一种双平面超声探头的标定系统及标定方法

1.本发明涉及一种正交双平面超声探头的标定系统与标定方法，属于医疗器械、计算机视觉技术领域。


背景技术：

2.前列腺穿刺活检术，是前列腺癌诊断的金标准。超声图像因其采集的便利性、图像的实时性，常被用于引导前列腺穿刺手术。目前，临床上用到术前mr、术中超声融合的前列腺穿刺活检系统，需要获取二维超声图像的空间位置信息。通过在超声探头上固定电磁定位传感器，可以实时获取传感器的空间位姿信息。另外需要将超声探头进行标定，从而获得传感器坐标系到超声图像坐标系的转换关系，进而获得超声图像的空间位置信息。
3.目前，常见的超声图像标定方法，通过在水箱中令超声图像扫描n线体膜，形成若干个亮点，识别并计算亮点的空间位置信息，并结合其在超声图像中的像素坐标信息，从而计算标定矩阵。
4.现有的技术，超声标定仿体主要为单平面超声探头设计。对于双平面超声探头，由于其两个成像平面相互正交、视野有限，且无法全部浸没于水箱当中，因此难以找到合适的角度与位置使之能够扫描到n线仿体的全部点。由于超声图像成像质量较差，有反射、伪影等问题，且在超声截面与n线不完全垂直时亮斑面积过大，因此特征点识别精度较差。以上原因导致标定图像采集困难，以及计算得到的标定矩阵精度较低。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种方便易用的双平面超声探头标定系统，以及一种鲁棒、高精度的标定方法。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双平面超声探头标定系统，包括正交双平面超声探头，其具有两个超声成像截面，且两个截面相互正交；磁场发生器，用于产生用于电磁定位的磁场；磁导航定位接收器，其刚体固定于双平面超声探头上，在磁场发生器所产生的磁场当中，能够实时地获取自身的空间位置与姿态参数，从而标定后可用于获取两个超声截面的空间位姿参数；磁导航定位探针，在磁场发生器产生的磁场中，可以实时地获取针尖的空间位置参数，用于定位标定仿体；标定仿体，为一个长方体；容器及固定装置，用于盛放超声成像介质。
7.进一步地，所述标定仿体，使用树脂材质制成，整体为长方体，分为上下两个区域，各有一个方形孔洞，孔洞侧壁设有若干倒三角形通孔，穿插有尼龙线。
8.进一步地，所述标定仿体，上下两个区域的孔洞，均在侧壁打孔，穿插线，形成5 组n形。且对于仿体的上下两个区域，分别由尼龙线穿插而成的各5组n形线其形状、大小相同，相互垂直。上半区域用于采集超声探头矢状面标定所需的数据，下半区域用于采集超声探头横断面标定所需的数据。
9.进一步地，所述标定仿体，三角形通孔间所穿的线为尼龙材质，且直径与超声探头
所采用的超声波长相近，从而使得超声图像中，与尼龙线的交点更为清晰。
10.进一步地，所述容器及固定装置，容器高度足够盛放标定仿体及固定装置。固定装置可以将标定仿体固定于容器底部。容器可用于盛放人体温温度的热水并浸没标定仿体。容器四壁设有吸波材料用于减少超声反射。
11.一种基于双平面超声探头标定系统的标定方法，包括以下步骤：
12.步骤(1)标定数据采集：使用上述双平面超声探头标定系统，采集标定所需的原始数据；
13.步骤(2)标定数据标注：自动或非自动地，对于超声截面与标定仿体n形线相交形成的若干个点，自动或非自动地，根据特定几何关系，识别并标注其在图像中的坐标；
14.步骤(3)标定数据预处理：根据超声截面与标定仿体n形线相交形成的若干个点，其距离几何关系，计算与各组n线斜边相交而成的若干个特征点，在仿体坐标系下的坐标；
15.步骤(4)最小二乘法迭代优化，去除离群点并计算标定矩阵：计算从磁导航接收器坐标系到超声图像坐标系之间的坐标变换矩阵；
16.步骤(5)双平面标定矩阵求平均：根据超声探头两个成像平面相互正交的先验信息，对两个探头分别求得的标定矩阵求平均；
17.进一步地，所述步骤(1)的具体过程为：
18.步骤(1.1)将标定仿体竖直固定于容器内，令成像介质浸没仿体；
19.步骤(1.2)以磁场发生器为基准，建立磁场发生器坐标系；
20.步骤(1.3)使用针型探头，采集仿体定位数据，分别包括长方体标定仿体右表面、上表面、正面的若干个点的坐标；
21.步骤(1.4)确保磁导航定位接收器固定于超声探头中部；
22.步骤(1.5)采集横断面标定数据：令超声横断面与标定仿体下半部分的n线相交。
23.在保证超声图像与所有n形线相交且交点清晰可见的前提下，分别调整超声探头3个平移自由度，3个旋转自由度，采集若干张图像；
24.步骤(1.6)采集矢状面标定数据：令超声矢状面与标定仿体上半部分的n线相交。
25.在保证超声图像与所有n形线相交且交点清晰可见的前提下，分别调整超声探头3个平移自由度，3个旋转自由度，采集若干张图像；
26.进一步地，所述步骤(2)的具体过程为，考虑对于单帧图像中的前景点，有点abc 共线，def共线、ghi共线、jkl共线、mno共线，adg共线、beh共线、cfi共线，且有ac∥df∥gi，以及ag∥bh∥ci，则标注时可以排除其他不符合上述规则的噪声点的干扰，按照共线及平行规则，更准确地识别前景点
27.进一步地，所述步骤(4)的具体过程为：
28.步骤(4.1)、以磁场发射器为基准建立磁场发生器坐标系t(transmitter)，以标定仿体为基准建立仿体重建坐标系c(reconstruction)如图2所示，以磁导航定位接收器为基准建立接收器坐标系r(receiver)，以横断面、矢状面超声图像为基准建立图像坐标系 i(image)，则对于任一特征点，有坐标变换：pc＝t
ct
*t
tr
*t
ri
*pi；
29.步骤(4.2)、已知标定仿体的参数信息，使用已经采集到的长方体仿体的右表面、上表面、正面各30个点的磁场发生器坐标系坐标，计算发射器(transmitter)坐标系到仿体重建坐标系(reconstruction)的转换矩阵tct；
30.步骤(4.3)、以5点共面为依据，筛除离群点。对于上述标定图片当中的5个特征点，应属于同一平面。使用这5点的磁场发生器坐标系坐标拟合平面。若计算得到其中任意一点与平面的距离大于特定阈值，则丢弃该帧图片数据；
31.步骤(4.4)、使用迭代最小二乘拟合从图像(image)坐标系到传感器/接收器(receiver) 坐标系的转换矩阵tri；
32.步骤(4.5)、使用上述第6步求得的标定矩阵t
ri
，对现有关键点进行坐标变换，重建其仿体坐标系坐标；
33.步骤(4.6)、对于计算得到的仿体坐标系坐标，与真实值相差较大的点，作为离群点筛除；
34.步骤(4.7)、重复(4.4)～(4.6)，直至没有离群点被筛除，得到该横断面或矢状面的标定矩阵t
ri
。
35.进一步地，所述步骤(5)的具体过程为
36.步骤(5.1)、对于横断面、矢状面，其标定矩阵形式上均为4*4矩阵步骤(5.1)、对于横断面、矢状面，其标定矩阵形式上均为4*4矩阵其中其物理意义分别是超声探头轴线方向、正上方、正右方在接收器坐标系下的方向向量；
37.步骤(5.2)、令构造新的横断面、矢状面标定矩阵
38.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
39.1.本发明中的标定仿体设计标准化，制作成本低，且侧壁倒三角形孔的设计保证了穿插尼龙线坐标的精确性；
40.2.本发明中的标定仿体，其n形线分为上下两个区域且互相垂直，适用于双平面标定仿体横断面、矢状面相互垂直的情况。固定好标定仿体后，将超声探头竖直插入成像介质中，可使用标定仿体的上下两个区域的n形线，分别采集两个平面所需的标定图像，超声成像平面与n形线大致垂直，则图像中的特征点更清晰，更易识别；
41.3.本发明提出的标定图像采集流程，系统地规定了图像采集过程中探头的移动方式，分别调整3个平移自由度和3个旋转自由度，从而采集到大量不同位姿下的超声数据，有利于标定矩阵求解的准确性；
42.4.本发明提出的标定仿体定位方法，通过使用多点坐标分别最小二乘拟合长方形仿体3 个平面的方式，避免了人工定位特定点的操作难度，且提高了仿体位置计算的稳定性；
43.5.本发明规定的标定仿体5组n形线穿线方式，提供了n形线垂直的先验信息，有助于标定图像人工标注时识别关键点；
44.6.本发明提出的标定图像预处理方式，通过筛除离群点，提高了标定矩阵的计算精度；
45.7.本发明提出的双平面垂直校准后处理，通过引入超声探头双平面垂直的信息，
降低了标定矩阵的计算误差。
附图说明
46.图1为本发明所描述的标定系统所有硬件放置位置示意图；
47.图2为使用标定仿体下半部分n形线，采集超声探头横断面标定数据(左图)；使用标定仿体桑半部分n形线，采集超声探头矢状面标定数据(右图)
48.图3为标定过程所涉及的几个坐标系的示意图；
49.图4为本发明所描述的标定仿体的立体视图，不包括其中穿插的丝线组；
50.图5为本发明所描述的标定仿体主视图；
51.图6为本发明所描述的标定仿体右视图；
52.图7为仿体中穿插所有丝线组的示意图；
53.图8为仿体中穿插的一组n形线示意图；
54.图9为采集到的单帧矢状面标定图像示例；
55.图10为标定全过程的流程图。
56.图中：1、正交双平面超声探头，2、磁场发生器，3、磁导航定位接收器，4、超声扫描截面，5、标定仿体，6、容器。
具体实施方式
57.以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应被理解成对本发明的限制。
58.实施例1：参见图1、4、5、6、7，一种双平面超声探头标定系统，包括正交双平面超声探头1，其具有两个超声成像截面4，且两个截面相互正交；磁场发生器2，用于产生用于电磁定位的磁场；磁导航定位接收器3，其刚体固定于双平面超声探头上，在磁场发生器所产生的磁场当中，能够实时地获取自身的空间位置与姿态参数，从而标定后可用于获取两个超声截面的空间位姿参数；磁导航定位探针，在磁场发生器产生的磁场中，可以实时地获取针尖的空间位置参数，用于定位标定仿体；标定仿体5，为一个长方体；容器6及固定装置，用于盛放超声成像介质。
59.所述标定仿体5，使用树脂材质制成，如图4、5、6、7所示，整体为长方体，分为上下两个区域，各有一个方形孔洞，孔洞侧壁设有若干倒三角形通孔，可用于穿插丝线。
60.所述标定仿体5，如图7所示，上下两个区域的孔洞，均在侧壁打孔，穿插线，形成5组n形线。且对于仿体的上下两个区域分别由尼龙线穿插而成的各5组n形线其形状、大小相同，相互垂直。
61.所述标定仿体5，如图7所示，尼龙线穿插形成5组n形线，其中3组n形线相互平行，即图7中c、d、e 3组n形线；另外2组n形线与前述n形线的斜边方向相反，即图7中a、b 2组n形线。如图7所示，由内向外，共a、b、c、d、e 5组n形线。
62.所述标定仿体5，三角形通孔间所穿的线为尼龙材质，且直径与超声探头所采用的超声波长相近。
63.所述容器6及固定装置，容器高度足够盛放标定仿体及固定装置。固定装置可以将标定仿体固定于容器底部。容器可用于盛放人体温温度的热水并浸没标定仿体。容器四壁
设有吸波材料，用于减少超声反射。
64.实施例2：参见图2、3、8、9、10，基于上述双平面超声探头标定系统，本发明还提供一种基于双平面超声探头标定系统的标定方法，包括以下步骤：
65.(1)标定数据采集：使用上述双平面超声探头标定系统，采集标定所需的原始数据，具体如下，
66.(1.1)将标定仿体竖直固定于容器内，令清水浸没仿体。加热水，使之达到人体温 37℃；
67.(1.2)以磁场发生器为基准，建立磁场发生器坐标系；
68.(1.3)使用针形探头，采集仿体定位数据。即，任意地采集长方体仿体右表面、上表面、正面各30个点的磁场发生器坐标系坐标；
69.(1.4)将磁导航定位接收器固定于超声探头中部；
70.(1.5)采集横断面标定数据，如图2(左)所示；
71.(1.5.1)将超声探头竖直插入水中，前半段浸没于水中。调整超声探头位置，从而其横断面视野与仿体下半部分5组n线相交，横断面成像上能够清晰地看到与5组n线对应的共15个亮点；
72.(1.5.2)以0.3s每帧的频率采集共360张图像，同时采集磁导航定位接收器的位姿数据。期间，分别在标定仿体坐标系的x、y、n方向平移超声探头，以超声探头轴线方向为轴旋转超声探头、超声探头成像平面朝向仿体，俯仰超声探头、超声探头成像平面朝向仿体，左右旋转超声探头，并且保证15个亮点清晰可见；
73.(1.6)采集矢状面标定数据，如图2(右)所示：
74.(1.6.1)将超声探头竖直插入水中，前半段浸没于水中。调整超声探头位置，从而其矢状面视野与仿体下上半部分5组n线相交，横断面成像上能够清晰地看到与5组n 线对应的共15个亮点；
75.(1.6.2)以0.3s每帧的频率采集共360张图像，同时采集磁导航定位接收器的位姿数据。期间，分别在标定仿体坐标系的x、y、n方向平移超声探头，以超声探头轴线方向为轴旋转超声探头、超声探头成像平面朝向仿体，俯仰超声探头、超声探头成像平面朝向仿体，左右旋转超声探头，并且保证15个亮点清晰可见；
76.(2)标定数据标注：在标定数据采集完成后，需对图像进行人工标注。如图9所示，以横断面超声截面标定图像为例，超声截面与5组n线相交形成a～o共15个亮点，人工标注这15个点在图像坐标系中的像素坐标。进一步的，按照图7规定的5组n线穿插方式，则对于图9所示的矢状面标注数据中的前景点，有点abc共线，def共线、 ghi共线、jkl共线、mno共线，adg共线、beh共线、cfi共线，且有ac∥df∥gi，以及ag∥bh∥ci。人工标注时，可以排除其他不符合上述规则的噪声点的干扰，按照共线及平行规则，更准确地识别前景点；
77.(3)标定数据预处理：对于超声截面与5组n线相交而成的15个点，计算其中与每组n线斜边相交而形成的5个点，在标定仿体坐标系下的坐标。如图6所示，以一组 n线为例，共包括3条边，ac、eg、ik，其中，点a、c、e、g、i、k分别是n线与标定仿体内壁的交点。标定图像采集过程中，超声截面bfj与这组n线相交于b、f、j三个点。另外的，边ac、eg延长线相交于点d，边eg、ik延长线相交于点h，则有
△
bdf～
△
jhf，因此，有在标定仿体形状已知的
前提下，容易计算点d,h 坐标。则有
78.(4)最小二乘法迭代优化，去除离群点并计算标定矩阵：计算从磁导航接收器坐标系到超声图像坐标系之间的坐标变换矩阵；
79.(4.1)以磁场发射器为基准建立磁场发生器坐标系t(transmitter)，以标定仿体为基准建立仿体重建坐标系c(reconstruction)如图3所示，以磁导航定位接收器为基准建立接收器坐标系r(receiver)，以横断面、矢状面超声图像为基准建立超声图像坐标系 i(image)，则对于任一特征点，有坐标变换：pc＝t
ct
*t
tr
*t
ri
*pi；
80.(4.2)已知标定仿体的参数信息，使用已经采集到的长方体仿体的右表面、上表面、正面各30个点的磁场发生器坐标系坐标，计算发射器(transmitter)坐标系到仿体重建坐标系(reconstruction)的转换矩阵t
ct
；
81.(4.2.1)分别对于仿体右表面、上表面、正面的各30个点，最小二乘法拟合平面方程a*x+b*y+c*n-1＝0，对于3个平面分别计算出3组平面参数a1、b1、c1、 a2、b2、c2、a3、b3、c3；
82.(4.2.2)使用3组平面参数，联例计算长方体标定仿体正面右上角点的磁场发生器坐标系坐标；
83.(4.2.3)使用3组平面参数，分别计算长方体标定仿体其x、y、z轴正方向的磁场发生器坐标系坐标；
84.(4.2.4)使用2.2、2.3所示的1个点坐标和3个方向向量，共4个齐次坐标，最小二乘法拟合，计算磁场发生器t坐标系到仿体重建坐标系c的转换矩阵tct；
85.(4.3)以5点共面为依据，筛除离群点。对于上述每张图片当中的5个点，应属于同一平面。使用5点坐标拟合平面：
86.(4.3.1)对于每张标定图像计算出的5个n线斜边交点的磁场发生器坐标系坐标，拟合平面；
87.(4.3.2)分别计算5个点与平面的距离；
88.(4.3.3)如果任意一点与平面的距离大于特定阈值，则抛弃该帧标定图像的所有数据，不再参与计算；
89.(4.4)使用迭代最小二乘拟合从图像(image)坐标系到传感器/接收器(receiver)坐标系的转换矩阵t
ri
：
90.(4.4.1)对于标定数据预处理步骤当中，标注出的所有特征点，由其仿体重建坐标系坐标计算其磁场发生器坐标系坐标p
t
＝inverse(t
ct
)*pc；
91.(4.4.2)对于上述步骤中的各磁场发生器坐标系坐标，计算其接收器坐标系坐标 pr＝inverse(t
tr
)*p
t
，其中，t
tr
为磁导航定位接收器到发射器之间的转换矩阵，由磁导航定位设备获取；
92.(4.4.3)任意选择一组6个参数构造初始的刚体变换矩阵，包括沿x轴旋转γ角度、沿y轴旋转β角度、沿n轴旋转α角度、平移(x,y,z)；
[0093][0094]
(4.4.4)、修改矩阵变换参数α、β、γ、x、y、n，重新构造变换矩阵；
[0095]
(4.4.5)、计算
[0096]
(4.4.6)、计算差值
[0097]
(4.4.7)、如果差值更小则保留该步骤的迭代修改；
[0098]
(4.4.8)、重复步骤(4.4.4)～(4.4.7)，直至误差收敛。
[0099]
(4.5)使用上述第6步求得的标定矩阵t
ri
，对现有关键点进行坐标变换，重建其仿体坐标系坐标；
[0100]
(4.6)对于计算得到的仿体重建坐标系坐标，与真实值相差较大的点，作为离群点筛除；
[0101]
(4.7)重复(4.4)～(4.6)，直至没有离群点被筛除，得到该横断面或矢状面的标定矩阵t
ri
；
[0102]
(5)、双平面标定矩阵求平均：根据超声探头两个成像平面相互正交的先验信息，对两个探头分别求得的标定矩阵求平均；
[0103]
(5.1)、对于横断面、矢状面，其标定矩阵形式上均为4*4矩阵(5.1)、对于横断面、矢状面，其标定矩阵形式上均为4*4矩阵其中其物理意义分别是超声探头轴线方向、正上方、正右方在接收器坐标系下的方向向量；
[0104]
(5.2)、令构造新的横断面、矢状面标定矩阵
[0105]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。