一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法及装置

1.本发明涉及温度场测量技术领域，更具体地说，涉及一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法及装置。


背景技术：

2.温度是表征物体冷热程度的物理量，是各种物质的物理化学变化的重要条件，在工农业生产以及生活中的其它领域中均有大量的温度测量需求，尤其是在烧灼类的生物实验和临床手术过程中更是需要被全程监测的一项重要指标。
3.在对生物组织烧灼的过程中，往往被加热的区域面积较大，温度变化快且变化范围广，并且，在生物组织结构受热后很容易发生形变。
4.因此，为了更精确的对生物组织进行烧灼，就需要对生物组织表面的温度场进行大面积的、快速响应的、高精度的以及三维立体的动态监测。
5.那么，如何提供一种大面积的、快速响应的、高精度的以及三维立体的生物组织表面温度场的动态监测方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法及装置，技术方案如下：
7.一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法，所述方法包括：
8.建立温度监测系统，所述温度监测系统至少包括第一彩色摄像机、第二彩色摄像机、投影仪、红外摄像机、热电偶阵列以及上位机；
9.确定所述第一彩色摄像机、所述第二彩色摄像机、所述红外摄像机的几何位置，以及所述投影仪发出结构光的结构光方程；
10.结合所述热电偶阵列对红外纹理图像的温度信息进行动态标定，所述红外纹理图像为所述红外摄像机对待测生物组织表面的红外纹理图像；
11.获取待测生物组织表面的彩色图像、红外纹理图像和三维空间信息，确定所述待测生物组织表面的三维表面，所述彩色图像包括所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机对所述待测生物组织表面的彩色图像；
12.将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
13.优选的，在上述方法中，在将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上之后，所述方法还包括：
14.在所述上位机的显示屏中实时显示，进行动态监测。
15.优选的，在上述方法中，所述确定所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机的几何位置，包括：
16.确定所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机的相对位置。
17.优选的，在上述方法中，所述将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三
维表面上，包括：
18.基于重投影的纹理映射方法，以及表面差值方法进行反走样处理，以将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
19.一种多模式动态监测生物组织表面温度场的装置，应用于上述所述的上位机，所述装置包括：
20.建立模块，用于建立温度监测系统，所述温度监测系统至少包括第一彩色摄像机、第二彩色摄像机、投影仪、红外摄像机、热电偶阵列以及上位机；
21.确定模块，用于确定所述第一彩色摄像机、所述第二彩色摄像机、所述红外摄像机的几何位置，以及所述投影仪发出结构光的结构光方程；
22.标定模块，用于结合所述热电偶阵列对红外纹理图像的温度信息进行动态标定，所述红外纹理图像为所述红外摄像机对待测生物组织表面的红外纹理图像；
23.获取模块，用于获取待测生物组织表面的彩色图像、红外纹理图像和三维空间信息，确定所述待测生物组织表面的三维表面，所述彩色图像包括所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机对所述待测生物组织表面的彩色图像；
24.映射模块，用于将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
25.优选的，在上述装置中，所述装置还包括：
26.显示模块，用于在所述上位机的显示屏中实时显示，进行动态监测。
27.优选的，在上述装置中，所述确定模块具体用于：
28.确定所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机的相对位置。
29.优选的，在上述装置中，所述映射模块具体用于：
30.基于重投影的纹理映射方法，以及表面差值方法进行反走样处理，以将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
31.相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
32.本发明提供的一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法，针对生物组织表面温度场，尤其是对生物组织表面被烧灼过程中的温度场，采用热电偶、红外成像和三维结构光三种模式融合技术，提供一种大面积的、快速响应的、高精度的以及三维立体的温度场动态监测方法，以解决现有方法中难以大面积测温、实时性差、可靠性不高、不能体现生物组织形变信息等技术问题。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例提供的一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法的流程示意图；
35.图2为本发明实施例提供的一种硬件平台的原理结构示意图；
36.图3为本发明实施例提供的另一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法的流程示意图；
37.图4为本发明实施例提供的一种多模式动态监测生物组织表面温度场的装置的原理结构示意图；
38.图5为本发明实施例提供的另一种多模式动态监测生物组织表面温度场的装置的原理结构示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.在本发明的发明创造过程中，发明人发现，目前在对生物组织进行烧灼时常用的温度监测方法主要有两种，如下：
41.第一种：热电偶测温法；
42.其热电偶测温法的特点是感温元件直接与被测生物组织接触，二者之间进行充分的热交换，直至达到热平衡。此时，热电偶的两端电压值就代表了被测生物组织的温度值。
43.该热电偶测温法的优点是直观可靠、测温精度高；缺点是只能测量感温元件所接触的单一点的温度，无法同时对多处温度、有限长度或者平面温度分布进行测量。
44.基于此，目前也有使用多个热电偶组成多段式或阵列式进行测温的技术，但是，这样会使得测温器结构复杂，连接线繁多，测温的范围不够精确，不适合在生物实验和临床手术这类要求高精度温度控制的场景中应用。
45.第二种：红外测温法；
46.其红外测温法的特点是感温元件与被测生物组织不接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免热电偶测温法的缺点，具有较高的测温上限。
47.并且，红外测温法热惯性小，可达到1/1000s，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。
48.该红外测温法一般用于二维平面温度的测量，且由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离、以及烟尘和水汽等其它介质的影响，导致该红外测温法的测温误差较大。
49.也就是说，目前无论是热电偶测温法还是红外测温法，在对生物组织表面温度场进行监测时，都存在共同的缺点，即无法观测到生物组织表面因受热而发生的形变情况，导致现有的温度监测方法都无法满足烧灼类的生物实验或临床手术的温度场监测需求。
50.基于此，本发明提出了一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法及系统，针对生物组织表面温度场，尤其是对生物组织表面被烧灼过程中的温度场，采用热电偶、红外成像和三维结构光三种模式融合技术，提供一种大面积的、快速响应的、高精度的以及三维立体的温度场动态监测方法，以解决现有方法中难以大面积测温、实时性差、可靠性不高、不能体现生物组织形变信息等技术问题。
51.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
52.参考图1，图1为本发明实施例提供的一种多模式动态监测生物组织表面温度场的
方法的流程示意图。
53.所述方法包括：
54.s101：建立温度监测系统，所述温度监测系统至少包括第一彩色摄像机、第二彩色摄像机、投影仪、红外摄像机、热电偶阵列以及上位机。
55.在该步骤中，所述温度监测系统至少包括硬件平台和软件平台，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种硬件平台的原理结构示意图。
56.所述硬件平台至少包括第一彩色摄像机、第二彩色摄像机、投影仪、红外摄像机、热电偶阵列以及上位机。
57.其中，所述上位机至少配有采集卡和接口卡，实现与其它组件的通信连接。
58.所述软件平台至少包括投影模板生成软件、摄像机数据采集软件、结构光投射软件、彩色摄像机标定软件、红外摄像机标定软件、结构光标定软件、图像信息采集软件、以及三维数据处理软件。
59.s102：确定所述第一彩色摄像机、所述第二彩色摄像机、所述红外摄像机的几何位置，以及所述投影仪发出结构光的结构光方程。
60.在该步骤中，基于所述第一彩色摄像机、所述第二彩色摄像机、所述红外摄像机的几何位置，以及所述投影仪发出结构光的结构光方程，以及各个摄像机的内外部参数，主要用于准确建立空间三维信息与彩色图像和红外纹理图像之间的对应关系。
61.可选的，通过标定板和标定软件对第一彩色摄像机和第二彩色摄像机进行标定，对第一彩色摄像机和第二彩色摄像机的标定过程为：先用彩色摄像机标定板生成软件生成一个标准的棋盘格，用lcd屏进行显示，通过调整组成棋盘格的像素的数目来调整其大小，然后控制两个彩色摄像机拍摄不同位置的标定板图像，再用彩色摄像机标定软件将两个彩色摄像机拍到的图像对应起来，从而对彩色摄像机进行标定，进而同时得到二者的相对位置，即确定所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机的相对位置。
62.可选的，对结构光的标定过程为：首先准备一块黑底白线的标定板，用lcd屏显示，然后控制投影仪把结构光投影在标定板上，结构光与标定板中白线的交点可以被左右的彩色摄像机(即第一彩色摄像机和第二彩色摄像机)拍摄到，然后通过结构光标定软件把两个彩色摄像机拍到的不同位置的标定板图像上的结构光点对应起来，借助彩色摄像机的已标定信息，可以计算出这些结构光点在空间的位置，从而实现对结构光的标定，可得到结构光的结构光方程。
63.可选的，对红外摄像机的标定过程为：先准备一块红外标定板，板上设置若干带有温度信息的彩色光点，然后用彩色摄像机(包括第一彩色摄像机和第二彩色摄像机)和红外摄像机分别采集红外标定板的彩色图像和红外图像，再通过红外摄像机标定软件将不同位置上的标定板图像的结构光点对应起来，借助彩色摄像机的已标定信息，计算出这些点在空间中的位置，从而实现对红外摄像机几何位置的标定。
64.s103：结合所述热电偶阵列对红外纹理图像的温度信息进行动态标定，所述红外纹理图像为所述红外摄像机对待测生物组织表面的红外纹理图像。
65.在该步骤中，通过热电偶阵列对红外纹理图像的温度信息进行动态标定。其标定过程具体为：将热电偶测温针以阵列的方式放在待测生物组织表面上，然后用红外摄像机采集生物组织表面的红外图像，借助之前的几何标定信息，将每个热电偶所在区域的红外
图像的灰度信息与热电偶传送到pc机的温度信息相对应起来，再通过红外摄像机标定软件进行计算，实现对红外摄像机的动态温度标定。
66.s104：获取待测生物组织表面的彩色图像、红外纹理图像和三维空间信息，确定所述待测生物组织表面的三维表面，所述彩色图像包括所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机对所述待测生物组织表面的彩色图像。
67.在该步骤中，获取所述三维空间信息的具体过程为：首先通过投影模板生成软件生成投影模板，投影仪根据投影模板将编码结构光投射在待测生物组织表面上，两台彩色摄像机(即第一彩色摄像机和第二彩色摄像机)对待测生物组织进行拍摄，然后采用steger曲线结构检测器与过零点检测相结合的方法来提取拍摄到的图像中的亚像素位置，利用前面标定的摄像机参数和系统参数，计算这个点对应的空间位置，并采用连接算法来按顺序连接每个光条上的亚像素点，就可以完整获取一个空间的三维数据。
68.其中，确定所述待测生物组织表面的三维表面的具体过程为：首先把结构光光条图像在同一光条上的亚像素点连接起来组成光条集，这些光条上的亚像素点与三维表面上的坐标点具有一一对应关系，把三维坐标坐标点也连成线从而得到相对应的三维坐标点集，然后利用改进的边翻转算法对初始网格进行全局优化。
69.投影模板可以采用灰度与线移编码结构光模板，使得采集图像中的每一条光条只有唯一的一个标识码。也可以采用其他类型模板对结构光进行编码。
70.s105：将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
71.在该步骤中，通过对获取的图像数据(包括待测生物组织表面的彩色图像、红外纹理图像)进行处理，以将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
72.其中，对图像数据的处理方法具体为：首先把物体三维表面平整化到纹理图像平面，然后通过表面插值方法得到这些表面三角形顶点的纹理值，为了防止纹理信息的丢失，所有纹理图像上的像素点又被重投影到三维物体表面，同时通过算法对投影过程进行优化。
73.其中，将温度信息映射到三维表面的方法为：基于重投影的纹理映射方法，并利用表面插值方法进行反走样处理，实现了精确纹理映射，但这里也可以使用正向映射、反向映射、局部区域映射等其他方法。
74.在该实施例中，该多模式动态监测生物组织表面温度场的方法，将热电偶测温与红外测温的优点相结合，既可以直接观测到生物组织表面大面积的温度变化，又可以通过热电偶的实时温度标定，提高温度测量的准确性和稳定性，同时利用结构光采集到了生物组织表面的三维信息，能更清楚地监测到组织表面因温度变化而产生的形变，这对于我们分析实验过程和保证手术质量有着十分重要的意义。
75.可选的，在本发明另一实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法的流程示意图。
76.在将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上之后，所述方法还包括：
77.s106：在所述上位机的显示屏中实时显示，进行动态监测。
78.在该实施例中，通过在上位机的显示屏中实时显示温度信息以及待测生物组织表面的三维表面信息，实现了对待测生物组织表面信息的动态监测。
79.可选的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种多模式动态监测生物组织表面温度场的装置，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种多模式动态监测生物组织表面温度场的装置的原理结构示意图。
80.该装置应用于上述权利要求所述的上位机，所述装置包括：
81.建立模块11，用于建立温度监测系统，所述温度监测系统至少包括第一彩色摄像机、第二彩色摄像机、投影仪、红外摄像机、热电偶阵列以及上位机。
82.确定模块12，用于确定所述第一彩色摄像机、所述第二彩色摄像机、所述红外摄像机的几何位置，以及所述投影仪发出结构光的结构光方程。
83.标定模块13，用于结合所述热电偶阵列对红外纹理图像的温度信息进行动态标定，所述红外纹理图像为所述红外摄像机对待测生物组织表面的红外纹理图像。
84.获取模块14，用于获取待测生物组织表面的彩色图像、红外纹理图像和三维空间信息，确定所述待测生物组织表面的三维表面，所述彩色图像包括所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机对所述待测生物组织表面的彩色图像。
85.映射模块15，用于将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
86.在该实施例中，该装置针对生物组织表面温度场，尤其是对生物组织表面被烧灼过程中的温度场，采用热电偶、红外成像和三维结构光三种模式融合技术，提供一种大面积的、快速响应的、高精度的以及三维立体的温度场动态监测方法，以解决现有方法中难以大面积测温、实时性差、可靠性不高、不能体现生物组织形变信息等技术问题。
87.可选的，在本发明另一实施例中，参考图5，图5为本发明实施例提供的另一种多模式动态监测生物组织表面温度场的装置的原理结构示意图。
88.所述装置还包括：
89.显示模块16，用于在所述上位机的显示屏中实时显示，进行动态监测。
90.可选的，在本发明另一实施例中，所述确定模块12具体用于：
91.确定所述第一彩色摄像机和所述第二彩色摄像机的相对位置。
92.可选的，在本发明另一实施例中，所述映射模块15具体用于：
93.基于重投影的纹理映射方法，以及表面差值方法进行反走样处理，以将所述待测生物组织表面的温度信息映射到所述三维表面上。
94.需要说明的是，本发明实施例提供的装置的原理与本发明上述实施例提供的原理相同，在此不再赘述。
95.以上对本发明所提供的一种多模式动态监测生物组织表面温度场的方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
96.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
97.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个
实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
98.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。