一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，手持定位导航穿刺针使针尖低速反复穿过超声成像平面，获取背景图像Ib，根据亮度阈值T，得到二进制图像采集针的图像得到一个图像序列I，同时获得图像序列I中每幅图像对应时刻探头上传感器Sr的定位信息及针尖空间坐标；根据亮度阈值T，获得针的二进制区域图像继而获得携带亮度信息的针图像定位针图像中亮度最大点；每幅图像的最大亮度点构成点集P，点集P中亮度最大值的点为图像序列I中针尖在成像平面上的图像坐标；将每个点集P中亮度最大值的点构成点集S；根据点集S中针尖与成像平面对齐时刻的针尖图像坐标、对应的针尖空间坐标及Sr的定位信息，推算出标定转换矩阵。
【专利说明】一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法。
【背景技术】
[0002]图像引导外科系统利用医学影像和计算机图形图像技术，可在术前对患者多模态图像数据进行三维重建和可视化，获得三维模型，制定合理、定量的手术计划，开展术前模拟；在术中利用三维空间定位系统进行图像和病人物理空间的配准，把患者的实际体位、手术器械的实时空间位置映射到患者的三维图像空间，对手术器械在空间中的位置实时采集并显示，医生通过观察三维图像中手术器械与病变部位的相对位置关系，对病人进行精确的手术治疗。这种新兴外科手术不仅能有效地解决病症，而且还有不开刀、创伤小、恢复快、效果好的优点，已经广泛应用于临床。虽然图像引导外科手术有诸多优点，但手术目标组织的术中三维可视化仍然是其应用的技术难点。目前，术中可视化方法有computedtomography (CT),核磁共振成像(MRI)和超声成像(US)。与CT和核磁共振成像相比较,超声成像具有廉价、实时、无损伤、无辐射、便携和敏感度高等优势，已经作为一种实时的术中可视化技术被引入，用于软组织及血流成像。特别是近年来发展的三维超声具有直观、立体、易于识别等特点，更方便外科医生观察目标部位的三维特征，判断术具与目标部位的相对位置关系。目前三维超声成像系统中使用的三维成像方法有直接三维超声成像方法和重建式三维超声成像方法两种。由于直接三维超声成像系统的价格比较昂贵，且不适合大区域的三维超声成像，因此现在国内外使用的三维超声成像系统大多数还是采用重建式三维超声成像方法。目前，重建式三维超声成像方法多数采用自由臂超声成像系统。自由臂三维超声成像系统只须在传统的二维超声探头的把持端固定上一个定位装置的接收器就可以进行目标体的三维扫描成像，能将任何一台常规的二维超声仪升级成三维超声设备。由于使用方便灵活，使得其成为三维超声成像研究和临床应用领域非常热门技术。
[0003]自由臂超声成像系统构建的关键是定位传感器与超声成像平面间的标定，即获得一个空间转换矩阵，使超声成像平面上任意一点的坐标能够映射到超声探头上定位传感器的坐标系，从而计算出空间位置坐标。标定方法主要分为使用标定模型和非使用标定模型两种。前者通常在标定前要设计加工专用的模型，虽然标定精度高，但是需要设计特殊形状特征的模型和精密加工工艺。后者避免了使用专用模型，利用可定位的导航针完成标定。主要原理是使针尖对齐超声的成像平面，获得针尖的图像坐标。由于可定位导航针前端的空间坐标可以从定位仪器中获得，利用在成像平面上多处取得的图像坐标和空间坐标就可推测出标定的转换矩阵。
[0004]现有的基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法存在的不足之处在于:
[0005]一、 需手动对齐针尖与成像平面。由于超声成像平面存在一定厚度，同时受到伪像等影响，实现针尖与成像平面精确对齐需要精细的操作和丰富操作经验。
[0006]二、需手动获得针尖的图像坐标。针尖在超声图像上显示为一个高亮区域，由一组像素点组成。针尖图像坐标的确定即依赖针尖与成像平面的对齐程度，又依赖针尖的亮度分布特点，因此，操作人员的主观判断将影响针尖图像坐标定位的正确性。
[0007]三、需要额外装置减少手持导航针导致的抖动。
【发明内容】
[0008]本发明目的在于提供一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，自动判定针尖与成像平面的对齐时刻，自动分割针尖图像并获取图像坐标，能够快速、准确地完成自由臂超声的标定。
[0009]实现本发明目的技术方案:
[0010]一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，手持定位导航穿刺针使针尖低速反复穿过超声成像平面，利用图像剪影滤除背景，利用亮度特征定位针尖在成像平面上的坐标。其特征在于:
[0011]步骤1:保持装有定位传感器Sr的超声探头固定，针尖运动前，获取背景图像Ib，根据亮度阈值T，得到二进制图像/；:;
[0012]步骤2:针尖从成像平面一侧移动到另一侧，采集针的图像得到一个图像序列I，同时获得图像序列I中每幅图像对应的Sr的定位彳目息及针尖空间坐标；
[0013]步骤3:设I i为序列I中某一幅图像，根据亮度阈值T，得到二进制图像^从二进制图像4中减去二进制图像0，获得针的二进制区域图像<
[0014]步骤4:将针的二进制区域图像Tf和图像Ii相与，获得携带亮度信息的针图像I
[0015]步骤5:定位针图像//中亮度最大点；
[0016]步骤6:对图像序列中每幅图像重复步骤3—步骤5，每幅图像的最大亮度点构成点集P，定位点集P中亮度最大值的点即为图像序列I中针尖在成像平面上的图像坐标；
[0017]步骤7:在成像平面不同区域重复步骤2—6，将每个点集P中亮度最大值的点构成点集S，点集S中各个点对应针尖每次穿过成像平面时，针尖与成像平面对齐时刻的图像坐标；
[0018]步骤8:根据针尖与成像平面对齐时刻的针尖图像坐标、对应的针尖空间坐标及定位传感器Sr的定位信息，推算出标定转换矩阵。
[0019]使定位导航穿刺针的针尖以针杆的某点为旋转中心作小幅旋转运动，使针尖能够反复穿过超声成像平面。为减小针尖移动范围，该旋转中心要靠近超声成像平面，同时为使针尖低速移动，旋转中心距针尖的距离远小于旋转中心距针尾端的距离。
[0020]步骤3中，二进制图像区域 < 通过如下公式获得，
[0021]Ibs = Ib1-1bb
[0022]步骤4中，携带亮度信息的针图像//通过如下公式获得，
[0023]Ir1 = Ibs n Ii
[0024]步骤8中，通过如下方法推算出标定转换矩阵，[0025]将针尖与成像平面对齐时刻的针尖图像坐标、针尖空间坐标和超声探头上传感器的位置信息组成一个数据组，针尖多次穿过成像平面后得到多组数据构成一个标定数据集，利用前述的标定数据集，使用RANSAC算法滤除干扰数据组，计算得到标定转换矩阵。[0026]本发明具有的有益效果:[0027]本发明能够自动判定针尖与成像平面的对齐，自动分割针尖图像并获取图像坐标，从而快速、准确地完成自由臂超声的标定。[0028]本发明与现有方法相比较具有如下优点:[0029]1.与使用专用标定模型方法相比较，本发明无需设计加工标定模型，仅使用可定位导航穿刺针就可快速、简便、准确地完成标定。[0030]2.与以往使用可定位导航针的方法相比较，本发明突破手动对齐针尖与成像平面和手动分割针尖图像的限制，能够不依赖操作者的经验。[0031]3.与使用防抖装置减小针尖抖动方法相比较，本发明利用RANSAC算法滤除抖动产生的噪声数据，无需额外装置就可实现精确标定。[0032]4.使定位导航穿刺针的针尖以针杆上靠近针尖的某点为旋转中心作低速小幅旋转运动，使针尖能够反复穿过超声成像平面，能够有效提高采样率。
【专利附图】
【附图说明】[0033]图1是本发明针尖运动方式的侧视图；[0034]图2是本发明针尖运动方式的俯视图；[0035]图3是基于RANSAC优化的点匹配算法流程图。
【具体实施方式】[0036]手持导航穿刺针使针尖穿过超声成像平面，在此期间判断针尖与成像平面对齐时亥|J，并获取此时刻针尖图像坐标、空间坐标和探头上定位传感器的空间位置。如图1、图2所示，为提高采样率，定位导航穿刺针的针尖以针杆的某点为旋转中心作低速小幅旋转运动，旋转中心距针尖的距离远小于旋转中心距针尾端的距离,使针尖移动速度远小于针手持端的移动速度。为降低针尖移动幅度，使针尖能够快速反复穿过超声成像平面，该旋转中心靠近超声成像平面。[0037]步骤1:让装有定位传感器Sr的超声探头固定，在针尖穿过前，获取背景图像Ib，根据亮度阈值T，得到二进制图像i—,，使Ib中高于T的像素赋值为1，其它赋值为O。[0038]步骤2:针尖低速穿过成像平面，整个期间同步采集针的图像、对应的针尖空间坐标和定位传感器Sr的位置信息。针的图像构成一个图像序列I，I中每幅图像将包含背景、针尖或部分针杆。[0039]步骤3:设IiS该序列I中某一幅图像，根据亮度阈值T，得到二进制图像^根据
下面的公式(1)获得针的二进制图像区域该区域标识了图像Ii中的针的显示区域，并且区域内所有像素值为I。[0040]Ibs = /； - 7；(O[0041]步骤4:依据下面的公式(2)获得携带亮度信息的针图像4。该图像仅显示图像Ii中的针的区域，并且带有图像Ii中针的亮度信息。
[0042]I11 = /A n I1(2)
[0043]步骤5:在//中定位亮度最大的点。当针尖与成像平面对齐时，该亮度最大点即为
针尖图像位置；当针尖未与成像平面对齐时，该亮度最大点为针杆上某位置。
[0044]步骤6:对图像序列I中每幅图像均按照上述步骤3— 5处理，得到每幅图像的亮度最大点构成点集P。由于针尖亮度高于针杆亮度，点集P中最大值点对应的图像即是针尖与成像平面对齐时刻的图像。
[0045]步骤7:在成像平面不同位置重复步骤2—6，每个点集P中最大值点构成亮度最大点点集S，点集S中各个点为每次针尖与成像平面对齐时刻的针尖图像坐标。
[0046]步骤8:根据点集S及其同步采集的针尖空间坐标和定位传感器&的位置信息，推算出标定转换矩阵。
[0047]步骤8.1:定义步骤7获得的点集S中某个图像坐标为，其针尖与成像平面对齐时刻的针尖空间坐标为，此时超声探头上定位传感器的位置信息为C。他们一起组成一个数据组，tIrb )。依次方法，点集S中所有η个图像坐标将构成一个标定数
据集
【权利要求】
1.一种基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，手持定位导航穿刺针使针尖低速反复穿过超声成像平面， 其特征在于: 步骤1:保持装有定位传感器&的超声探头固定，针尖运动前，获取背景图像Ib，根据亮度阈值T，得到二进制图像K; 步骤2:针尖从成像平面一侧移动到另一侧，采集针的图像得到一个图像序列I，同时获得图像序列I中每幅图像对应的Sr的定位彳目息及针尖空间坐标； 步骤3:设Ii为序列I中某一幅图像，根据亮度阈值T，得到二进制图像0，从二进制图像#中减去二进制图像八获得针的二进制区域图像 步骤4:将针的二进制区域图像4和图像Ii相与，获得携带亮度信息的针图像/ ； 步骤5:定位针图像C中亮度最大点； 步骤6:对图像序列中每幅图像重复步骤3—步骤5，每幅图像的最大亮度点构成点集P，定位点集P中亮度最大值的点即为图像序列I中针尖在成像平面上的图像坐标； 步骤7:在成像平面不同区域重复步骤2—6，将每个点集P中亮度最大值的点构成点集S，点集S中各个点对应针尖每次穿过成像平面时，针尖与成像平面对齐时刻的图像坐标； 步骤8:根据针尖与成像平面对齐时刻的针尖图像坐标、对应的针尖空间坐标及定位传感器&的定位信息，推算出标定转换矩阵。
2.根据权利要求1所述的基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，其特征在于:使定位导航穿刺·针的针尖以针杆的某点为旋转中心作小幅旋转运动，使针尖能够反复穿过超声成像平面，该旋转中心要靠近超声成像平面，旋转中心距针尖的距离远小于旋转中心距针尾端的距离。
3.根据权利要求2所述的基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，其特征在于:步骤3中，二进制区域图像通过如下公式获得，
Is = Ih1 -1l。
4.根据权利要求3所述的基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，其特征在于:步骤4中，携带亮度信息的针图像//通过如下公式获得，
I1 = I: ^ I1。
5.根据权利要求2所述的基于定位导航穿刺针的自由臂超声标定方法，其特征在于:步骤8中，通过如下方法推算出标定转换矩阵， 将针尖与成像平面对齐时刻的针尖图像坐标、针尖空间坐标和超声探头上传感器的位置信息组成一个数据组，针尖多次穿过成像平面后得到多组数据构成一个标定数据集，利用前述的标定数据集，使用RANSAC算法滤除干扰数据组，计算得到标定转换矩阵。
【文档编号】A61B8/00GK103584885SQ201310585616
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】栾宽, 李金 , 马兴成, 唐广, 郭良 申请人:哈尔滨工程大学