非接触式超声探头快速重标定方法及装置与流程

1.本发明涉及超声探头定位技术领域，尤其涉及一种非接触式超声探头快速重标定方法及装置。


背景技术：

2.由于医学超声成像技术具有设备体积小、低成本、无辐射、实时性好等优点，其在医学检查与外科手术中取得了广泛应用。尤其是在微创经皮介入手术中，对于手术对象不可见的解剖学结构，超声图像能够为外科医生提供实时的手术导航。但超声成像技术本身并不具备空间定位功能，为了实现精准定位超声图像上的病灶或其他特征点位置，需要对超声探头进行标定。目前主要的超声探头标定方法是在超声探头与特定的标定装置上安装定位器(如光学跟踪器、磁定位装置)，使用超声探头扫描该标定装置来完成。超声探头标定的结果是得到超声探头上的光学跟踪器或磁定位装置所建立的坐标系与超声图像坐标系的转换关系。
3.由于在临床使用过程中超声探头上的定位器可能会受到外力影响，使其位置发生改变，为了保证超声探头标定的精度，在术前或定位器固定装置发生变动后超声探头均需要重新通过标定装置进行标定。笨重的标定装置与繁琐的标定流程大大增加了术前准备时间，并且对使用人员实施标定的操作技能有一定要求。外科医生需要较为熟练地掌握标定方法与操作才能够保证频繁的标定工作每一次都能够取得较好的精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种非接触式超声探头快速重标定方法，旨在克服上述现有技术的缺陷。
5.本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
6.根据本发明的一方面，公开一种非接触式超声探头快速重标定方法，包括下述步骤：
7.步骤1、将光学定位系统与双目立体视觉相机固定，并在探针上固定光学跟踪器和标志点，所述标志点的个数大于或等于4的正整数；
8.步骤2、在所述光学定位系统与所述双目立体视觉相机共同的视野范围内将所述探针的针尖作为旋转中心旋转，在n个不同时刻下记录所述光学定位系统采集到的所述光学跟踪器的位置与姿态以及所述双目立体视觉相机采集到的所述标志点的位置与姿态，n大于或等于4的正整数；
9.步骤3、根据所述光学定位系统采集到的所述光学跟踪器的位置与姿态以及所述双目立体视觉相机采集到的所述标志点的位置与姿态，通过旋转标定原理计算得到在n个时刻下所述探针针尖分别在所述光学定位系统坐标系与所述双目立体视觉相机坐标系下的位置与姿态，以及通过建立方程并采用最小二乘法求解得到所述光学定位系统坐标系与
所述双目立体视觉相机坐标系的转换关系；
10.步骤4、在超声探头上固定所述光学跟踪器与所述标志点，并放置在所述光学定位系统与所述双目立体视觉相机共同的视野范围内；
11.步骤5、基于所述光学定位系统通过标定体模完成超声探头标定，得到所述光学跟踪器坐标系与超声图像坐标系的转换关系；
12.步骤6、计算出所述标志点的坐标系与所述超声图像坐标系的转换关系；
13.步骤7、在所述光学跟踪器发生变动需要重新标定时，读出所述超声探头上的所述光学跟踪器与所述标志点分别在所述光学定位系统与所述双目立体视觉相机中的位置与姿态而计算得到所述超声探头的标定结果。
14.优选的，所述探针及所述超声探头的所述标志点为平面图形，其直接贴于或绘制于所述超声探头或所述探针表面。
15.优选的，所述步骤3中，计算所述光学定位系统坐标系与所述双目立体视觉相机坐标系的转换关系，具体包括：设所述光学定位系统的坐标系为o，所述双目立体视觉相机的坐标系为v，所述探针的针尖的坐标系为tip，则得到在n个不同时刻，o、v、tip的坐标关系：
[0016][0017]
对在n个不同时刻所述探针的针尖分别与所述双目立体视觉相机及所述光学定位系统的坐标系的坐标关系进行基于矩阵求逆函数的计算，inv为矩阵求逆函数，得到e和f：
[0018][0019]
进而，计算得到所述光学定位系统原点坐标系与所述双目立体视觉相机原点坐标系的转换关系为
[0020][0021]
其中，将表示坐标系b到坐标系a的齐次转换矩阵；
[0022][0023]
其中，r表示矩阵a到b的旋转量，p表示矩阵a到b的平移量，所述齐次转换矩阵同时包含了坐标系之间的相对位置与姿态信息。
[0024]
优选的，所述步骤6中，计算所述双目立体视觉相机标志点坐标系与所述超声图像坐标系的转换关系，具体包括：设所述光学跟踪器的坐标系为m1，所述超声图像坐标系为u，所述标志点的坐标系为m2，得到公式：
[0025][0026]
其中，为所述双目立体视觉相机标志点坐标系与所述超声图像坐标系的转换关系。
[0027]
优选的，所述步骤7中，计算得到所述超声探头的标定结果，包括：
[0028][0029][0030]
其中，为所述光学跟踪器与所述超声图像坐标系的转换关系。
[0031]
优选的，所述标定体模中包含可在超声扫描中显影的材料，以及填充有仿人体组织材料。
[0032]
根据本公开的第二方面，提供一种非接触式超声探头快速重标定装置，包括光学定位系统、双目立体视觉相机、计算设备、标定体模、超声探头与探针，所述探针与所述超声探头分别先后设置有光学跟踪器和标志点，所述光学定位系统和所述双目立体视觉相机的位置相对固定，其中，所述计算设备用于：
[0033]
在所述光学定位系统与所述双目立体视觉相机共同的视野范围内将所述探针的针尖作为旋转中心旋转时，在n个不同时刻下记录所述光学定位系统采集到的所述光学跟踪器的位置与姿态以及所述双目立体视觉相机采集到的所述标志点的位置与姿态，n大于或等于4的正整数；
[0034]
根据所述光学定位系统采集到的所述光学跟踪器的位置与姿态以及所述双目立体视觉相机采集到的所述标志点的位置与姿态，通过旋转标定原理计算得到在n个时刻下所述探针针尖分别在所述光学定位系统坐标系与所述双目立体视觉相机坐标系下的位置与姿态，以及通过建立方程并采用最小二乘法求解得到所述光学定位系统坐标系与所述双目立体视觉相机坐标系的转换关系；
[0035]
以及，基于所述光学定位系统和所述标定体模完成所述超声探头的标定，得到所述光学跟踪器坐标系与超声图像坐标系的转换关系；
[0036]
计算出所述标志点的坐标系与所述超声图像坐标系的转换关系；
[0037]
在所述光学跟踪器发生变动需要重新标定时，读出所述超声探头上的所述光学跟踪器与所述标志点分别在所述光学定位系统与所述双目立体视觉相机中的位置与姿态而计算得到所述超声探头的标定结果。
[0038]
优选的，所述标定体模中包含可在超声扫描中显影的材料，以及填充有仿人体组织材料。
[0039]
优选的，所述可在超声扫描中显影的材料为尼龙绳，所述仿人体组织材料为琼脂。
[0040]
本公开的技术方案具有以下有益效果：
[0041]
在术前或超声探头的定位器固定装置发生变动后，医护人员无需再次使用笨重的标定装置重新标定，而通过双目立体相机结合光学定位系统重新读取探头参数即可得到新的超声探头标定结果。显著减少了超声探头重复标定的操作难度，减少了术前准备时间，提高了标定效率，并且避免了在重复标定后精度下降的问题。外科医生无需熟悉标定方法与标定装置也能够轻松完成超声探头的重复标定，便于对超声探头标定精度的定期检验与术中突发情况(例如在术中由于操作不当定位器固定装置发生移位)的处理。
附图说明
[0042]
图1为本说明书实施例中的一种非接触式超声探头快速重标定装置中各个部分的
位置关系图；
[0043]
图2(a)为本说明书实施例中的一种固定有光学跟踪器与标志点的超声探头的结构示意图；
[0044]
图2(b)为本说明书实施例中的一种固定有光学跟踪器与标志点的探针的结构示意图；
[0045]
图3为本说明书实施例中的标定体模的结构示意图；
[0046]
图4为本说明书实施例中的一种非接触式超声探头快速重标定方法流程图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0048]
参照图1，本实施例提供一种非接触式超声探头快速重标定装置，装置包括：光学定位系统1、双目立体视觉相机2、计算设备3、超声设备4、标定体模5、超声探头6与探针7，光学定位系统1和双目立体视觉相机2的位置相对固定。
[0049]
参照图2(a)，超声探头6上固定有第一光学跟踪器8与能被双目立体视觉相机识别的第一标志点9，第一标志点的数量要大于或等于4个。
[0050]
参照图2(b)，探针7上固定有第二光学跟踪器10和与第二标志点11，第二标志点11的数量要大于或等于4个。
[0051]
其中，第一光学跟踪器8和第二光学跟踪器10，可以是同一个，即第一光学跟踪器8固定在探针上被采集数据后，再拆卸固定到超声探头6上，也可以是相同形状和功能的各两个。同理，第一标志点9和第二标志点11，可以是同一个，也可以是相同形状和功能的各两个。
[0052]
参照图3，超声探头6对应的标定体模5中包含固定位置的尼龙线51或者其他可以在超声设备4中容易显影的材料，其他部分使用琼脂填充，以模仿人体组织。
[0053]
其中，计算设备3可以采集超声设备4控制超声探头6扫描的超声图像、光学定位系统1采集的第一光学跟踪器8及第二光学跟踪器10的实时位置及姿态与双目立体视觉相机2采集的第一标志点9及第二标志点11实时位置与姿态，然后进行计算，具体如下：
[0054]
在光学定位系统1与双目立体视觉相机2共同的视野范围内将探针7的针尖作为旋转中心旋转时，在n个不同时刻下记录光学定位系统1采集到的光学跟踪器的位置与姿态以及双目立体视觉相机2采集到的标志点的位置与姿态，n大于或等于4的正整数；根据光学定位系统1采集到的光学跟踪器的位置与姿态以及双目立体视觉相机2采集到的标志点的位置与姿态，通过旋转标定原理计算得到在n个时刻下探针7针尖分别在光学定位系统1坐标系与双目立体视觉相机2坐标系下的位置与姿态，以及通过建立方程并采用最小二乘法求解得到光学定位系统1坐标系与双目立体视觉相机2坐标系的转换关系；以及，基于光学定位系统1和标定体模5完成超声探头6的标定，得到光学跟踪器坐标系与超声图像坐标系的转换关系；计算出标志点的坐标系与超声图像坐标系的转换关系；在光学跟踪器发生变动需要重新标定时，读出超声探头6上的光学跟踪器与标志点分别在光学定位系统1与双目立体视觉相机2中的位置与姿态而计算得到超声探头6的标定结果
[0055]
由以上实施例得知，实公开在术前或定位器固定装置发生变动后，无需再次使用笨重的标定装置重新标定。通过双目立体相机2结合光学定位系统1重新读取超声探头6的参数即可得到新的超声探头6标定结果。显著减少了超声探头6重复标定的操作难度，减少了术前准备时间，提高了标定效率，并且避免了在重复标定后精度下降的问题。外科医生无需熟悉标定方法与标定装置也能够轻松完成超声探头6的重复标定，便于对超声探头6标定精度的定期检验与术中突发情况(例如在术中由于操作不当定位器固定装置发生移位)的处理。
[0056]
基于上述的装置，本说明书实施例还一种非接触式超声探头快速重标定方法，参照图4，包括步骤s401-s407：
[0057]
在步骤s401中，将光学定位系统与双目立体视觉相机固定，并在探针上固定光学跟踪器和标志点，标志点的个数大于或等于4的正整数；
[0058]
在步骤s402中，在光学定位系统与双目立体视觉相机共同的视野范围内将探针的针尖作为旋转中心旋转，在n个不同时刻下记录光学定位系统采集到的光学跟踪器的位置与姿态以及双目立体视觉相机采集到的标志点的位置与姿态，n大于或等于4的正整数；
[0059]
在步骤s403中，根据光学定位系统采集到的光学跟踪器的位置与姿态以及双目立体视觉相机采集到的标志点的位置与姿态，通过旋转标定原理计算得到在n个时刻下探针针尖分别在光学定位系统坐标系与双目立体视觉相机坐标系下的位置与姿态，以及通过建立方程并采用最小二乘法求解得到光学定位系统坐标系与双目立体视觉相机坐标系的转换关系；
[0060]
在步骤s404中，在超声探头上固定光学跟踪器与标志点，并放置在光学定位系统与双目立体视觉相机共同的视野范围内；
[0061]
在步骤s405中，基于光学定位系统通过标定体模完成超声探头标定，得到光学跟踪器坐标系与超声图像坐标系的转换关系；
[0062]
在步骤s406中，计算出标志点的坐标系与超声图像坐标系的转换关系；
[0063]
在步骤s407中，在光学跟踪器发生变动需要重新标定时，读出超声探头上的光学跟踪器与标志点分别在光学定位系统与双目立体视觉相机中的位置与姿态而计算得到超声探头的标定结果。
[0064]
在一实施方式中，探针及超声探头的标志点为平面图形，其直接贴于或绘制于超声探头或探针表面。
[0065]
作为补充的，在步骤s403中，计算光学定位系统坐标系与双目立体视觉相机坐标系的转换关系，具体包括：设光学定位系统的坐标系为o，双目立体视觉相机的坐标系为v，探针的针尖的坐标系为tip，则得到在n个不同时刻，o、v、tip的坐标关系：
[0066][0067]
对在n个不同时刻探针的针尖分别与双目立体视觉相机及光学定位系统的坐标系的坐标关系进行基于矩阵求逆函数的计算，inv为矩阵求逆函数，得到e和f：
[0068][0069]
进而，计算得到光学定位系统原点坐标系与双目立体视觉相机原点坐标系的转换关系为
[0070][0071]
其中，将表示坐标系b到坐标系a的齐次转换矩阵；
[0072][0073]
其中，r表示矩阵a到b的旋转量，p表示矩阵a到b的平移量，齐次转换矩阵同时包含了坐标系之间的相对位置与姿态信息。
[0074]
作为补充的，在步骤s406中，计算双目立体视觉相机标志点坐标系与超声图像坐标系的转换关系，具体包括：设光学跟踪器的坐标系为m1，超声图像坐标系为u，标志点的坐标系为m2，得到公式：
[0075][0076]
其中，为双目立体视觉相机标志点坐标系与超声图像坐标系的转换关系。
[0077]
作为补充的，在步骤s407中，计算得到超声探头的标定结果，包括：
[0078][0079][0080]
其中，为光学跟踪器与超声图像坐标系的转换关系。
[0081]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。