一种双目视觉穴位定位仪及其工作方法与流程

本发明属于医学应用技术领域，特别涉及一种双目视觉穴位定位仪及其工作方法。

背景技术：

针灸作为传统医学手段广泛应用于各种疾病的治疗，但是这种治疗方式对从业者的手法和经验要求相对较高，主要表现在穴位定位的准确程度上。医书上给出的基于同身寸的穴位定位方法，主要是以某一个器官或身体某个特征部位为基准，根据患者的身高，按一定比例分份，然后四肢部分用拇指同身寸法即以患者拇指指关节的宽度作为一寸来量取穴位，其它部分用中指同身寸法即以患者的中指中节屈曲时手指内侧两端横纹头之间的距离看作一寸来量取穴位。该取穴方法实施起来相对困难，主要靠医生的经验。因此，要想精确定位穴位位置，必须经过多年的临床实践，对于临床经验较少的医生来说，准确定位穴位具有较大难度。穴位定位不准确，严重影响治疗效果，耽误病人的病情。因此，亟需开发一种实现精准定位的穴位定位仪。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能实现精准定位的双目视觉穴位定位仪及其工作方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种双目视觉穴位定位仪，包括支撑架、相机、红外发射器、计算机和标定板，所述的支撑架上放置有两个相机和一个红外发射器，两个相机和红外发射器均安装在支撑架上，所述的相机通过数据线与计算机连接；所述的支撑架横跨检查床，所述的标定板安装在检查床上；所述的支撑架底部设置移动装置；所述的相机通过带驱动装置的万向铰链安装在支撑架上，所述的红外发射器通过带驱动装置的万向铰链安装在支撑架上。

进一步地，所述的支撑架为龙门结构。

进一步地，所述的两个相机对称安装在支撑架的横梁上的左右两侧，所述的红外发射器安装在支撑架的横梁上的中部。

进一步地，所述的标定板安装在检查床上床板的一角。

进一步地，所述的支撑架底部的移动装置为两组万向轮，每组4个万向轮，成矩形布局。

一种双目视觉穴位定位仪的工作方法，包括以下步骤：

a、相机的安装和标定

a1、相机的安装：两个相机通过万向铰链安装在龙门支撑架上，通过控制万向铰链的转角调整拍摄角度和位置，相机拍摄的图像信息通过采集卡传回计算机；

a2、相机的标定：在检查床的床板上平铺有一张黑白网格的棋盘格标定板，通过调整相机或者标定板采集不同位置、不同方向的标定板图像，进行特征点检测，从图像中提取棋盘格角点，根据公式估算内参数后得到内参数根据内参数矩阵得到外参数[r|t]，应用最小二乘法估算实际存在径向畸变下的畸变参数，最后运用极大似然法优化，提升参数精度；

具体步骤如下：

设棋盘格平面上的三维点坐标为q＝[x,y,z]^t，其图像平面上的二维点坐标为q＝[u,v]^t，对应的齐次坐标分别为和因为相机成像模型采用的是小孔成像模型，所以图像点q与目标空间点q之间的关系用下式表示：

s是任意的非零常数因子，m1为相机内参数矩阵，则：

内参数矩阵m1中图像主点坐标为(u0,v0)，参数αx和αy分别为图像像素坐标u轴和v轴的尺度因子，r为两坐标轴之间的不垂直因子；假设z＝0，即靶标平面位于世界坐标系的xy平面上。记旋转矩阵r的第i列为ri，由式(1)有：

用z表示靶标平面上的点，则z＝[x,y]^t，靶标平面上的点z与对应图像点m之间存在一个变换矩阵h：

式中h＝λm1[r1r2t]为3×3的矩阵，λ为常数因子。令h＝[h1h2h3]，有：

[h1h2h3]＝λm1[r1r2t](5)

t为平移向量。r1、r2为图像平面上两个坐标轴在世界坐标系中的方向向量，t不会位于r1、r2构成的平面上，由于r1与r2正交，因此det([r1r2t])≠0。又因为det[m1]≠0，所以det[h]≠0。

解算变换矩阵h的方法是使实际图像坐标qi与计算出的图像坐标之间参数差最小，则有目标函数如下：

求解出变换矩阵h之后，由式(5)和旋转矩阵r的正交性，得两个基本方程：

式(7)是关于相机内参数矩阵的重要约束条件。由于一个旋转矩阵含有8个自由度，其中包含3个旋转参数和3个平移参数。

对于三维空间上的二次曲面，通过表示，其中b为一个4×4的对称阵。很显然，对称矩阵b乘以任意一个非零标量仍描述同一个二次曲面。同理，通过表示平面上的二次曲线，式中b是一个3×3对称阵。空间绝对二次曲线在图像平面上的投影，通过m1^-tm1^-1表示。

令：

因为矩阵b是对称阵，所以通过下面的六维向量表示：

b＝[b11b12b22b13b23b33]^t(9)

假设变换矩阵h中的第i列向量为hi＝[hi1,hi2,hi3]^t，为此有：

式中：

因此，将式(7)以齐次方程的形式表示如下：

采集n幅靶标图像，列出n个方程，则有

vb＝0(13)

上式中，v是2n×6的矩阵。假设n≥3，b就解得唯一值。假设n＝2，加上一个γ＝0的附加约束，即b12＝0。为此将[010000]b＝0作为式(13)的一个附加条件。矩阵v^tv的最小特征值对应的特征向量就是式(13)的解，或通过奇异值分解svd法对矩阵v进行分解求出b。

在解算出b后，矩阵基于cholesky矩阵分解算法进行求解，再通过求逆得到m1。求出m1后，求出每幅图像的外参数，由式(5)有：

式中

由于相机镜头的畸变是无法消除的。为此，用式(14)解算得到的外参数作为优化搜索的初值，进而解算出所有准确的参数值，完成相机标定。

b、图像的采集

两个相机从同一水平位置不同角度拍摄同一物体时用三角测量法得到三维空间信息，结合中医定穴位应用的拇指同身寸和中指同身寸法，把人体分成以下几部分：头部、背部、胸腹部、上肢部和下肢部，每个穴位以某一个器官或者身体某个特征部位为基准，通过该穴位距离基准的尺寸不同来取定各个穴位，四肢部位用拇指同身寸法即以患者拇指指关节的宽度作为一寸来量取穴位，其它部位用中指同身寸法即以患者的中指中节屈曲时手指内侧两段横纹头之间的距离看作一寸来量取穴位；相机采集人体拇指和中指的图像以及需要针灸部分的肢体局部图像信息；由计算机对相机拍摄的图像进行预处理消除其他干扰后进行特征点提取，结合相机的内外参数由计算机进行特征的模板匹配，通过匹配算法得到匹配模板的数据，进行透视变换后得到拇指和中指尺寸以及需要针灸部分的肢体空间坐标；

c、穴位精确位置的提取

根据步骤b得到的人体拇指和中指尺寸以及需要针灸部分的肢体空间坐标，通过拇指同身寸和中指同身寸法取穴，由计算机结合拇指同身寸和中指同身寸法通过计算处理得到临床中所需要穴位的准确空间坐标；

d、红外光斑的定位：根据步骤c获取的穴位空间坐标，计算机发出指令驱动红外发射器照射到人体表面对应穴位的位置，实现穴位的精确定位。

本发明的有益效果是：

1、本发明采集了两个相机从不同位置进行拍摄图像，即双目视觉技术，不仅可以恢复物体的三维信息而且具有精确定位的功能，精确度高，实用性强，将双目视觉技术与医书中给出的同身寸穴位定位法相结合，有效地解决了医生的穴位定位不准确的问题。

2、本发明通过相机标定拍摄图像快速提取特征点，由计算机根据中医取穴的同身寸法，可以准确定位人体的各部分穴位，避免因穴位定位不准所造成的病情延误。

3、本发明既可以应用于医学培养中对医学实习生的培训，又能满足医疗中临床使用的需求，达到快速准确定位人体穴位的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程示意图。

图中：1、人体，2、相机，3、支撑架，4、标定板，5、计算机，6、红外发射器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，本发明的双目视觉穴位定位仪，包括支撑架3、相机2、标定板4、计算机5和红外发射器6，相机2分为左右两部分由两个相机组成，位于支撑架上左右两端采用带驱动的万向铰链连接，可以由驱动器控制自由调整拍摄角度和位置，相机2与计算机5相连接，支撑架3是一种龙门结构，可根据临床需要自由移动位置。当工作时，病人躺在病床上，调整支撑架3到合适位置后，先进行相机标定，得到左右相机的内外参数和模板数据后由相机2拍摄采集人体1中指和拇指的图像以及需要针灸部分的肢体局部图像信息，将采集的信息传送到计算机5中，由计算机5对采集的数据计算处理消除干扰得到拇指和中指的尺寸，结合中医取穴的拇指同身寸和中指同身寸法得到临床中所需的穴位，计算机5发出指令带驱动的万向铰链驱动红外发射器6照射到人体1表面对应穴位的位置，例如取关元穴时，以图像采集的中指屈曲时手指内侧两端横纹头之间的距离看作一寸，即一个单位长度，由计算机结合拇指同身寸和中指同身寸法以肚脐为参考基准，脐中下三寸也就是三个单位长度处，获得空间坐标，将其通过红外光源打在人体1相应的位置处，即为关元穴。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。