专利名称：一种电极模型和头模型配准的方法
技术领域：
本发明涉及生物信息技术领域，特别涉及生物信息技术中的脑-机接口技术领域。
背景技术：
脑-机接口技术(Brain Computer Interface,BCI)主要利用计算机或其他外部电子设备采集脑电(Electroencephalography, EEG)数据，实现人脑与外界交互和控制通道。在分析脑电数据、研究脑部活动的过程中，脑电逆问题求解是最近几年的研究热点。而这些研究就是以电极模型和头模型配准作为基础，匹配精确的电极位置会使源定位的结果更加准确。另外，电极模型和头模型配准也是脑电与磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)融合的桥梁。
因为电极模型和头模型的坐标往往不是采用相同的测量手段获得，因此两种模型坐标无论模型规模大小还是使用的参考坐标系都存在很大的差别。现有的对电极模型和头模型配准过程是使用传统的ICP算法进行电极模型和头模型配准的方法(以下简称传统的ICP方法)。传统的ICP算法的数学定义可描述为给定2个来自不同坐标系的三维数据点集，找出2个点集的空间变换，以便它们能合适地进行空间匹配。假定用(PiIPi G R3, i =1，2，，…，N}表示第一个点集，(Qi I Qi G R3, i = I, 2，...，N}表示第二个点集，两个点集的对齐匹配转换为使下列(式I)的目标函数f(R，T)最小，目标函数f(R，T)用于表征两个模型间的距离f(RJ) = t^Q,^(im + T)f =mm (式 D(式I)中R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵。其计算过程是不断的利用四元素法或者奇异值分解的方法得到R与T，并对(式I)进行迭代，最终得到两次迭代的结果的误差不超过预先设定的误差限。从上述过程中可以发现，传统的ICP算法只意在旋转和平移点集一 Pi中的每个点，使得点集一 Pi与点集二 Qi间的距离达到稳定状态，却在匹配两个不同规模大小或者不同参考坐标系的点集上存在明显的不足。
发明内容
本发明的目的是为了更精确的匹配两个不同规模大小或者不同参考坐标系的点集，提出了一种电极模型和头模型配准的方法。本发明的技术方案是一种电极模型和头模型配准的方法，其特征在于，包括步骤步骤I :对电极模型和头模型进行基于参考点的预配准；步骤2 :采用改进型的ICP算法完成电极模型和头模型的精确匹配。上述步骤I中进行基于参考点的预配准的详细过程包括如下步骤
步骤11.将所有取至电极模型中的点定义成P点集，P(i)表示P点集中的第i个点，在未进行预配准的电极模型中选择鼻、左耳、右耳和头顶所对应的点作为参考点并记为P⑴、P (2)、P (3)和P (4)，所述头顶所对应的点P (4)采用Z轴方向最大值所对应的点；步骤12.将所有取至头模型中的点定义成Q点集，Q(i)表示Q点集中的第i个点，在未进行预配准的电极模型中选择鼻、左耳、右耳和头顶所对应的点作为参考点并记为Q(I)、Q (2)、Q (3)和Q (4)，所述头顶所对应的点Q (4)采用Z轴方向最大值所对应的点；步骤13.定义作为中间变量的矩阵V和W，其中V= {(P (4) -P(I)), (P (4) -P (2))，(P (4) -P (3))}W= {(Q (4) -Q(I)), (Q (4) -Q (2))，(Q (4) -Q (3))}；步骤14.计算旋转矩阵R=W T1，平移矩阵T=Q-RP=Q-WV4P,并将计算后的R、T带入如下公式R*P(i)+T -Q (i = I, ~，n)从而对所有电极模型中的点P (i)进行旋转和平移，将所有电极模型中的点P(i)转移到头模型的坐标系下，完成电极头模型的预配准；上述步骤2中采用改进型的ICP算法完成电极模型和头模型的精确匹配过程包括如下步骤步骤21.开始进行第k次迭代，在头模型Q点集中寻找与第k-1次变换后的电极模型Ph点集中每个点对应的最近点组成Qk点集；步骤22.利用奇异值分解算法或四元素法计算旋转矩阵R和平移矩阵T;步骤23.引入修正矩阵对步骤22计算所得的旋转矩阵(R矩阵)和平移矩阵(T矩阵)进行修正以使得使旋转矩阵和平移矩阵中都包含模型缩放变换的因素；该步骤的具体计算过程为对旋转矩阵和平移矩阵进行修正，首先需要计算每个模型的的空间大小，定义模型规模函数SizeO如下式
权利要求
1.一种电极模型和头模型配准的方法，其特征在于，包括步骤 步骤I:对电极模型和头模型进行基于参考点的预配准； 步骤2 :采用改进型的ICP算法完成电极模型和头模型的精确匹配。
2.根据权利要求I所述的一种电极模型和头模型配准的方法，其特征在于，所述步骤I中进行基于参考点的预配准的详细过程包括如下步骤 步骤11.将所有取至电极模型中的点定义成P点集，P (i)表示P点集中的第i个点，在未进行预配准的电极模型中选择鼻、左耳、右耳和头顶所对应的点作为参考点并记为P(I)、P (2)、P (3)和P (4)，所述头顶所对应的点P (4)采用Z轴方向最大值所对应的点； 步骤12.将所有取至头模型中的点定义成Q点集，Q(i)表示Q点集中的第i个点，在未进行预配准的电极模型中选择鼻、左耳、右耳和头顶所对应的点作为参考点并记为Q(I)、Q (2)、Q(3)和Q (4)，所述头顶所对应的点Q (4)采用Z轴方向最大值所对应的点； 步骤13.定义作为中间变量的矩阵V和W，其中 V= {(P (4) -P (I))，(P (4) -P (2))，(P (4) -P (3))} W= {(Q(4)-Q(I)), (Q⑷-Q⑵)，(Q(4)-Q(3))}； 步骤14.计算旋转矩阵R=W V'平移矩阵T=Q-RP=Q-WV-1P,并将计算后的R、T带入如下公式R*P(i)+T — Q (i = 1，~，n)从而对所有电极模型中的点P (i)进行旋转和平移，将所有电极模型中的点P(i)转移到头模型的坐标系下，完成电极头模型的预配准。
3.根据权利要求2所述的一种电极模型和头模型配准的方法，其特征在于，所述步骤2中采用改进型的ICP算法完成电极模型和头模型的精确匹配过程包括如下步骤 步骤21.开始进行第k次迭代，在头模型Q点集中寻找与第k-1次变换后的电极模型Pk-I点集中每个点对应的最近点组成Qk点集； 步骤22.利用奇异值分解算法或四元素法计算旋转矩阵R和平移矩阵T; 步骤23.引入修正矩阵对步骤22计算所得的旋转矩阵(R矩阵)和平移矩阵(T矩阵)进行修正以使得使旋转矩阵和平移矩阵中都包含模型缩放变换的因素；该步骤的具体计算过程为对旋转矩阵和平移矩阵进行修正，首先需要计算每个模型的的空间大小，定义模型规模函数size ()如下式si/e(A): i I|A(i.v).....M(y)||；,I ^||A(i,Z)-M(Z)|f) (diag 表示对角矩阵)I 其中A为传递给size函数的自变量，表示任意的模型，这里可以用来表示电极模型，也可以用来表示头模型，A(i)表是模型A中第i点的坐标向量，A(i，x)即表示这一坐标点的X坐标值，同理，A(i，y)、A(i，z)分别表示y、z轴坐标，M为模型A的中心点坐标向量；将上式分别代入电极模型和头模型，计算出电极模型空间大小size (P)，头模型空间大小Size(Q)，计算两模型的规模比构成3阶对角矩阵S作为修正矩阵，修正后的旋转矩阵R'与平移矩阵T'为S=size(Q)/size (P);R' =R S;；T' =R (S-E) M+T 其中E为三阶单位阵，M为电极模型或头模型的中心点向量，将修正后的旋转矩阵R'与平移矩阵T'替换传统ICP算法中的旋转矩阵R、平移矩阵T ； 步骤24.使用修正后的R'和T'对电极模型进行变换，这里的变换不仅包含了旋转变换、平移变换还包括了缩放变换，变换结果得到下一次的电极模型Pk+1点集，该具体过程为 Pk+i=R/ *VT/ ; n 步骤25.计算第k次变换后变换后的两模型间的距离
全文摘要
本发明涉及一种电极模型和头模型配准的方法，包括步骤步骤1对电极模型和头模型进行基于参考点的预配准；步骤2采用改进型的ICP算法完成电极模型和头模型的精确匹配。本发明的有益效果是由于本发明的方案采用在对电极模型和头模型进行配准是，首先进行基于参考点的预配准，然后再进一步的采用改进型的ICP方法完成电极模型和头模型的精确匹配。特别是在精确匹配的过程中引入修正矩阵来消除缩放变换的影响，因此相对于传统ICP方法，其配准过程更准确。
文档编号G06F3/01GK102708293SQ20121014700
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者尧德中, 徐鹏, 胡俊 申请人:电子科技大学