专利名称：一种控制成像设备扫描平面的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种成像技术领域，特别是一种控制成像设备扫描平面的系统及方法。
背景技术：
在一些成像设备(例如磁共振、CT和PET-CT)采取的传统扫描操作中，为了精确地扫描某个目标，就需要扫描平面精确地通过此目标。为此，通常采用的方法是首先扫描一组或两组定位图像，以便通过这些定位图像找到此目标的部分影像，然后通过这些部分影像精确地确定此目标的位姿(位姿即位置和姿态的总称，姿态可分解为三个互相垂直的方向)数据从而建立所需扫描平面，使扫描平面精确通过这些部分影像，从而精确地扫描出此目标。例如扫描一个针状器械，首先采用一组与此针状器械形成一定角度的平面扫描该针状器械4(如图1所示)，得到一系列定位图像。这些定位图像上的每一个平面都将显示一点状的针状器械的横截面影像。然后根据横截面影像上的点建立扫描平面5(如图2所示)，使扫描平面5通过这些点，从而针状器械4的影像可以完全地显示在一副图像上。如果上述扫描过程中得到的定位图像6不能很好地显示待扫描目标的部分影像，操作者就会反复扫描定位图像，直到获得可辨认出待扫描目标的部分影像的定位图像才能进一步扫描出待扫描目标，这种方法会使扫描操作效率降低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种实时、高效、精确地扫描出目标图像的控制成像设备扫描平面的系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种控制成像设备扫描平面的系统，其特征在于，它包括示踪器，其上建立有示踪器坐标系，并固定设置在待扫描目标上；跟踪设备，其上建立有跟踪设备坐标系，用于获取所述示踪器在所述跟踪设备坐标系中的位姿，并将已知的所述待扫描目标的位姿从所述示踪器坐标系中转换到所述跟踪设备坐标系中；成像设备，其上建立有成像设备坐标系，用于将所述成像设备坐标系中的待扫描目标的位姿扫描成图像；所述跟踪设备或成像设备内预置有一转换模块，用于将所述待扫描目标的位姿从所述跟踪设备坐标系转换到所述成像设备坐标系中；当所述转换模块预置在所述跟踪设备中时，所述跟踪设备将所述成像设备坐标系中的待扫描目标的位姿输送给所述成像设备；当所述转换模块预置在所述成像设备中时，所述跟踪设备将所述跟踪设备坐标系中的待扫描目标的位姿输送给所述成像设备。
所述转换模块Ctrackscan的表达式为 式中，Ctrackscan为4×4矩阵，Rtrackscan为3×3旋转矩阵，Ttrackscan为3维平移向量。
所述示踪器包括一位姿传感器和一固定支架，所述位姿传感器通过所述支架固定设置在所述待扫描目标上，所述位姿传感器的位姿为所述示踪器的位姿。
所述示踪器在所述跟踪设备坐标系中的位姿Ctooltrack表达式为 式中，Ctooltrack为4×4矩阵，Rtooltrack为3×3旋转矩阵，Ttooltrack为3维平移向量。
一种控制成像设备扫描平面的方法，其包括以下步骤1)设置一包括示踪器、跟踪设备和成像设备的系统，将示踪器固定设置在待扫描目标上，将一跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块预置在跟踪设备或成像设备内；2)将成像设备对待扫描目标进行扫描的平面作为扫描平面G，平面G在示踪器坐标系里的表达式为 其中Xtool为平面G上的任意一点在示踪器坐标系中的坐标，其为一3维向量；
为示踪器坐标系中平面G的法向，其为一归一化3维向量；Stool为平面G上的一已知点在示踪器坐标系中的坐标，其为一3维向量；3)跟踪设备测量示踪器在跟踪设备坐标系下的位姿Ctooltrack；4)利用步骤3)中的Ctooltrack，跟踪设备计算出扫描平面G在跟踪设备坐标系中的平面方程 其中
为扫描平面G在跟踪设备坐标系中的法向，其为一归一化3维向量；Xtrack为扫描平面G上的任意一点在跟踪设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；Strack为平面G上的一已知点在跟踪设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；5)利用跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan，计算出扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程 其中
为扫描平面G在成像设备坐标系中的法向，其为一归一化3维向量；Xscan为扫描平面G上的任意一点在成像设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；Sscan为扫描平面G上的一已知点在成像设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；6)依据步骤5)得出的扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程，成像设备完成待扫描目标的影像扫描。
所述步骤1)中，跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan的表达式为 式中，Ctrackscan为4×4矩阵，Rtrackscan为3×3旋转矩阵，Ttrackscan为3维平移向量。
所述步骤3)中，示踪器在跟踪设备坐标系中的位姿Ctooltrack表达式为 式中，Ctooltrack为4×4矩阵，Rtooltrack为3×3旋转矩阵，Ttooltrack为3维平移向量。
所述步骤5)中，若转换模块预置在跟踪设备内，扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程由跟踪设备计算出来，并输送给成像设备。
所述步骤5)中，若转换模块预置在成像设备内，扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程由成像设备计算出来。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明系统由于设置了示踪器、跟踪设备和成像设备，定义示踪器坐标系、跟踪设备坐标系和成像设备坐标系分别为固连于示踪器、跟踪设备和成像设备的坐标系，并将示踪器固定设置在待扫描目标(包括器械、病灶等)上，使得示踪器随着待扫描目标的运动而运动，因此可以通过跟踪设备实时而精确地测量示踪器的位姿，结合已知的待扫描目标在示踪器坐标系中的位姿和跟踪设备坐标系与示踪器坐标系的转换关系，可以实时而精确地获得待扫描目标在跟踪设备坐标系中的位姿，再通过事先标定好的精确的跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换关系，可以实时而精确地获得待扫描目标在成像设备坐标系中的位姿，减少了人工操作(例如手工设置定位图像的位置、角度)带来的误差以及人工操作导致的低效率，实时地获得待扫描目标位姿，快速而精确地得到待扫描目标的图像。此外，器械可当作扫描探头使用，即它指向哪里，就可以扫描哪里，从而提高了操作的灵活性。2、由于本发明系统预先在跟踪设备或成像设备设置有跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块，因此可以将跟踪设备坐标系下的目标位姿实时转换到成像设备坐标系中，因此更进一步节省了操作时间，提高了成像速度。本发明成像速度快、精度高，可以广泛用于各种成像设备中。
图1是现有技术中的定位图像 图2是现有技术中的建立扫描平面的示意图 图3是本发明系统的结构示意图 图4是本发明中使用的扫描平面的示意图
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图3所示，本发明系统包括示踪器1、跟踪设备2和成像设备3，在示踪器1、跟踪设备2和成像设备3上分别建立与各自对应的的坐标系，即示踪器坐标系tool、跟踪设备坐标系track、成像设备坐标系scan。
其中，本发明的示踪器1包括一位姿传感器和一固定用的支架，位姿传感器通过支架固定设置在待扫描目标(包括器械、病灶等)上。在示踪器坐标系tool中，位姿传感器的位姿即可作为示踪器1的位姿。本实施例中，位姿传感器可以是3个不共线的外表为荧光粉涂层的塑料球，跟踪设备2可以采用基于双目视觉的光学相机加上计算机及处理软件的组合。跟踪设备2可以测量位姿传感器的位姿，因此跟踪设备2通过跟踪测量示踪器1中位姿传感器的位姿，可以获取示踪器1在跟踪设备坐标系track中的位姿Ctooltrack，也就是坐标由示踪器坐标系tool转换到跟踪设备坐标系track时所采用的变换矩阵，其表达式为 式中，Ctooltrack为4×4矩阵，Rtooltrack为3×3旋转矩阵，Ttooltrack为3×1矩阵，即3维平移向量。Ctooltrack、Rtooltrack和Ttooltrack的下标为tool、上标为track，这表示这些变量可将位置或方向从示踪器坐标系tool转换到跟踪设备坐标系track中。例如，采用下面的公式可以将某一点Q在示踪器坐标系tool中的坐标Qtool(即3×1矩阵表示的3维向量，上标tool表示此坐标位于示踪器坐标系tool)转换为在跟踪设备坐标系track中的坐标Qtrack(即3×1矩阵表示的3维向量，上标track表示此坐标位于跟踪设备坐标系track)，其表达式为 某一个方向
在示踪器坐标系tool中可以用单位向量
表示(即3×1矩阵表示的归一化3维向量，上标tool表示此单位向量位于示踪器坐标系tool)，在跟踪设备坐标系track中此方向转换为单位向量
(即3×1矩阵表示的归一化3维向量，上标track表示此单位向量位于跟踪设备坐标系track)的公式为 为了使成像设备3能够使用跟踪设备坐标系track中的位姿数据，需要将跟踪设备坐标系track中的位姿数据转换到成像设备坐标系scan中。负责完成这种转换的矩阵为跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan，其表达式为 式中，Ctrackscan为4×4矩阵，Rtrackscan为3×3旋转矩阵，Ttrackscan为3×1矩阵，即3维平移向量。Ctrackscan、Rtrackscan和Ttrackscan的下标为track、上标为scan，这表示这些变量可将位置或方向从跟踪设备坐标系track转换到成像设备坐标系scan。例如，采用下面的公式可将某一点Q在跟踪设备坐标系track中的坐标Qtrack(即3×1矩阵表示的3维向量，上标track表示此坐标位于跟踪设备坐标系track)转换为在成像设备坐标系scan中的坐标Qscan(即3×1矩阵表示3维向量，上标scan表示此坐标位于成像设备坐标系scan)，其表达式为 某一个方向
在跟踪设备坐标系track中可用单位向量
表示(即3×1矩阵表示的归一化3维向量，上标track表示此单位向量位于跟踪设备坐标系track)，在成像设备坐标系scan中此方向转换为单位向量
(即3×1矩阵表示的归一化3维向量，上标scan表示此单位向量位于成像设备坐标系scan) 跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan可以预置在跟踪设备2内，也可以预置在成像设备3内，Ctrackscan将跟踪到的待扫描目标位姿从跟踪设备坐标系track转换到成像设备坐标系scan中。当Ctrackscan预置在跟踪设备2内时，跟踪设备2将待扫描目标位姿从跟踪设备坐标系track中转换到成像设备坐标系scan中，并输送给成像设备3；当Ctrackscan预置在成像设备3内时，跟踪设备2将在跟踪设备坐标系track中的待扫描目标位姿输送给成像设备3，由成像设备3将待扫描目标位姿从跟踪设备坐标系track中转换到成像设备坐标系scan中。成像设备3依据自身坐标系中的待扫描目标位姿完成图像扫描。
跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan可以通过其它技术标定得到，比如由专利ZL200710064900.2《一种支持多种模式的导航系统及导航方法》可得到跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan的逆矩阵Cscantrack，则通过求逆即可得到Ctrackscan 如图4所示，对于针状器械4，常用的扫描平面有三种类型平面7和平面8互相垂直且经过针状器械4，平面9则垂直于平面7和平面8。这三种平面的影像结合起来观察就能快速地提供针状器械的全面影像信息。此外还可以将针状器械4当作扫描探头使用，即它指向哪里，就可以扫描哪里，从而提高了操作的灵活性。
利用本发明系统控制成像设备扫描平面的方法，其包括以下步骤 1)设置一包括示踪器1、跟踪设备2和成像设备3的系统，将示踪器1固定设置在待扫描目标上，将一跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan预置在所述跟踪设备2或成像设备3内。
2)成像设备3将采用一个具有一定厚度的平面作为扫描平面G，平面G在示踪器坐标系tool里的表达式为 其中Xtool为平面G上的任意一点在示踪器坐标系tool中的坐标，其是一未知3×1矩阵，即一未知3维向量；在示踪器坐标系tool中平面G的法向表示为
其是一3×1矩阵，即一归一化3维向量，Stool为平面G上的一已知点在示踪器坐标系tool中的坐标，其是一3×1矩阵，即一3维向量。Xtool、
和Stool的上标tool表示这些向量位于示踪器坐标系tool中。
和Stool为已知量，在设计示踪器1时就已经通过机械设计或者标定等方法得到。
3)跟踪设备2测量示踪器1在跟踪设备坐标系track中的位姿Ctooltrack，Ctooltrack是将坐标由示踪器坐标系tool转换到跟踪设备坐标系track时所采用的变换矩阵，即公式(1) 4)跟踪设备2利用公式(1)中的示踪器1在跟踪设备坐标系track中的位姿Ctooltrack以及公式(2)、(3)和(8)，计算出扫描平面G在跟踪设备坐标系track中的平面方程 其中扫描平面G的法向在跟踪设备坐标系track中表示为
其是一3×1矩阵，即一归一化3维向量，上标track表示此单位向量位于跟踪设备坐标系track；Xtrack为扫描平面G上的任意一点在跟踪设备坐标系track中的坐标，其是一未知3×1矩阵，即一未知3维向量，上标track表示此向量位于跟踪设备坐标系track；Strack为平面G上的一已知点在跟踪设备坐标系track中的坐标，其是一3×1矩阵，即一3维向量，上标track表示此向量位于跟踪设备坐标系track。
5)跟踪设备2利用公式(4)中的跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换关系Ctrackscan以及公式(5)、(6)、(9)、(10)和(11)，计算出扫描平面G在成像设备坐标系scan中的平面方程 其中扫描平面G在成像设备坐标系scan中的法向表示为
其是一3×1矩阵，即一归一化3维向量，上标scan表示此单位向量位于成像设备坐标系scan；Xscan为扫描平面G上的任意一点在成像设备坐标系scan中的坐标，其是一未知3×1矩阵，即一未知3维向量，上标scan表示此单位向量位于成像设备坐标系scan；Sscan为扫描平面G上的一已知点在成像设备坐标系scan中的坐标，其是一3×1矩阵，即一3维向量，上标scan表示此单位向量位于成像设备坐标系scan。完成扫描平面G在成像设备坐标系scan中的平面方程(12)、(13)、(14)的计算后，跟踪设备2将此平面方程传输至成像设备3。
6)成像设备3依据扫描平面G在成像设备坐标系scan中的平面方程(12)、(13)、(14)完成待扫描目标的影像扫描。
上述步骤5)中，也可以先由跟踪设备2将扫描平面G在跟踪设备坐标系track中的平面方程(9)、(10)、(11)传输至成像设备3，然后由成像设备3计算出扫描平面G在成像设备坐标系scan中的平面方程(12)、(13)、(14)。
权利要求
1.一种控制成像设备扫描平面的系统，其特征在于，它包括
示踪器，其上建立有示踪器坐标系，并固定设置在待扫描目标上；
跟踪设备，其上建立有跟踪设备坐标系，用于获取所述示踪器在所述跟踪设备坐标系中的位姿，并将已知的所述待扫描目标的位姿从所述示踪器坐标系中转换到所述跟踪设备坐标系中；
成像设备，其上建立有成像设备坐标系，用于将所述成像设备坐标系中的待扫描目标的位姿扫描成图像；
所述跟踪设备或成像设备内预置有一转换模块，用于将所述待扫描目标的位姿从所述跟踪设备坐标系转换到所述成像设备坐标系中；当所述转换模块预置在所述跟踪设备中时，所述跟踪设备将所述成像设备坐标系中的待扫描目标的位姿输送给所述成像设备；当所述转换模块预置在所述成像设备中时，所述跟踪设备将所述跟踪设备坐标系中的待扫描目标的位姿输送给所述成像设备。
2.如权利要求1所述的一种控制成像设备扫描平面的系统，其特征在于所述转换模块Ctrackscan的表达式为
式中，Ctrackscan为4×4矩阵，Rtrackscan为3×3旋转矩阵，Ttrackscan为3维平移向量。
3.如权利要求2所述的一种控制成像设备扫描平面的系统，其特征在于所述示踪器包括一位姿传感器和一固定支架，所述位姿传感器通过所述支架固定设置在所述待扫描目标上，所述位姿传感器的位姿为所述示踪器的位姿。
4.如权利要求1所述的一种控制成像设备扫描平面的系统，其特征在于所述示踪器包括一位姿传感器和一固定支架，所述位姿传感器通过所述支架固定设置在所述待扫描目标上，所述位姿传感器的位姿为所述示踪器的位姿。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种控制成像设备扫描平面的系统，其特征在于所述示踪器在所述跟踪设备坐标系中的位姿Ctooltrack表达式为
式中，Ctooltrack为4×4矩阵，Rtooltrack为3×3旋转矩阵，Ttooltrack为3维平移向量。
6.一种使用如权利要求1～5中任一项所述系统的控制成像设备扫描平面的方法，其包括以下步骤
1)设置一包括示踪器、跟踪设备和成像设备的系统，将示踪器固定设置在待扫描目标上，将一跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块预置在跟踪设备或成像设备内；
2)将成像设备对待扫描目标进行扫描的平面作为扫描平面G，平面G在示踪器坐标系里的表达式为
其中Xtool为平面G上的任意一点在示踪器坐标系中的坐标，其为一3维向量；
为示踪器坐标系中平面G的法向，其为一归一化3维向量；Stool为平面G上的一已知点在示踪器坐标系中的坐标，其为一3维向量；
3)跟踪设备测量示踪器在跟踪设备坐标系下的位姿Ctooltrack；
4)利用步骤3)中的Ctooltrack，跟踪设备计算出扫描平面G在跟踪设备坐标系中的平面方程
其中
为扫描平面G在跟踪设备坐标系中的法向，其为一归一化3维向量；Xtrack为扫描平面G上的任意一点在跟踪设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；Strack为平面G上的一已知点在跟踪设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；
5)利用跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan，计算出扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程
其中
为扫描平面G在成像设备坐标系中的法向，其为一归一化3维向量；Xscan为扫描平面G上的任意一点在成像设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；Sscan为扫描平面G上的一已知点在成像设备坐标系中的坐标，其为一3维向量；
6)依据步骤5)得出的扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程，成像设备完成待扫描目标的影像扫描。
7.如权利要求6所述的一种控制成像设备扫描平面的方法，其特征在于所述步骤1)中，跟踪设备坐标系与成像设备坐标系的转换模块Ctrackscan的表达式为
式中，Ctrackscan为4×4矩阵，Rtrackscan为3×3旋转矩阵，Ttrackscan为3维平移向量。
8.如权利要求6或7所述的一种控制成像设备扫描平面的方法，其特征在于所述步骤3)中，示踪器在跟踪设备坐标系中的位姿Ctooltrack表达式为
式中，Ctooltrack为4×4矩阵，Rtooltrack为3×3旋转矩阵，Ttooltrack为3维平移向量。
9.如权利要求6或7所述的一种控制成像设备扫描平面的方法，其特征在于所述步骤5)中，若转换模块预置在跟踪设备内，扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程由跟踪设备计算出来，并输送给成像设备。
10.如权利要求6或7所述的一种控制成像设备扫描平面的方法，其特征在于所述步骤5)中，若转换模块预置在成像设备内，扫描平面G在成像设备坐标系中的平面方程由成像设备计算出来。
全文摘要
本发明涉及一种控制成像设备扫描平面的系统及方法，它包括示踪器，其上建立有示踪器坐标系，并固定设置在待扫描目标上；跟踪设备，其上建立有跟踪设备坐标系，用于获取示踪器在跟踪设备坐标系中的位姿，并将已知的待扫描目标的位姿从示踪器坐标系中转换到跟踪设备坐标系中；成像设备，其上建立有成像设备坐标系，用于将成像设备坐标系中的待扫描目标的位姿扫描成图像；跟踪设备或成像设备内预置有一转换模块，用于将待扫描目标的位姿从跟踪设备坐标系转换到成像设备坐标系中；当转换模块预置在跟踪设备中时，跟踪设备将成像设备坐标系中的待扫描目标的位姿输送给成像设备；当转换模块预置在成像设备中时，跟踪设备将跟踪设备坐标系中的待扫描目标的位姿输送给成像设备。本发明能够实时、高效、精确地扫描出目标图像，可以广泛用于各种成像设备中。
文档编号H04N1/04GK101783856SQ20101013067
公开日2010年7月21日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者赵磊, 韦巍, 刘华根 申请人:新奥博为技术有限公司