑电电极空间定位方法，首先采用距离头皮有一定高度、颜色组合不同的嵌套矩形结构作为辅助定位标志，利用矩形两边求交计算矩形顶点坐标，并根据P4P原理单独完成单一视角内脑电电极的定位，然后采用图像采集装置固定，测试者运动的方法对整个头部区域内脑电电极进行定位。本发明在定位时避免了头发、电极连接线的干扰，以及因头部晃动而引起的定位误差，具有较高的定位精度、稳定性、自动性和可重复性。
文档编号A61B5/0478GK102727194SQ201210135728
公开日2012年10月17日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者于利伟, 李小俚, 王文锋 申请人:燕山大学