專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于模型插值補(bǔ)償?shù)男呐K實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別與空間定位技術(shù)，具體涉及一套具有唯一特征、容易識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)和一種基于真實(shí)心臟模型先驗(yàn)值的插值補(bǔ)償算法，適合于醫(yī)學(xué)心臟重建領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用放置于心臟附近和心臟相對(duì)位置固定不透X線的標(biāo)志點(diǎn)作為定位參考點(diǎn)，將導(dǎo)管緊貼心內(nèi)膜，分別對(duì)導(dǎo)管頂端和定位參考點(diǎn)進(jìn)行不同角度的X線投照獲得兩個(gè)包含定位參考點(diǎn)和該心內(nèi)膜點(diǎn)投影的平面。該重建問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二視幾何模型，該模型如圖I所示，這兩個(gè)投影視圖之間的位置關(guān)系可以通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣R和一個(gè)平移矢量t來(lái)表示。于是空間點(diǎn)Xi到兩個(gè)視圖間的投影關(guān)系可以表示為Ulji = P1Xi = K1Ll I 0]Xi； u2ji = P2Xi = K2 [RltjXi (I)其中U1YP1和K1分別為第一幅視圖的圖像坐標(biāo)、投影矩陣和內(nèi)參矩陣；與之對(duì)應(yīng)，U2, i、P2和K2為第二幅視圖的圖像坐標(biāo)、投影矩陣和內(nèi)參矩陣。[R| t]為確定這兩個(gè)視圖位置關(guān)系的外參矩陣。在實(shí)際操作中，由于我們是采用單C型臂兩個(gè)時(shí)間段，在兩個(gè)空間位置的成像結(jié)果，所以?xún)纱纬上竦膬?nèi)參矩陣K1, K2為相同的K。用放置于心臟附近和心臟相對(duì)位置固定的不透X線的標(biāo)志點(diǎn)作為定位參考點(diǎn)，利用這些參考點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息及其在不同視角的投影圖像中的圖像坐標(biāo)信息，基于投影方程PX = K[R|t]X，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線透視投影成像系統(tǒng)的標(biāo)定，從而完成心臟內(nèi)膜點(diǎn)的空間點(diǎn)重建。在投影方程PX = K[R|t]X中，K是成像設(shè)備中的內(nèi)部參數(shù)，為系統(tǒng)已知，可從投影圖像的DICOM數(shù)據(jù)流中的頭文件中得到這些設(shè)備常規(guī)參數(shù)；R為3X3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t為3X I的平移向量，這些參數(shù)需要通過(guò)成像系統(tǒng)標(biāo)定來(lái)計(jì)算，共有6個(gè)獨(dú)立變量需要標(biāo)定計(jì)算，為此我們只需設(shè)計(jì)6個(gè)外部標(biāo)志點(diǎn)，即可完成X射線透視投影成像系統(tǒng)的外部參數(shù)標(biāo)定。為了進(jìn)行三維重建，需要設(shè)計(jì)一套具有唯一特征，容易識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)。但是，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不具有唯一特征的人工標(biāo)志點(diǎn)能夠被較容易的方法自動(dòng)識(shí)別，但自動(dòng)匹配往往相對(duì)困難。目前，標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別和匹配通常由手工完成，這不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易產(chǎn)生標(biāo)記錯(cuò)誤或者匹配錯(cuò)誤。對(duì)于本研究而言，心內(nèi)膜探測(cè)點(diǎn)多，需重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，手工方式無(wú)法滿(mǎn)足心臟四維重建的實(shí)時(shí)需求。要獲得具有真實(shí)感的心臟四維模型，需研究視點(diǎn)變換、投影變換、濃淡陰影處理、紋理生成等技術(shù)。心臟的四維模型不同于剛性物體，我們還要充分注意其活體的特殊性，在計(jì)算機(jī)三維場(chǎng)景中，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算生成模擬的面型。人體軟組織模型以曲面為主，幾何形狀復(fù)雜。另外，醫(yī)生在對(duì)心內(nèi)膜進(jìn)行標(biāo)測(cè)時(shí)獲取標(biāo)測(cè)特征點(diǎn)的數(shù)目是有限的，通常為200至300個(gè)之間，從重建空間點(diǎn)云構(gòu)建心內(nèi)膜三維表面的過(guò)程通常使用散亂點(diǎn)三角化的方法。通過(guò)有限標(biāo)測(cè)特征點(diǎn)重建的心內(nèi)膜表面結(jié)構(gòu)往往比較粗糙，密度不足難以形成連續(xù)平滑的心室表面圖像。綜上，目前心臟四維重建存在的主要問(wèn)題是
I.不具有唯一特征的人工標(biāo)志點(diǎn)自動(dòng)匹配難以實(shí)現(xiàn)。2.人工完成的標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別和匹配技術(shù)不滿(mǎn)足心臟實(shí)時(shí)重建的基本要求。3.重建獲得的心臟四維模型誤差較大 ，很少具有真實(shí)感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于模型插值補(bǔ)償?shù)男呐K實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建技術(shù)，由四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成，其中包括(I)標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)和識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)獨(dú)特標(biāo)志板，采用細(xì)鉛絲鋪成具有高區(qū)分度的圖案依附在有機(jī)玻璃上，有效提取XRA圖像上標(biāo)志點(diǎn)精確位置；(2)心臟模型重建，將不透X線的電生理導(dǎo)管送入心內(nèi)緊貼心內(nèi)膜，對(duì)導(dǎo)管頂端空間點(diǎn)進(jìn)行三維重建獲取該點(diǎn)三維坐標(biāo)，重復(fù)該過(guò)程移動(dòng)導(dǎo)管到達(dá)心內(nèi)膜各點(diǎn)，分別進(jìn)行定位，得到心內(nèi)膜上的空間點(diǎn)三維坐標(biāo)集合，經(jīng)過(guò)B樣條插值等處理，重建完整的心臟內(nèi)部模型。(3)重建過(guò)程中將加入時(shí)間考量，使心臟的三維圖像的各個(gè)點(diǎn)的空間位置與心動(dòng)周期的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)了心臟三維模型的動(dòng)態(tài)變化即心臟四維重建。(4)基于真實(shí)心臟模型先驗(yàn)值的插值補(bǔ)償算法，便于在現(xiàn)有重建點(diǎn)云中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地填充虛擬點(diǎn)，引導(dǎo)操作者完成心內(nèi)膜探測(cè)點(diǎn)的選取，從而獲得更高精度的心內(nèi)膜模型。標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)格，正面標(biāo)記采用“L”型標(biāo)記板，背面采用圓形標(biāo)記板，具有唯一特征、一定編碼形狀、容易識(shí)別；X射線成像系統(tǒng)不同視角成像后，能自動(dòng)檢測(cè)圖像中標(biāo)志點(diǎn)，提取每個(gè)圖像中標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)精確值，利用這些參考點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息完成X射線透視投影成像系統(tǒng)的外部參數(shù)標(biāo)定?；谀Ｐ偷牟逯笛a(bǔ)償實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建大大增強(qiáng)重建模型的采樣效率以及輪廓的真實(shí)感與平滑度，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)根據(jù)虛擬點(diǎn)位置信息調(diào)整樣點(diǎn)采集的分布，避免了盲目的重復(fù)樣點(diǎn)采集而最終分布不均勻的情況，提高樣點(diǎn)采集效率及準(zhǔn)確性；動(dòng)態(tài)地顯示每一時(shí)刻的心室表面三維圖像，區(qū)分顯示真實(shí)探測(cè)點(diǎn)以及模型補(bǔ)償虛擬點(diǎn)，醫(yī)生可參考虛擬補(bǔ)償點(diǎn)的位置進(jìn)行下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的選取，直至醫(yī)生對(duì)重建效果滿(mǎn)意時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)算。本發(fā)明設(shè)計(jì)的標(biāo)志點(diǎn)特征唯一、容易識(shí)別，基于真實(shí)心臟模型先驗(yàn)值的插值補(bǔ)償算法效果明顯。這些方法可方便應(yīng)用于三維重建其他領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明所提出的背面標(biāo)記2是本發(fā)明所提出的正面標(biāo)記3是本發(fā)明所使用的三維重建原理4是本發(fā)明所提出的系統(tǒng)流程圖
具體實(shí)施例方式關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)以下的發(fā)明詳述及附圖得到進(jìn)一步的了解。附圖I為設(shè)計(jì)的背面標(biāo)記規(guī)格圖，采用細(xì)鉛絲鋪成的圖案依附在有機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)上。
主 要參數(shù)如下基板厚(有機(jī)玻璃板厚度)0. 5cm左右,不宜過(guò)厚,否則不利于固定及標(biāo)定,行列分割線采用細(xì)鉛絲嵌入有機(jī)玻璃載體制作。此圓形標(biāo)記板共制作3種①線寬1mm，dl = 4cm, d2 = lcm, d3 = 3mm②線寬1mm，dl = 3cm, d2 = 0. 75cm, d3 = 3mm③線寬1mm，dl = 2cm, d2 = 0. 5cm, d3 = 3mm這樣的設(shè)計(jì)具備幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，首先環(huán)形圖案設(shè)計(jì)易于識(shí)別，在存在少量交叉遮擋情況下同樣能夠被識(shí)別出，同時(shí)圓環(huán)上配備非對(duì)稱(chēng)圓點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同圓點(diǎn)的位置及小圓環(huán)的相對(duì)位置提取編碼標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，確定標(biāo)志點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。附圖2為設(shè)計(jì)的正面標(biāo)記規(guī)格圖,其中主要參數(shù)線寬1mm, d3 = 3mm, LI = lcm。該設(shè)計(jì)中，直角拐角點(diǎn)易于被精確識(shí)別，因此將其作為基準(zhǔn)點(diǎn)。在其兩個(gè)方向分別存在一個(gè)和兩個(gè)等間距圓點(diǎn)，用以區(qū)分兩側(cè)方向的區(qū)別，基于此，該標(biāo)志點(diǎn)上的四個(gè)圓形標(biāo)志點(diǎn)可以在識(shí)別出的同時(shí)進(jìn)行區(qū)分編號(hào)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)的有區(qū)分識(shí)別匹配。同時(shí)，由于此標(biāo)記圖形設(shè)計(jì)為直角，在三維重建中所需要的世界坐標(biāo)系可以由該圖案的直角對(duì)應(yīng)的兩軸及垂直于該平面的軸確定三軸方向。本專(zhuān)利中標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)中主要采用了線或者圓的圖案，在二維圖像檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)直線和圓心位置的檢測(cè)和識(shí)別方法已經(jīng)較為成熟，并且根據(jù)設(shè)計(jì)圖案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很容易分辨各個(gè)位置點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，這種標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)的方式能有效識(shí)別以及區(qū)分標(biāo)志點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維重建過(guò)程中參考點(diǎn)定位功能。得到能夠有效識(shí)別以及區(qū)分的標(biāo)志點(diǎn)后，對(duì)心臟內(nèi)膜導(dǎo)管頂端進(jìn)行三維定位是心臟四維重建的基礎(chǔ)。三維定位的原理基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的二視圖幾何相關(guān)知識(shí)，其原理圖如附圖3所示。定位過(guò)程如下將本專(zhuān)利中設(shè)計(jì)的不透X線的標(biāo)志點(diǎn)固定在心臟附近且與心臟相對(duì)位置固定不變的位置；隨后將不透X線的電生理導(dǎo)管送入心內(nèi)緊貼心內(nèi)膜，導(dǎo)管頂端G點(diǎn)作為感興趣點(diǎn)，頂端G點(diǎn)與心內(nèi)膜某點(diǎn)接觸，使用X射線從不同角度SI方向和S2方向進(jìn)行照射，使用二視圖幾何的方法對(duì)導(dǎo)管頂端的空間位置進(jìn)行定位，即相當(dāng)于對(duì)心內(nèi)膜G點(diǎn)進(jìn)行定位。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟內(nèi)膜導(dǎo)管頂端進(jìn)行三維定位。移動(dòng)導(dǎo)管均勻地到達(dá)心內(nèi)膜各點(diǎn)，并按上述方法分別對(duì)心內(nèi)膜其它各點(diǎn)進(jìn)行定位，將諸點(diǎn)的空間位置進(jìn)行曲面連接，則形成心臟四維圖像重建?；谀Ｐ偷牟逯笛a(bǔ)償算法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建可用系統(tǒng)流程圖(附圖4)說(shuō)明。在算法中，核心操作就是將檢測(cè)過(guò)程中探針已探測(cè)過(guò)的心內(nèi)膜特征點(diǎn)云與基準(zhǔn)心臟模型的抽樣點(diǎn)集合進(jìn)行配準(zhǔn)，獲得一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。此時(shí)，以真實(shí)探測(cè)點(diǎn)為主，模型中未被匹配的其余虛擬補(bǔ)償點(diǎn)為輔共同進(jìn)行心臟三維可視化，使重建模型更加平滑逼真。同時(shí)直觀的反應(yīng)目前探測(cè)的心臟內(nèi)膜探測(cè)點(diǎn)的分布，便于操作者選取探測(cè)較少的區(qū)域進(jìn)行下一步探測(cè)。配準(zhǔn)過(guò)程如下，在完成X射線成像系統(tǒng)的標(biāo)定之后，即獲取了攝像機(jī)參數(shù)與旋轉(zhuǎn)參數(shù)，由于P = K(R，t)，也就可以經(jīng)過(guò)投影變化將心內(nèi)膜特征點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)心臟模型的坐標(biāo)系下，形成模型坐標(biāo)系下的特征點(diǎn)云。對(duì)于事先確定的真實(shí)心臟三維模型，我們對(duì)其進(jìn)行平均抽樣，獲取一定數(shù)量均勻分布的抽樣點(diǎn)云。在此抽樣點(diǎn)云與特征點(diǎn)云之間建立一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，則有
Cii=J (Xi — X-) 2 + (yt - y[) 2 + {zt - z[)(2)其中di為匹配兩點(diǎn)之間的距離，XiyiZi分別為第i個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，xi' yi' Zi'則分別為模型抽樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)。算法的目的則是尋求一種最優(yōu)匹配，使
得- JESL1(Cif)取得最小值。那么這個(gè)問(wèn)題可以使用Kuhn-Munkras最優(yōu)匹配算法求取。
匹配后即可獲得目前已采集的心內(nèi)膜點(diǎn)與基準(zhǔn)心臟模型上抽樣點(diǎn)的匹配關(guān)系，至此，配準(zhǔn)過(guò)程完成?；诖四軌?qū)旌险鎸?shí)探測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)模型的虛擬點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行實(shí)時(shí)三維可視化，得到更加平滑真實(shí)的心臟三維模型。動(dòng)態(tài)地顯示每一時(shí)刻的心室表面三維圖像，區(qū)分顯示真實(shí)探測(cè)點(diǎn)以及模型補(bǔ)償虛擬點(diǎn)，操作者可參考虛擬補(bǔ)償點(diǎn)的位置進(jìn)行下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的選取，直至操作者對(duì)重建效果滿(mǎn)意時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)算。雖然參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但以上所述實(shí)例并不構(gòu)成本發(fā)明保護(hù)范圍的限定，任何在本發(fā)明的精神及原則內(nèi)的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于模型插值補(bǔ)償?shù)男呐K實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建技術(shù)，由四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成，其中包括 (1)標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)和識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)獨(dú)特標(biāo)志板，采用細(xì)鉛絲鋪成具有高區(qū)分度的圖案依附在有機(jī)玻璃上，有效提取XRA圖像上標(biāo)記點(diǎn)精確位置； (2)心臟模型重建，將不透X線的電生理導(dǎo)管送入心內(nèi)緊貼心內(nèi)膜，對(duì)導(dǎo)管頂端空間點(diǎn)進(jìn)行三維重建獲取該點(diǎn)三維坐標(biāo)，重復(fù)該過(guò)程移動(dòng)導(dǎo)管到達(dá)心內(nèi)膜各點(diǎn)，分別進(jìn)行定位，得到心內(nèi)膜上的空間點(diǎn)三維坐標(biāo)集合，經(jīng)過(guò)B樣條插值等處理，重建完整的心臟內(nèi)部模型； (3)重建過(guò)程中將加入時(shí)間考量，使心臟的三維圖像的各個(gè)點(diǎn)的空間位置與心動(dòng)周期的各個(gè)時(shí)間點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)了心臟三維模型的動(dòng)態(tài)變化即心臟四維重建； (4)基于真實(shí)心室模型先驗(yàn)值的插值補(bǔ)償算法，便于在現(xiàn)有重建點(diǎn)云中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地填充虛擬點(diǎn)，引導(dǎo)操作者完成心內(nèi)膜探測(cè)點(diǎn)的選取，從而獲得更高精度的心內(nèi)膜模型。
2.如權(quán)利要求I所述標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)格，正面標(biāo)記采用“L”型標(biāo)記板，背面采用圓形標(biāo)記板，具有唯一特征、一定編碼形狀、便于有效識(shí)別區(qū)分。
3.如權(quán)利要求I所述的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別技術(shù)，X射線成像系統(tǒng)不同視角成像后，能自動(dòng)檢測(cè)圖像中標(biāo)記點(diǎn)，提取每個(gè)圖像中標(biāo)記點(diǎn)二維坐標(biāo)精確值，利用這些參考點(diǎn)的二維坐標(biāo)信息及其在兩幅圖像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系完成X射線透視投影成像系統(tǒng)的外部參數(shù)標(biāo)定。
4.如權(quán)利要求所述I的基于模型的插值補(bǔ)償算法，大大增強(qiáng)重建模型的采樣效率以及輪廓的真實(shí)感與平滑度。
5.如權(quán)利要求所述I的基于模型的插值補(bǔ)償算法，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)根據(jù)虛擬點(diǎn)位置信息調(diào)整樣點(diǎn)采集的分布，避免了盲目的重復(fù)樣點(diǎn)采集而最終分布不均勻的情況，提高樣點(diǎn)采集效率及準(zhǔn)確性。
6.如權(quán)利要求所述I的基于模型的插值補(bǔ)償實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建，動(dòng)態(tài)地顯不每一時(shí)刻的心室表面三維圖像，區(qū)分顯示真實(shí)探測(cè)點(diǎn)以及模型補(bǔ)償虛擬點(diǎn)，醫(yī)生可參考虛擬補(bǔ)償點(diǎn)的位置進(jìn)行下一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的選取，直至醫(yī)生對(duì)重建效果滿(mǎn)意時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)算。
全文摘要
本專(zhuān)利描述了一種基于模型插值補(bǔ)償?shù)男呐K實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重建技術(shù)，提出基于X射線透視投影的接觸式心臟四維標(biāo)測(cè)重建方案，旨在彌補(bǔ)心室標(biāo)測(cè)設(shè)備在成像方面的不足。專(zhuān)利中設(shè)計(jì)了一套具有唯一特征、容易識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別匹配技術(shù)，同時(shí)將一種基于真實(shí)心臟模型先驗(yàn)值的插值補(bǔ)償算法應(yīng)用于心臟四維重建技術(shù)，使得心臟四維重建結(jié)果更準(zhǔn)確、操作更簡(jiǎn)單。在該技術(shù)的引導(dǎo)下，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)心臟進(jìn)行四維解剖重建，從而彌補(bǔ)當(dāng)前心臟三維重建技術(shù)設(shè)備的不足并填補(bǔ)四維心臟重建技術(shù)設(shè)備的空白，提高手術(shù)效率。對(duì)提高我國(guó)心血管三維可視化水平、推動(dòng)相關(guān)疾病的診治和科研的發(fā)展具有重要意義。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102622775SQ201210009190
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者劉越, 楊健, 王涌天, 范敬凡 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)