一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，手持定位導(dǎo)航穿刺針使針尖低速反復(fù)穿過超聲成像平面，獲取背景圖像Ib，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像采集針的圖像得到一個圖像序列I，同時獲得圖像序列I中每幅圖像對應(yīng)時刻探頭上傳感器Sr的定位信息及針尖空間坐標(biāo)；根據(jù)亮度閾值T，獲得針的二進制區(qū)域圖像繼而獲得攜帶亮度信息的針圖像定位針圖像中亮度最大點；每幅圖像的最大亮度點構(gòu)成點集P，點集P中亮度最大值的點為圖像序列I中針尖在成像平面上的圖像坐標(biāo)；將每個點集P中亮度最大值的點構(gòu)成點集S；根據(jù)點集S中針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標(biāo)、對應(yīng)的針尖空間坐標(biāo)及Sr的定位信息，推算出標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣。
【專利說明】一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像引導(dǎo)外科系統(tǒng)利用醫(yī)學(xué)影像和計算機圖形圖像技術(shù)，可在術(shù)前對患者多模態(tài)圖像數(shù)據(jù)進行三維重建和可視化，獲得三維模型，制定合理、定量的手術(shù)計劃，開展術(shù)前模擬；在術(shù)中利用三維空間定位系統(tǒng)進行圖像和病人物理空間的配準(zhǔn)，把患者的實際體位、手術(shù)器械的實時空間位置映射到患者的三維圖像空間，對手術(shù)器械在空間中的位置實時采集并顯示，醫(yī)生通過觀察三維圖像中手術(shù)器械與病變部位的相對位置關(guān)系，對病人進行精確的手術(shù)治療。這種新興外科手術(shù)不僅能有效地解決病癥，而且還有不開刀、創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、效果好的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床。雖然圖像引導(dǎo)外科手術(shù)有諸多優(yōu)點，但手術(shù)目標(biāo)組織的術(shù)中三維可視化仍然是其應(yīng)用的技術(shù)難點。目前，術(shù)中可視化方法有computedtomography (CT),核磁共振成像(MRI)和超聲成像(US)。與CT和核磁共振成像相比較,超聲成像具有廉價、實時、無損傷、無輻射、便攜和敏感度高等優(yōu)勢，已經(jīng)作為一種實時的術(shù)中可視化技術(shù)被引入，用于軟組織及血流成像。特別是近年來發(fā)展的三維超聲具有直觀、立體、易于識別等特點，更方便外科醫(yī)生觀察目標(biāo)部位的三維特征，判斷術(shù)具與目標(biāo)部位的相對位置關(guān)系。目前三維超聲成像系統(tǒng)中使用的三維成像方法有直接三維超聲成像方法和重建式三維超聲成像方法兩種。由于直接三維超聲成像系統(tǒng)的價格比較昂貴，且不適合大區(qū)域的三維超聲成像，因此現(xiàn)在國內(nèi)外使用的三維超聲成像系統(tǒng)大多數(shù)還是采用重建式三維超聲成像方法。目前，重建式三維超聲成像方法多數(shù)采用自由臂超聲成像系統(tǒng)。自由臂三維超聲成像系統(tǒng)只須在傳統(tǒng)的二維超聲探頭的把持端固定上一個定位裝置的接收器就可以進行目標(biāo)體的三維掃描成像，能將任何一臺常規(guī)的二維超聲儀升級成三維超聲設(shè)備。由于使用方便靈活，使得其成為三維超聲成像研究和臨床應(yīng)用領(lǐng)域非常熱門技術(shù)。
[0003]自由臂超聲成像系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵是定位傳感器與超聲成像平面間的標(biāo)定，即獲得一個空間轉(zhuǎn)換矩陣，使超聲成像平面上任意一點的坐標(biāo)能夠映射到超聲探頭上定位傳感器的坐標(biāo)系，從而計算出空間位置坐標(biāo)。標(biāo)定方法主要分為使用標(biāo)定模型和非使用標(biāo)定模型兩種。前者通常在標(biāo)定前要設(shè)計加工專用的模型，雖然標(biāo)定精度高，但是需要設(shè)計特殊形狀特征的模型和精密加工工藝。后者避免了使用專用模型，利用可定位的導(dǎo)航針完成標(biāo)定。主要原理是使針尖對齊超聲的成像平面，獲得針尖的圖像坐標(biāo)。由于可定位導(dǎo)航針前端的空間坐標(biāo)可以從定位儀器中獲得，利用在成像平面上多處取得的圖像坐標(biāo)和空間坐標(biāo)就可推測出標(biāo)定的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0004]現(xiàn)有的基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法存在的不足之處在于:
[0005]一、 需手動對齊針尖與成像平面。由于超聲成像平面存在一定厚度，同時受到偽像等影響，實現(xiàn)針尖與成像平面精確對齊需要精細的操作和豐富操作經(jīng)驗。
[0006]二、需手動獲得針尖的圖像坐標(biāo)。針尖在超聲圖像上顯示為一個高亮區(qū)域，由一組像素點組成。針尖圖像坐標(biāo)的確定即依賴針尖與成像平面的對齊程度，又依賴針尖的亮度分布特點，因此，操作人員的主觀判斷將影響針尖圖像坐標(biāo)定位的正確性。
[0007]三、需要額外裝置減少手持導(dǎo)航針導(dǎo)致的抖動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于提供一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，自動判定針尖與成像平面的對齊時刻，自動分割針尖圖像并獲取圖像坐標(biāo)，能夠快速、準(zhǔn)確地完成自由臂超聲的標(biāo)定。
[0009]實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案:
[0010]一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，手持定位導(dǎo)航穿刺針使針尖低速反復(fù)穿過超聲成像平面，利用圖像剪影濾除背景，利用亮度特征定位針尖在成像平面上的坐標(biāo)。其特征在于:
[0011]步驟1:保持裝有定位傳感器Sr的超聲探頭固定，針尖運動前，獲取背景圖像Ib，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像/；:;
[0012]步驟2:針尖從成像平面一側(cè)移動到另一側(cè)，采集針的圖像得到一個圖像序列I，同時獲得圖像序列I中每幅圖像對應(yīng)的Sr的定位彳目息及針尖空間坐標(biāo)；
[0013]步驟3:設(shè)I i為序列I中某一幅圖像，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像^從二進制圖像4中減去二進制圖像0，獲得針的二進制區(qū)域圖像<
[0014]步驟4:將針的二進制區(qū)域圖像Tf和圖像Ii相與，獲得攜帶亮度信息的針圖像I
[0015]步驟5:定位針圖像//中亮度最大點；
[0016]步驟6:對圖像序列中每幅圖像重復(fù)步驟3—步驟5，每幅圖像的最大亮度點構(gòu)成點集P，定位點集P中亮度最大值的點即為圖像序列I中針尖在成像平面上的圖像坐標(biāo)；
[0017]步驟7:在成像平面不同區(qū)域重復(fù)步驟2—6，將每個點集P中亮度最大值的點構(gòu)成點集S，點集S中各個點對應(yīng)針尖每次穿過成像平面時，針尖與成像平面對齊時刻的圖像坐標(biāo)；
[0018]步驟8:根據(jù)針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標(biāo)、對應(yīng)的針尖空間坐標(biāo)及定位傳感器Sr的定位信息，推算出標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣。
[0019]使定位導(dǎo)航穿刺針的針尖以針桿的某點為旋轉(zhuǎn)中心作小幅旋轉(zhuǎn)運動，使針尖能夠反復(fù)穿過超聲成像平面。為減小針尖移動范圍，該旋轉(zhuǎn)中心要靠近超聲成像平面，同時為使針尖低速移動，旋轉(zhuǎn)中心距針尖的距離遠小于旋轉(zhuǎn)中心距針尾端的距離。
[0020]步驟3中，二進制圖像區(qū)域 < 通過如下公式獲得，
[0021]Ibs = Ib1-1bb
[0022]步驟4中，攜帶亮度信息的針圖像//通過如下公式獲得，
[0023]Ir1 = Ibs n Ii
[0024]步驟8中，通過如下方法推算出標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣，[0025]將針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標(biāo)、針尖空間坐標(biāo)和超聲探頭上傳感器的位置信息組成一個數(shù)據(jù)組，針尖多次穿過成像平面后得到多組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個標(biāo)定數(shù)據(jù)集，利用前述的標(biāo)定數(shù)據(jù)集，使用RANSAC算法濾除干擾數(shù)據(jù)組，計算得到標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣。[0026]本發(fā)明具有的有益效果:[0027]本發(fā)明能夠自動判定針尖與成像平面的對齊，自動分割針尖圖像并獲取圖像坐標(biāo)，從而快速、準(zhǔn)確地完成自由臂超聲的標(biāo)定。[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有方法相比較具有如下優(yōu)點:[0029]1.與使用專用標(biāo)定模型方法相比較，本發(fā)明無需設(shè)計加工標(biāo)定模型，僅使用可定位導(dǎo)航穿刺針就可快速、簡便、準(zhǔn)確地完成標(biāo)定。[0030]2.與以往使用可定位導(dǎo)航針的方法相比較，本發(fā)明突破手動對齊針尖與成像平面和手動分割針尖圖像的限制，能夠不依賴操作者的經(jīng)驗。[0031]3.與使用防抖裝置減小針尖抖動方法相比較，本發(fā)明利用RANSAC算法濾除抖動產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)，無需額外裝置就可實現(xiàn)精確標(biāo)定。[0032]4.使定位導(dǎo)航穿刺針的針尖以針桿上靠近針尖的某點為旋轉(zhuǎn)中心作低速小幅旋轉(zhuǎn)運動，使針尖能夠反復(fù)穿過超聲成像平面，能夠有效提高采樣率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0033]圖1是本發(fā)明針尖運動方式的側(cè)視圖；[0034]圖2是本發(fā)明針尖運動方式的俯視圖；[0035]圖3是基于RANSAC優(yōu)化的點匹配算法流程圖。
【具體實施方式】[0036]手持導(dǎo)航穿刺針使針尖穿過超聲成像平面，在此期間判斷針尖與成像平面對齊時亥|J，并獲取此時刻針尖圖像坐標(biāo)、空間坐標(biāo)和探頭上定位傳感器的空間位置。如圖1、圖2所示，為提高采樣率，定位導(dǎo)航穿刺針的針尖以針桿的某點為旋轉(zhuǎn)中心作低速小幅旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)中心距針尖的距離遠小于旋轉(zhuǎn)中心距針尾端的距離,使針尖移動速度遠小于針手持端的移動速度。為降低針尖移動幅度，使針尖能夠快速反復(fù)穿過超聲成像平面，該旋轉(zhuǎn)中心靠近超聲成像平面。[0037]步驟1:讓裝有定位傳感器Sr的超聲探頭固定，在針尖穿過前，獲取背景圖像Ib，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像i—,，使Ib中高于T的像素賦值為1，其它賦值為O。[0038]步驟2:針尖低速穿過成像平面，整個期間同步采集針的圖像、對應(yīng)的針尖空間坐標(biāo)和定位傳感器Sr的位置信息。針的圖像構(gòu)成一個圖像序列I，I中每幅圖像將包含背景、針尖或部分針桿。[0039]步驟3:設(shè)IiS該序列I中某一幅圖像，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像^根據(jù)
下面的公式(1)獲得針的二進制圖像區(qū)域該區(qū)域標(biāo)識了圖像Ii中的針的顯示區(qū)域，并且區(qū)域內(nèi)所有像素值為I。[0040]Ibs = /； - 7；(O[0041]步驟4:依據(jù)下面的公式(2)獲得攜帶亮度信息的針圖像4。該圖像僅顯示圖像Ii中的針的區(qū)域，并且?guī)в袌D像Ii中針的亮度信息。
[0042]I11 = /A n I1(2)
[0043]步驟5:在//中定位亮度最大的點。當(dāng)針尖與成像平面對齊時，該亮度最大點即為
針尖圖像位置；當(dāng)針尖未與成像平面對齊時，該亮度最大點為針桿上某位置。
[0044]步驟6:對圖像序列I中每幅圖像均按照上述步驟3— 5處理，得到每幅圖像的亮度最大點構(gòu)成點集P。由于針尖亮度高于針桿亮度，點集P中最大值點對應(yīng)的圖像即是針尖與成像平面對齊時刻的圖像。
[0045]步驟7:在成像平面不同位置重復(fù)步驟2—6，每個點集P中最大值點構(gòu)成亮度最大點點集S，點集S中各個點為每次針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標(biāo)。
[0046]步驟8:根據(jù)點集S及其同步采集的針尖空間坐標(biāo)和定位傳感器&的位置信息，推算出標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣。
[0047]步驟8.1:定義步驟7獲得的點集S中某個圖像坐標(biāo)為，其針尖與成像平面對齊時刻的針尖空間坐標(biāo)為，此時超聲探頭上定位傳感器的位置信息為C。他們一起組成一個數(shù)據(jù)組，tIrb )。依次方法，點集S中所有η個圖像坐標(biāo)將構(gòu)成一個標(biāo)定數(shù)
據(jù)集
【權(quán)利要求】
1.一種基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，手持定位導(dǎo)航穿刺針使針尖低速反復(fù)穿過超聲成像平面， 其特征在于: 步驟1:保持裝有定位傳感器&的超聲探頭固定，針尖運動前，獲取背景圖像Ib，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像K; 步驟2:針尖從成像平面一側(cè)移動到另一側(cè)，采集針的圖像得到一個圖像序列I，同時獲得圖像序列I中每幅圖像對應(yīng)的Sr的定位彳目息及針尖空間坐標(biāo)； 步驟3:設(shè)Ii為序列I中某一幅圖像，根據(jù)亮度閾值T，得到二進制圖像0，從二進制圖像#中減去二進制圖像八獲得針的二進制區(qū)域圖像 步驟4:將針的二進制區(qū)域圖像4和圖像Ii相與，獲得攜帶亮度信息的針圖像/ ； 步驟5:定位針圖像C中亮度最大點； 步驟6:對圖像序列中每幅圖像重復(fù)步驟3—步驟5，每幅圖像的最大亮度點構(gòu)成點集P，定位點集P中亮度最大值的點即為圖像序列I中針尖在成像平面上的圖像坐標(biāo)； 步驟7:在成像平面不同區(qū)域重復(fù)步驟2—6，將每個點集P中亮度最大值的點構(gòu)成點集S，點集S中各個點對應(yīng)針尖每次穿過成像平面時，針尖與成像平面對齊時刻的圖像坐標(biāo)； 步驟8:根據(jù)針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標(biāo)、對應(yīng)的針尖空間坐標(biāo)及定位傳感器&的定位信息，推算出標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，其特征在于:使定位導(dǎo)航穿刺·針的針尖以針桿的某點為旋轉(zhuǎn)中心作小幅旋轉(zhuǎn)運動，使針尖能夠反復(fù)穿過超聲成像平面，該旋轉(zhuǎn)中心要靠近超聲成像平面，旋轉(zhuǎn)中心距針尖的距離遠小于旋轉(zhuǎn)中心距針尾端的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，其特征在于:步驟3中，二進制區(qū)域圖像通過如下公式獲得，
Is = Ih1 -1l。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，其特征在于:步驟4中，攜帶亮度信息的針圖像//通過如下公式獲得，
I1 = I: ^ I1。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于定位導(dǎo)航穿刺針的自由臂超聲標(biāo)定方法，其特征在于:步驟8中，通過如下方法推算出標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣， 將針尖與成像平面對齊時刻的針尖圖像坐標(biāo)、針尖空間坐標(biāo)和超聲探頭上傳感器的位置信息組成一個數(shù)據(jù)組，針尖多次穿過成像平面后得到多組數(shù)據(jù)構(gòu)成一個標(biāo)定數(shù)據(jù)集，利用前述的標(biāo)定數(shù)據(jù)集，使用RANSAC算法濾除干擾數(shù)據(jù)組，計算得到標(biāo)定轉(zhuǎn)換矩陣。
【文檔編號】A61B8/00GK103584885SQ201310585616
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】欒寬, 李金 , 馬興成, 唐廣, 郭良 申請人:哈爾濱工程大學(xué)