专利名称：一种基于3d序列高精度成像的球心定位方法
技术领域：
本发明涉及球心定位方法，特别是关于一种在介入治疗中采用固定成像设备得到的基于3D序列高精度成像的球心定位方法。
背景技术：
介入治疗是应用现代高科技手段进行的一种微创性治疗，其是在医学影像设备的引导下，将特制的导管、导丝等精密手术器械引入人体，对体内病灶进行诊断和局部治疗。介入疗法的多数项目都是在血管内进行的，它不用开刀，只需一个不到米粒大的小口子，把细管子插入血管内即可治疗许多过去无法治疗、必须手术治疗或内科治疗疗效欠佳的疾病，如冠心病、心律失常、肿瘤、血管瘤、各种出血、脑血管畸形等。介入疗法具有不开刀、创伤小、恢复快、效果好的特点。传统的介入手术中，医生凭借肉眼观察病灶图像，凭经验将手术器械放置到目标位置，这种方式造成的手术器件和病灶部位定位之间的误差，会影响手术的质量。
为此本申请人提供了一种使医生在屏幕上同时可以看到的病灶和手术器械相对位置的介入导航系统，在这个系统中，需要设置了一个用于对病灶和手术器械所在坐标系进行标定，以将不同坐标系中的图像引入同一坐标系中观测的立体标定模。然而由于标定模上的特征点不是一个点，而是一个具有一定体积的小球，因此当使用固定成像设备对标定模上的特征点进行扫描时，位于固定成像设备扫描中心的特征点和位于边缘上的特征点所得到的图形是不同的，即不能从扫描图形中一次得到特征点的中心位置，距离扫描中心越远，图像变形越大，得到特征点的图像越失真。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种在固定成像设备图像中，能够精确地计算出标定模中特征点球心位置的基于3D序列高精度成像的球心定位方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种基于3D序列高精度成像的球心定位方法，其包括以下步骤(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。
其中步骤(2)中，所述截面圆面积与该圆在扫描方向的坐标值组成的一组值中包括用(x，y，z)代表球心坐标，d代表球心到截面圆的距离，R0代表球半径，r代表截面圆半径，(a，b，c)代表截面圆圆心，t1代表截面圆法线方向；它们存在以下几何关系d2+r2＝R02(1)已知球体的近似半径R0，通过分析图像，可得到截面圆的圆心坐标(a，b，c)、圆的面积S，利用圆面积S可得到截面圆半径r，利用球心和圆心坐标可以得到球心到截面圆的距离d，从而利用公式(1)得到该轴向上的球心坐标(x，y，z)。
由几何关系，只要知道其中两个面的参数，可用几何的方法列出如下的联立方程，解出球心的坐标值对第一个面(x-a1)2+(y-b1)2+(z-c1)2+S1π=R02x-a1t1x=y-b1t1y=z-c1t1z---(2)]]>可解出两组值分别位于球心上下；对第二个面(x-a2)2+(y-b2)2+(z-c2)2+S2π=R02x-a2t2x=y-b2t2y=z-c2t2z---(3)]]>可解出两组值分别位于球心上下；由上面解出的四个球心，将其中最近的两点取平均值，即为球心在该轴的坐标值。
采用上述技术方案，本发明具有以下优点本发明通过计算球体在3D轴向的各扫描方向上的球心坐标，利用高斯曲线拟合算法确定球心坐标，既充分考虑到了磁共振成像的特点，又克服了现有算法受磁共振图像扭曲所导致的偏差，大大提高了球心计算的精度，使标定模在磁共振成像手术系统中的标定更精确。
图1是标定模结构示意2是标定模特征层结构示意3是采用固定成像设备所成图像示意4是图3三个截面位置的示意5是球体位于三维坐标中的示意6是沿三维坐标中的z轴扫描拟合出的高斯曲线图7是本发明实施例的几何关系示意图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
首先举一标定模实例(标定模结构不限与此)，对本发明要解决的问题做一简单介绍，如图1、图2所示，本实例介绍的标定模是由有机玻璃材料制成300mm×240mm×200mm的长方形标定模本体1，标定模本体1除底面外的其它五个面相似，每个面都具有一定厚度的特征层2，各面之间采用粘接或其它方式密封连接。在每一个特征层2内部都间隔设置有一层作为特征点3的球体，五个面的的所有特征点3共同组成了特征点集I。在每一特征层2的外表面与每个特征点3的位置对应，设置一个作为特征点4的凹坑，五个外表面上的特征点4共同组成了特征点集II。在标定模本体1内部，即六个面包起来的空间内是标定模溶液5，这类标定模溶液5可以采用氯化钠溶液、硫酸铜溶液等，具有提高负载和信噪比的作用。
标定模主要是用于标定和检验各坐标系之间的相互位置，由于特征点集I的特征点3能够从磁共振成像设备所成的图像中分析得到，特征点集II的特征点4能够被跟踪系统识别测量得到，并且特征点集I与特征点集II之间的关系已知(称为标定模的几何信息)，只要知道其中特征点集I中特征点3(或者特征点集II中特征点4)的坐标，就能推算出特征点集II中特征点4(或特征点集I中特征点3)的坐标，通过它们之间的关系便可以建立成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。
然而，根据各种成像设备(磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C型臂X线设备等)的成像特点可知，当固定成像设备对标定模中的特征点集I中的特征点3进行扫描时(如图3所示)，由于特征点3不是一个点，而是一个球体，扫描所得图像是积分得到的，并且所得到的图像并不规则，特别是距离设备扫描中心越远的位置，得到的图像变形越大(如图4中a、b、c所示)，因此不能从图像中直接得到球体的球心。
如图5、图6所示，为了得到特征点3真实的球心，本发明首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；用固定成像设备扫描特征点3，并沿同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，在扫描方向上的某一截面圆面积S和与该截面在扫描方向的坐标值可以组成一组值；由几何学可知，只要获得三组这样的值，就可以拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点(峰值点)对应的坐标值就是球心在该扫描方向上的坐标值。曲线在z轴上的0点达到峰值，说明该点就是球心在z轴方向的坐标值。按照同样的方法，可以得到球心在另外两个坐标轴(x、y)方向的坐标值，将每一个轴向上利用三个截面计算出球心在这个轴向上的坐标值，组合在一起即可确定球心坐标。
在扫描过程中，有时可能会只得到两幅截面图，这时首先需要由这两幅图拟合出经过圆心的第三幅截面图，然后再用上述方法计算出球心的坐标位置。
下面通过具体实例进行说明。
如图7所示，用一个平面去截一个球体，会得到一个圆，图中(x，y，z)代表球心坐标，d代表球心到截面圆的距离，R0代表球半径，r代表截面圆半径，(a，b，c)代表截面圆圆心，t1代表截面圆法线方向。它们之间存在这样的几何关系d2+r2＝R02(1)已知鱼肝油小球的近似半径是3mm，通过分析磁共振图像，可以得到截面圆的圆心坐标(a，b，c)、圆的面积S，利用圆面积S可以得到截面圆半径r，利用球心和圆心坐标可以得到d，从而可以利用公式(1)得到该轴向上的球心坐标(x，y，z)。
由几何关系，我们知道，只要知道了两个面的参数，就可以用几何的方法列出如下的联立方程，解出球心的坐标值来对第一个面(x-a1)2+(y-b1)2+(z-c1)2+S1π=R02x-a1t1x=y-b1t1y=z-c1t1z]]>这样可以解出两组值来，从几何上来讲是上下各一个。
对第二个面(x-a2)2+(y-b2)2+(z-c2)2+S2π=R02x-a2t2x=y-b2t2y=z-c2t2z]]>也可以解出两组值来，也是上下各一个。
由上面解出的四个球心，应该有两个其实是同一点(当然肯定存在误差)
所以我们求一下每两点间的距离，l1，l2，l3，l4，则距离最小的两点应该就是正确的球心点，所以把这两点取平均，得到我们要的球心的初值。
有了球心的初值，还知道球半径R0(R0大约在3mm左右)，也就得到了过球心的截面圆信息，综合已有的两个截面圆信息，就可以利用本发明方法计算球心。由于已经有了三个截面圆的信息(圆心，半径)，可以计算出圆面积，由于圆心坐标值已知，也就得到了3组值，每组值由扫描方向上的某一截面圆面积和与该截面在扫描方向的坐标值组成，把这三组值作为高斯曲线上的点坐标，就可以拟合出一条高斯曲线，从而得到球心在该扫描方向上的坐标值。利用同样的方法，可以得到球心在另两个方向上的坐标值，从而得到球心位置坐标。
权利要求
1.一种基于3D序列高精度成像的球心定位方法，其包括以下步骤(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。
2.如权利要求1所述的一种基于3D序列高精度成像的球心定位方法，其特征在于其中步骤(2)中，所述截面圆面积与该圆在扫描方向的坐标值组成的一组值中包括用(x，y，z)代表球心坐标，d代表球心到截面圆的距离，R0代表球半径，r代表截面圆半径，(a，b，c)代表截面圆圆心，t1代表截面圆法线方向；它们存在以下几何关系d2+r2＝R02(1)已知球体的近似半径R0，通过分析图像，可得到截面圆的圆心坐标(a，b，c)、圆的面积S，利用圆面积S可得到截面圆半径r，利用球心和圆心坐标可以得到球心到截面圆的距离d，从而利用公式(1)得到该轴向上的球心坐标(x，y，z)。由几何关系，只要知道其中两个面的参数，可用几何的方法列出如下的联立方程，解出球心的坐标值对第一个面(x-a1)2+(y-b1)2+(z-c1)2+S1π=R02x-a1t1x=y-b1t1y=z-c1t1z---(2)]]>可解出两组值分别位于球心上下；对第二个面(x-a2)2+(y-b2)2+(z-c2)2+S2π=R02x-a2t2x=y-b2t2y=z-c2t2z---(3)]]>可解出两组值分别位于球心上下；由上面解出的四个球心，将其中最近的两点取平均值，即为球心在该轴的坐标值。
全文摘要
本发明涉及一种基于3D序列高精度成像的球心定位方法，其包括以下步骤(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。本发明大大提高了球心计算的精度，使标定模在磁共振成像手术系统中的标定更精确。
文档编号G06T7/00GK101019772SQ20071006490
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者赵磊, 韦巍, 刘华根 申请人:新奥博为技术有限公司