Ct系统、其扫描定位方法及校准方法

Ct系统、其扫描定位方法及校准方法
【专利摘要】本发明涉及CT系统、其扫描定位方法及校准方法。所述CT系统包括：病床，用于支撑位于其上的待扫描患者；CT扫描和成像设备，用于对待扫描患者进行CT扫描和成像；3D摄像机，用于拍摄位于病床上的待扫描患者的3D图像；以及处理单元，用于根据3D摄像机所拍摄的3D图像获取待扫描患者的人体解剖结构信息以确定待扫描范围，并将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下，其中所述CT扫描和成像设备根据所转换的CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围对待扫描患者进行扫描和成像。通过本发明，可以提高扫描范围的精确性，缩短扫描时间并降低辐射剂量。
【专利说明】CT系统、其扫描定位方法及校准方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及CT成像【技术领域】，具体地涉及CT系统、其扫描定位方法及校准方法。

【背景技术】
[0002]在使用CT系统对待扫描患者进行扫描成像时，通常包括两个阶段:第一个阶段是扫描定位阶段，即确定待扫描范围的阶段，其用于确定扫描的起始位置、结束位置以及机架的倾斜角度；第二个阶段是根据确定的待扫描范围进行真正的扫描成像的阶段。
[0003]目前，在第一个阶段中进行扫描定位时都是利用X射线成像来确定待扫描范围。虽然这种X射线成像的X射线辐射剂量在安全范围以内，但进一步降低扫描定位过程中对患者的辐射剂量仍是CT成像【技术领域】一直以来的追求。
[0004]另外，现有的定位扫描是靠激光灯来进行定位的，耗时较长，操作麻烦。


【发明内容】

[0005]根据本发明的一方面，提供一种CT系统,其包括:
[0006]病床，用于支撑位于其上的待扫描患者；
[0007]CT扫描和成像设备，用于对待扫描患者进行CT扫描和成像；
[0008]3D摄像机,用于拍摄位于病床上的待扫描患者的3D图像；以及
[0009]处理单元，用于根据3D摄像机所拍摄的3D图像获取待扫描患者的人体解剖结构信息以确定待扫描范围，并将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下，其中所述CT扫描和成像设备根据所转换的CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围对待扫描患者进行扫描和成像。
[0010]根据本发明的一个实施例，其中所述处理单元进一步包括:
[0011]图像识别装置，用于根据3D摄像机所拍摄的3D图像通过图像识别技术来获取待扫描患者的人体解剖结构信息。
[0012]根据本发明的一个实施例，其中所述处理单元进一步包括:
[0013]坐标系校准装置，用于对3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系进行校准以获得二者之间的转换关系；以及
[0014]坐标系转换装置，用于根据通过校准获得的所述转换关系将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
[0015]根据本发明的一个实施例，其中所述转换关系为3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵。
[0016]根据本发明的一个实施例，其中所述坐标系校准装置根据来自3D摄像机的关于校准物的3D视频数据与来自CT扫描和成像设备的关于该校准物的CT扫描数据来获得3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的转换关系。
[0017]根据本发明的另一方面，提供一种用于CT系统的扫描定位方法,其包括:
[0018]通过3D摄像机获取位于CT的病床上的待扫描患者的3D图像；
[0019]利用图像识别技术对所得到的所述3D图像进行识别，以获取待扫描患者的人体解剖结构信息；
[0020]基于所述人体解剖结构信息在所述3D图像上确定待扫描范围；以及
[0021]将所述3D摄像机的空间坐标系下的所述待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
[0022]根据本发明的一个实施例，其中，将所述3D摄像机的空间坐标系下的所述待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下包括:
[0023]对3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系进行校准以获得二者之间的转换关系；以及
[0024]根据通过校准获得的所述转换关系将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
[0025]根据本发明的一个实施例，其中，所述转换关系为3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵。
[0026]根据本发明的一个实施例，其中，所述校准通过以下处理而实现:根据来自3D摄像机的关于校准物的3D视频数据与来自CT扫描和成像设备的关于该校准物的CT扫描数据来获得3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的转换关系。
[0027]根据本发明的又一方面，提供一种用于检测系统中的空间坐标系转换的校准方法，所述检测系统包括用于承载校准物的检查床、安装在检查床上方的空间中的3D摄像机以及检测设备，所述校准方法包括:
[0028]a)将校准物放置于检查床上；
[0029]b)设定检查床的床高；
[0030]c)利用检测设备对检查床上的校准物进行检测以获得校准物的检测图像的数据；
[0031]d)利用3D摄像机对检查床上的校准物进行拍摄以获得校准物的拍摄图像的数据；
[0032]e)将校准物相对于3D摄像机以及检测设备进行水平偏移；
[0033]f)重复步骤d)和e)，直到获得覆盖检查床的足够多的水平范围的所述校准物的拍摄图像的数据；
[0034]g)改变检查床床高；
[0035]h)重复步骤c)至g)，直到获得覆盖检查床的足够多的垂直范围的所述校准物的拍摄图像的数据和检测图像的数据；以及
[0036]i)利用由所述检测设备获得所述校准物的检测图像的数据以及由3D摄像机获得的所述校准物的拍摄图像的数据，来计算所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系。
[0037]根据本发明的一个实施例，其中，所述检测系统为CT系统，所述检查床为可移动病床，所述检测设备为CT扫描和成像设备，并且所述检测图像的数据为CT扫描图像的数据。
[0038]根据本发明的一个实施例，其中步骤i)进一步包括:
[0039]1-Ι)根据所述检测图像的数据识别所述校准物上的特定点在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据；
[0040]1-2)将所获得的所述特定点的坐标数据分别加上各个所述水平偏移，以获得所述特定点在覆盖检查床的所述水平范围和所述垂直范围的空间内在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据；
[0041]1-3)根据所获得所述拍摄图像数据识别所述校准物上的所述特定点的坐标数据，以获得所述特定点在覆盖检查床的所述水平范围和所述垂直范围的空间内在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据；以及
[0042]1-4)根据所述特定点在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据以及在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据，计算所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系。
[0043]根据本发明的一个实施例，其中所述步骤1-Ι)进一步包括:
[0044]利用特征提取技术，根据所述检测数据确定所述特定点的像素区域；
[0045]对每个所确定的像素区域应用求重心的方法，以确定所述特定点在包含所述特定点的检测图像中的坐标；以及
[0046]根据包含所述特定点的检测图像的参数以及所述特定点在该检测图像中的坐标求得每个所述特定点在所述检测设备的空间坐标系下的三维坐标数据。
[0047]根据本发明的一个实施例，其中所述检测图像的参数包括获得所述检测图像时检查床的床高。
[0048]根据本发明的一个实施例，其中所述步骤1-3)进一步包括:
[0049]从所述3D摄像机拍摄的拍摄图像数据中提取与每个检查床床高和校准物的每个水平偏移相对应的RGB图像和点云图像；
[0050]识别RGB图像中每个所述特定点的二维索引；以及
[0051]根据每个所述特定点的二维索引在相对应的点云图像中求得该特定点在所述3D摄像机的空间坐标系下的三维坐标数据。
[0052]根据本发明的一个实施例，其中在从拍摄图像数据中提取与每个检查床床高和校准物的每个水平偏移相对应的RGB图像时，将对一段时间范围内的RGB图像进行平均所得到的RGB图像作为所述相对应的RGB图像，其中所述一段时间范围是指以拍摄该相应的RGB图像的时刻为中心的一段时间。
[0053]根据本发明的一个实施例，其中在从拍摄图像数据中提取与每个检查床床高和校准物的每个水平偏移相对应的点云图像时，将对一段时间范围内的点云图像求中值所得到的点云图像作为所述相对应的点云图像，其中所述一段时间范围是指以拍摄该相应的点云图像的时刻为中心的一段时间。
[0054]根据本发明的一个实施例，其中所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系为它们之间的仿射转换矩阵，其中通过下列公式求得所述仿射转换矩阵:
[0055]M=Y/X,
[0056]其中，M为所述仿射转换矩阵，X为所述特定点在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵，而Y为所述特定点在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵。
[0057]根据本发明的一个实施例，其中所述步骤1-4)包括:
[0058]在覆盖检查床的所述水平范围和所述垂直范围的空间内选定间隔一定距离的多个选定坐标位置；
[0059]针对所述多个选定坐标位置中的每个选定坐标位置:
[0060]求解所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的局部仿射转换矩阵M1(X;al=Y1(X;al/X1(X;al，其中Xltrcal为所述特定点的落在与该选定坐标位置相距预定距离的空间范围内的在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵，Yltxal为所述特定点的落在与该选定坐标位置相距该预定距离的空间范围内的在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵。
[0061]根据本发明的一个实施例，所述校准方法还包括:对所求得的与所述多个选定坐标位置相对应的多个局部仿射转换矩阵进行拟合，从而得到仿射转换矩阵关于任意坐标位置的函数Fm (X，Y, Z)。
[0062]根据本发明的一个实施例，其中在步骤i)之前还包括:对所得到的检测图像的数据和拍摄图像的数据进行有效性验证，并剔除未通过有效性验证的异常数据。
[0063]根据本发明的一个实施例，所述校准方法还包括:将所得到的所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系存储在所述检测系统中。
[0064]通过根据本发明的实施例的CT系统、其扫描定位方法或用于其扫描定位的校准方法，可以提高扫描范围的精确性，缩短扫描时间并降低辐射剂量。

【专利附图】

【附图说明】
[0065]为了更透彻地理解本公开的内容，下面参考结合附图所进行的下列描述，在附图中:
[0066]图1示出了根据本发明的CT系统的一个实施例的组成示意图；
[0067]图2示出了用于图1的CT系统的扫描定位方法的流程示意图；
[0068]图3示出了根据本发明的用于获得两个坐标系之间的转换关系的校准方法的一个实施例的流程示意图；
[0069]图4示出了根据本发明的一个实施例的从CT图像数据求出校准物上的特定点在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的坐标数据的流程示意图；以及
[0070]图5示出了根据本发明的一个实施例的从3D (三维)摄像机所拍摄的图像数据求出校准物上的特定点在3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据的流程示意图。

【具体实施方式】
[0071]下面将参考附图来详细描述用于实现本发明的具体实施例。但应当理解的是，本发明并不限于下述具体实施例。
[0072]图1示出了根据本发明的CT系统的一个实施例的组成示意图。在该实施例中，CT系统包括3D摄像机2、病床3、CT扫描和成像设备4以及处理单元(在图中未示出)。病床3为床高可调且可水平移动的可移动病床，用于支撑位于其上的待扫描患者。3D摄像机2用于拍摄位于病床3上的待扫描患者的图像。本文中所提到的3D摄像机是指能够同时采集RGB数据和深度数据的摄像机。一般地，3D摄像机2位于病床3上方的空间中，例如，安装在病床上方的天花板I上(如图1所示)。3D摄像机2的采集范围具有一定的张角。可以根据摄像机2的张角大小和病床3的长度来调整摄像机2在CT系统中的位置和安装角度Θ，以便覆盖整个病床范围。
[0073]CT扫描和成像设备4用于对待扫描患者进行CT扫描和成像。处理单元与3D摄像机2和CT扫描和成像设备4进行通信，其根据3D摄像机2所拍摄的图像获取待扫描患者的人体解剖结构信息以确定待扫描范围，并对3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围进行坐标系转换，从而得到CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围，以供CT扫描和成像设备4使用。CT扫描和成像设备4根据转换后的CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围对待扫描患者进行扫描和成像。
[0074]为了根据摄像机2所拍摄的人体图像来确定待扫描范围，处理单元包括用于对摄像机2所拍摄的图像应用图像识别技术以获取待扫描患者的人体解剖结构信息的图像识别装置。在图像识别之后，处理单元基于示出的待扫描患者的人体解剖结构信息确定待扫描范围，从而得到3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围。之后，处理单元需要将该待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。为此，处理单元进一步包括:坐标系校准装置，用于对3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系进行校准以获得二者之间的转换关系；以及坐标系转换装置，用于根据通过校准获得的所述转换关系将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
[0075]在一个实施例中，坐标系校准装置通过校准得到3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵，作为它们之间的转换关系。可选地，坐标系校准装置根据来自3D摄像机的关于校准物的3D图像数据与来自CT扫描和成像设备的关于该校准物的CT扫描数据来计算两种坐标系之间的仿射转换矩阵。
[0076]图2示出了用于图1所示的CT系统的扫描定位方法的一个实施例的流程示意图。在步骤201中，通过3D摄像机获取位于CT的病床上的待扫描患者的图像。之后，通过图像识别技术从所拍摄的图像得到待扫描患者的人体解剖结构信息(步骤202)。在步骤203中，根据人体解剖结构信息在所拍摄的待扫描患者图像上确定待扫描范围，从而得到摄像机的空间坐标系下的待扫描范围。然后，进行坐标系转换以得到CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围(步骤204)。这样，CT扫描和成像设备就可以根据被转换到其空间坐标系下的待扫描范围对待扫描患者进行扫描和成像。
[0077]在上面所述的CT系统及其扫描定位方法的实施例中，与传统的通过CT预扫描来进行扫描定位(确定待扫描范围)的方法不同，本发明的CT系统及其扫描定位方法是通过摄像机拍摄患者图像并进行图像识别来确定待扫描范围，并且之后对所确定的待扫描范围进行空间坐标系转换以得到CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围。因此，通过根据本发明的CT系统和/或其扫描定位方法，可以提高扫描范围的精确性，缩短整个扫描时间并降低对患者的辐射剂量。
[0078]在上面的描述中，提到了从摄像机的空间坐标系到CT扫描和成像设备的空间坐标系的转换。在进行该转换之前，应当先确定这两种空间坐标系之间的转换关系，例如计算这两种空间坐标系之间的仿射转换矩阵。转换关系的确定是根据本发明的校准方法来实现的。因此，根据本发明的校准方法是实现根据本发明的扫描定位方法的重要步骤。通过根据本发明的校准方法可以得到精确的空间坐标系转换关系，从而能够得到理想的扫描定位效果。该校准过程能够达到的精度将直接影响CT系统扫描定位的精度。
[0079]应当理解的是，虽然在下面的说明中以CT系统为例进行说明，但是根据本发明的校准方法也可以用于其他的检测系统，建立3D摄像机与其他检测设备之间的坐标系转换关系，解决3D摄像机与多种检测设备之间的空间坐标系交互问题。
[0080]图3示出了根据本发明的用于获得检测系统中的两个或更多坐标系之间的转换关系的校准方法的一个实施例的流程示意图。在该实施例中，校准方法被用于CT系统，该CT系统包括病床、安装在病床上方的空间中的3D摄像机以及CT扫描和成像设备。校准需要采集两类数据，即CT扫描得到的诸如DICOM数据的CT扫描数据和摄像机采集的诸如视频数据以及深度数据的拍摄图像数据。所谓的深度是指从3D摄像机的摄像头到被测点之间的距离。一般地，实际的使用范围是Im到2.6mο所拍摄的数据中每个像素的深度与RGB值是一一对应的。为了使求得的诸如仿射转换矩阵的转换关系能够在较大的空间范围内适用，需要在病床的不同床高和水平偏移下进行采集。
[0081]在组装好CT系统、包括调整好3D摄像机的安装位置和安装角度后，开始校准。首先，在步骤301中，将校准物放置于病床上。在校准物上布置有至少一个特定点，该特定点既可通过图像识别技术在3D摄像机拍摄的图像中被识别，又可在CT扫描和成像设备所形成的CT图像中被识别出来。
[0082]然后，在步骤302中，将病床设定在一定的床高。接着，利用CT扫描和成像设备对病床上的校准物进行CT扫描(步骤303)，以获得校准物的CT图像。还利用3D摄像机对病床上的校准物进行拍摄(步骤304)，以获得校准物的拍摄图像。在图3中虽然将步骤304示出为在步骤303之后，但可以理解的是，它们的顺序并不是固定的，也可以先执行步骤304再执行步骤303，或者两者同时进行。
[0083]为了得到足够多的数据，将病床上的校准物相对于3D摄像机以及CT扫描和成像设备进行水平偏移(步骤305)。在一个实施例中，通过水平移动病床、而不是移动病床上的校准物来实现校准物相对于3D摄像机以及CT扫描和成像设备的水平偏移。这保证了在操作过程中不会引入其他方向的位移。接着，利用3D摄像机采集水平偏移后的校准物的拍摄图像(步骤304)。这样，重复步骤305和304以获得足够多的数据。在每次进行水平偏移操作(步骤305)和/或拍摄操作(步骤304)之后或之前，可以先判断所获得数据是否足够(步骤306)，即是否获得了覆盖病床的足够多的水平范围的所述校准物的拍摄数据，例如，病床的水平偏移是否已遍及病床的所有水平可移动范围。如果数据不足够，则继续水平偏移操作和拍摄操作。如果数据已足够，则进入下一步骤307。可选地，3D摄像机的拍摄可以持续地进行，即使在调整校准物的相对水平偏移期间也不停止。在图3中，将询问步骤306示出为在步骤304和305之后，但如上所述，其也可以在步骤304或步骤305之后执行，或者在步骤304或步骤305之前执行。
[0084]在步骤307中，为得到覆盖垂直方向的足够多的数据，改变病床的床高。然后重复步骤303-306，直到判断为已获得了覆盖病床的足够多的垂直范围的CT图像数据和拍摄图像数据(步骤308)。同样，在图3中将步骤308示出为在步骤307之后，但可以理解的是，其也可以在步骤307之前执行。
[0085]通过以上数据采集过程，可以获得校准物在覆盖足够大的水平范围和垂直范围的空间内的相对应的两种数据，即拍摄图像数据和CT图像数据。根据所采集的这两种对应数据，可以计算3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的转换关系(步骤309)。
[0086]在本发明的一个实施例中，将3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的转换关系作为仿射转换矩阵来求解。由所采集的数据，可以得到当校准物处于每个空间位置(每个空间位置对应于一定的病床床高和病床水平偏移位置)时校准物上的特定点在两个空间坐标系下的相应坐标数据。对于对应于一定的病床床高和病床水平偏移位置的每个空间位置，都存在特定点在3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据以及相对应的在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的坐标数据。
[0087]设第i个特定点在3D摄像机的空间坐标系下的齐次坐标为:
[0088]X1 = Yl

z,

I
[0089]设该特定点在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的齐次坐标为:
V
[0090]Y1= \

2I

I
[0091]由于3D摄像机的空间坐标系可以通过旋转和/或平移CT扫描和成像设备的空间坐标系而得到(反之亦然)，因此存在着一个4*4的仿射转换矩阵，使得采集得到的多组特定点坐标满足以下关系式:
[0092]M-EX1 X2 …X11MY1 Y2...YJ
[0093]其中，M为两坐标系之间的仿射转换矩阵。
[0094]针对对应于一定的病床床高和病床水平偏移位置的每个空间位置，特定点在3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据可以从摄像机所拍摄的图像数据通过图像识别直接得至IJ。但是，由于如上所述针对每个病床床高只采集一次CT图像，因此，从CT图像数据只能获得特定点针对每个病床床高和病床的一个水平位置(在图3示出的实施例中是病床的水平偏移为零的水平位置)的在CT成像和扫描设备的空间坐标系下的坐标数据。为了获得特定点针对每个病床床高和病床水平偏移位置的在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的坐标数据，还需要将所得到的针对每个病床床高和病床零水平偏移位置的CT坐标数据加上各个水平偏移数据。
[0095]图4示出了根据本发明的一个实施例的从CT图像数据求出校准物上的特定点在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的坐标数据的流程示意图。
[0096]在步骤401中，利用特征提取技术，从CT扫描图像数据确定每个特定点的像素区域。如上所述，特定点在CT图像中是可被识别的。这是因为，例如，制备特定点的材料被选择为密度显著不同于校准物上周围材料的密度。在一个实施例中，可以通过灰度阈值的设定，首先在CT图像中找到与特定点同一材质的像素区。然后，再通过特征提取技术，排除其他物质的干扰，从而确定特定点的像素区域。
[0097]在步骤402中，对每个所确定的像素区域应用求重心的方法，以确定每个特定点在包含该特定点的CT扫描图像中的坐标(x/，y/ )。
[0098]在步骤403中，对于每个特定点，根据包含该特定点的CT扫描图像的参数以及该特定点在该CT扫描图像中的坐标(x/，y/ )求得该特定点在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的三维坐标数据)。由于采集得到的每个CT图像中都包含有该图像的参数，例如病床的床高等。因此可以利用CT图像的参数和特定点在CT图像中的坐标位置，计算出特定点在CT坐标系(CT扫描和成像设备的空间坐标系)下的三维坐标数据。
[0099]如上所述，该三维坐标数据是特定点在一定病床床高和病床零水平偏移的情况下的数据。为了得到针对病床的各个水平偏移的坐标数据，需要加上相应的水平偏移(步骤404)。假设病床水平移动的方向为CT坐标系的Z轴方向，则特定点针对病床的各个水平偏移的坐标数据为(ΧΛ7Λζ/+ΛΖ?)。其中，八~为病床的水平偏移矢量，其值根据病床的移动方向与Z轴正方向相同或相反而取正或取负。
[0100]图5示出了根据本发明的一个实施例的从3D摄像机所拍摄的图像数据求出校准物上的特定点在3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据的流程示意图。在本实施例中，3D摄像机所拍摄的图像数据为视频数据。可以理解的是，3D摄像机也可以拍摄与每个病床床高和病床水平偏移位置(包括水平偏移为零的位置)相对应的静态图像。如图5所示:
[0101]在步骤501中，从3D摄像机拍摄的视频数据中提取与每个病床床高和每个水平偏移(包括水平偏移为零的位置)相对应的RGB图像和点云图像。摄像机在采集数据的过程中会受到外界的干扰。为保证数据的可靠性，根据本发明的一个实施例，在从视频数据中提取与每个病床床高和水平偏移相对应的RGB图像时，将对一段时间范围内的RGB图像进行平均所得到的RGB图像作为该相对应的RGB图像。所述一段时间范围是指以拍摄该相应的RGB图像帧的时刻为中心的一段时间。另外，根据本发明的一个实施例，在从视频数据中提取与每个病床床高和每个水平偏移相对应的点云图像时，将对一段时间范围内的点云图像求中值所得到的点云图像作为该相对应的点云图像，其中所述一段时间范围是指以拍摄该相应的点云图像的时刻为中心的一段时间。
[0102]在步骤502中，识别每个RGB图像中每个特定点的二维索引。在一个实施例中，利用OpenCV中的findchesscorner O函数找到每个特定点在每个RGB图像中的二维索弓I (Xi, YiX OpenCV为3D摄像机的数据库，其全称为开源计算机视觉库(Open SourceComputer Vis1n Library),是一个基于(开源)发行的跨平台计算机视觉库,可以运行在Linux、Windows和Mac OS等操作系统上。可以理解的是,本发明的范围并不限于上面所列出的OpenCV数据库以及库函数f indchesscorner O ,本领域技术人员将认识到可以使用任何适用的算法工具和/或库函数来找到每个特定点在每个RGB图像中的二维索引。
[0103]在步骤503中，根据每个特定点在每个RGB图像中的二维索引在相对应的点云图像中求得该特定点在所述3D摄像机的空间坐标系下的三维坐标数据(Xi，Yi, Zi)。
[0104]通过以上所述的针对每个空间位置求出特定点在两个坐标系下的坐标数据的实施例，针对特定点所遍历的每个空间位置，都可以获得分别位于两个坐标系下的一对坐标数据。我们将这些坐标数据对命名为“点坐标对”。
[0105]为了精确地求得适用于较大空间范围的3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵，在校准过程中采集了大量的数据。由于数据量较大，在数据采集、处理和求特定点坐标的过程中很可能会人为的引入一些错误，从而影响仿射转换矩阵的最终结果。因此，在利用这些数据求解仿射转换矩阵前，可选地可以对这些数据进行有效性验证。
[0106]验证的主要依据是:特定点与特定点之间、对应不同水平偏移的视频数据之间以及对应不同床高的数据之间在X、Y、Z方向上存在着一定的空间位置关系。分别绘制三个方向上的坐标值，将得到存在一定规律的坐标曲线。通过发现曲线中存在的异常坐标点并及时将其剔除，可以确保仿射转换矩阵的计算结果的精确度。
[0107]根据本发明的一个实施例，通过下列公式求得3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵:
[0108]Μ=Υ/Χ,
[0109]其中，M为所述仿射转换矩阵，X为由所有点坐标对中的在3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵，而Y为由所有点坐标对中的在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵。
[0110]通过上述实施例可以得到仿射转换矩阵Μ。对于该矩阵M是否能够实现摄像机坐标系向CT坐标系的正确转换，以及其精度是否能够满足实际应用的需求，可以执行一定的方法来进行检验。
[0111]在一个实施例中，可以将采集得到的数据分为两组，一组数据用于M的求解，而另一组数据用于校准结果的有效性验证。从后一组数据得出特定点坐标矩阵X和Y。利用根据前一组数据求得的M矩阵将X向Y进行转换，则转换误差为:
[0112]Λ =M.X-Y
[0113]利用直方图等方法，对Λ在Χ、Υ、Ζ三个方向上的误差分别进行分析，可以分别得到M在三个方向上的转换精度。从而可以判断，M是否满足实际应用的要求。
[0114]实际上，3D摄像机的分辨率并不是恒定的。一般地，随着检测距离的增大，分辨率会越来越差。这对3D摄像机的输出的精确度具有很坏的影响。因此，通过上面的公式求出的仿射转换矩阵只适用于一定的空间范围内，空间范围的大小由摄像头的能力决定。
[0115]为了获得更精确的转换矩阵，在本发明的一个实施例中，定义了局部仿射转换矩阵M1(K;al。在该实施例中，在包括所有对应于每个病床床高和病床水平偏移的空间位置的空间范围内选定间隔一定距离的多个选定坐标位置。针对每个选定坐标位置，通过以下公式来求出对应于该选定坐标位置的局部仿射转换矩阵Mltxal:
[0116]Mlocal-Ylocal/Xlocal，
[0117]其中X1(x;al为由点坐标对中位置落在与该选定坐标位置相距预定距离的空间范围内的在3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵，Ylocal为由点坐标对中位置落在与该选定坐标位置相距该预定距离的空间范围内的在CT扫描和成像设备的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵。
[0118]对应于每个选定坐标位置可求得一个局部仿射转换矩阵，该局部仿射转换矩阵适用于与该选定坐标位置相距所述预定距离的空间范围内的所有坐标位置。这样，就得到与所述多个选定坐标位置相对应的多个局部仿射转换矩阵。
[0119]在本发明的一个实施例中，可以对所得到的多个局部仿射转换矩阵进一步进行拟合，从而得到仿射转换矩阵关于任意坐标位置的函数fm(x，Y, Z)。
[0120]可以将所求得的诸如仿射转换矩阵M或仿射转换矩阵函数Fm(X，Y, Z)的坐标系转换关系存储在CT系统中，以备在CT系统的扫描定位阶段期间用于待扫描范围的坐标系转换。
[0121]通过根据本发明任意实施例的CT系统、其扫描定位方法或用于其扫描定位的校准方法，可以提高扫描范围的精确性，缩短扫描时间，减少设备操作步骤并降低辐射剂量。
[0122]虽然上述已经结合附图描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变、修改和等效替代。这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。
【权利要求】
1.一种CT系统,包括: 病床，用于支撑位于其上的待扫描患者； CT扫描和成像设备，用于对待扫描患者进行CT扫描和成像； 3D摄像机，用于拍摄位于病床上的待扫描患者的3D图像；以及 处理单元，用于根据3D摄像机所拍摄的3D图像获取待扫描患者的人体解剖结构信息以确定待扫描范围，并将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下，其中所述CT扫描和成像设备根据所转换的CT扫描和成像设备的空间坐标系下的待扫描范围对待扫描患者进行扫描和成像。
2.根据权利要求1所述的CT系统，其中所述处理单元进一步包括: 图像识别装置，用于根据3D摄像机所拍摄的3D图像通过图像识别技术来获取待扫描患者的人体解剖结构信息。
3.根据权利要求1所述的CT系统，其中所述处理单元进一步包括: 坐标系校准装置，用于对3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系进行校准以获得二者之间的转换关系；以及 坐标系转换装置，用于根据通过校准获得的所述转换关系将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
4.根据权利要求3所述的CT系统，其中所述转换关系为3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵。
5.根据权利要求3所述的CT系统，其中所述坐标系校准装置根据来自3D摄像机的关于校准物的3D视频数据与来自CT扫描和成像设备的关于该校准物的CT扫描数据来获得3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的转换关系。
6.一种用于CT系统的扫描定位方法,包括: 通过3D摄像机获取位于CT的病床上的待扫描患者的3D图像； 利用图像识别技术对所得到的所述3D图像进行识别，以获取待扫描患者的人体解剖结构信息； 基于所述人体解剖结构信息在所述3D图像上确定待扫描范围；以及 将所述3D摄像机的空间坐标系下的所述待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
7.根据权利要求6所述的扫描定位方法，其中，将所述3D摄像机的空间坐标系下的所述待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下包括: 对3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系进行校准以获得二者之间的转换关系；以及 根据通过校准获得的所述转换关系将3D摄像机的空间坐标系下的待扫描范围转换到CT扫描和成像设备的空间坐标系下。
8.根据权利要求7所述的扫描定位方法，其中，所述转换关系为3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的仿射转换矩阵。
9.根据权利要求7所述的扫描定位方法，其中，所述校准通过以下处理而实现:根据来自3D摄像机的关于校准物的3D视频数据与来自CT扫描和成像设备的关于该校准物的CT扫描数据来获得3D摄像机的空间坐标系与CT扫描和成像设备的空间坐标系之间的转换关系O
10.一种用于检测系统中的空间坐标系转换的校准方法，所述检测系统包括用于承载校准物的检查床、安装在检查床上方的空间中的3D摄像机以及检测设备，所述校准方法包括: a)将校准物放置于检查床上； b)设定检查床的床高； c)利用检测设备对检查床上的校准物进行检测以获得校准物的检测图像的数据； d)利用3D摄像机对检查床上的校准物进行拍摄以获得校准物的拍摄图像的数据； e)将校准物相对于3D摄像机以及检测设备进行水平偏移； f)重复步骤d)和e)，直到获得覆盖检查床的足够多的水平范围的所述校准物的拍摄图像的数据； g)改变检查床床高； h)重复步骤c)至g)，直到获得覆盖检查床的足够多的垂直范围的所述校准物的拍摄图像的数据和检测图像的数据；以及 i)利用由所述检测设备获得所述校准物的检测图像的数据以及由3D摄像机获得的所述校准物的拍摄图像的数据，来计算所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系。
11.根据权利要求10所述的校准方法，其中，所述检测系统为CT系统，所述检查床为可移动病床，所述检测设备为CT扫描和成像设备，并且所述检测图像的数据为CT扫描图像的数据。
12.根据权利要求10所述的校准方法，其中步骤i)进一步包括: 1-Ι)根据所述检测图像的数据识别所述校准物上的特定点在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据； 1-2)将所获得的所述特定点的坐标数据分别加上各个所述水平偏移，以获得所述特定点在覆盖检查床的所述水平范围和所述垂直范围的空间内在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据； 1-3)根据所获得所述拍摄图像数据识别所述校准物上的所述特定点的坐标数据，以获得所述特定点在覆盖检查床的所述水平范围和所述垂直范围的空间内在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据；以及 1-4)根据所述特定点在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据以及在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据，计算所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系。
13.根据权利要求12所述的校准方法，其中所述步骤1-Ι)进一步包括: 利用特征提取技术，根据所述检测数据确定所述特定点的像素区域； 对每个所确定的像素区域应用求重心的方法，以确定所述特定点在包含所述特定点的检测图像中的坐标；以及 根据包含所述特定点的检测图像的参数以及所述特定点在该检测图像中的坐标求得每个所述特定点在所述检测设备的空间坐标系下的三维坐标数据。
14.根据权利要求13所述的校准方法，其中所述检测图像的参数包括获得所述检测图像时检查床的床高。
15.根据权利要求12所述的校准方法，其中所述步骤i_3)进一步包括: 从所述3D摄像机拍摄的拍摄图像数据中提取与每个检查床床高和校准物的每个水平偏移相对应的RGB图像和点云图像； 识别RGB图像中每个所述特定点的二维索引；以及 根据每个所述特定点的二维索引在相对应的点云图像中求得该特定点在所述3D摄像机的空间坐标系下的三维坐标数据。
16.根据权利要求15所述的校准方法，其中在从拍摄图像数据中提取与每个检查床床高和校准物的每个水平偏移相对应的RGB图像时，将对一段时间范围内的RGB图像进行平均所得到的RGB图像作为所述相对应的RGB图像，其中所述一段时间范围是指以拍摄该相应的RGB图像的时刻为中心的一段时间。
17.根据权利要求15所述的校准方法，其中在从拍摄图像数据中提取与每个检查床床高和校准物的每个水平偏移相对应的点云图像时，将对一段时间范围内的点云图像求中值所得到的点云图像作为所述相对应的点云图像，其中所述一段时间范围是指以拍摄该相应的点云图像的时刻为中心的一段时间。
18.根据权利要求12所述的校准方法，其中所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系为它们之间的仿射转换矩阵，其中通过下列公式求得所述仿射转换矩阵:
M=Y/X, 其中，M为所述仿射转换矩阵，X为所述特定点在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵，而Y为所述特定点在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵。
19.根据权利要求12所述的校准方法，其中所述步骤i_4)包括: 在覆盖检查床的所述水平范围和所述垂直范围的空间内选定间隔一定距离的多个选定坐标位置； 针对所述多个选定坐标位置中的每个选定坐标位置: 求解所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的局部仿射转换矩阵M1(X;al=Y1()C;al/X1()C;al，其中XltrcalS所述特定点的落在与该选定坐标位置相距预定距离的空间范围内的在所述3D摄像机的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵，Ylocal为所述特定点的落在与该选定坐标位置相距该预定距离的空间范围内的在所述检测设备的空间坐标系下的坐标数据组成的矩阵。
20.根据权利要求19所述的校准方法，还包括:对所求得的与所述多个选定坐标位置相对应的多个局部仿射转换矩阵进行拟合，从而得到仿射转换矩阵关于任意坐标位置的函数 fm(x，Y, Z)。
21.根据权利要求10所述的校准方法，其中在步骤i)之前还包括:对所得到的检测图像的数据和拍摄图像的数据进行有效性验证，并剔除未通过有效性验证的异常数据。
22.根据权利要求10所述的校准方法，还包括:将所得到的所述3D摄像机的空间坐标系与所述检测设备的空间坐标系之间的关系存储在所述检测系统中。
【文档编号】A61B6/03GK104224212SQ201310236459
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】王秉欣, 贾磊, 叶芷, 魏东 申请人:Ge医疗系统环球技术有限公司