專利名稱：超聲波探頭的光學標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學標定方法，尤其涉及一種超聲波探頭的光學標定方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的基于磁定位器的手動三維超聲圖像標定方法:在超聲探頭上固定一個電磁接收器，利用電磁定位器獲取該接收器相對于發(fā)射器的空間信息，建立超聲圖像坐標系1、接收器坐標系R、發(fā)射器坐標系T、模板坐標系C四個坐標系，標定公式為P(C)=cTt.tTe.eTi.P(I)，其中tTk代表電磁接收器到發(fā)射器的變換矩陣，已知空間點的超聲圖像坐標Pd)、對應(yīng)的模板坐標P(C)和每次測量的tTk，利用最小二乘法得到接收器和超聲圖像之間的空間映射關(guān)系％和kTp基于磁定位器的手動三維超聲圖像標定方法存在以下問題:
(I)設(shè)計的N形標定模板只是空間中二維的標定模板，得到的標定模板坐標缺少第二維的空間彳目息；(2)標定公式P(C) = cTt^VeTi* (I)中的未知量有％和kTi兩個，計算較為復雜，需要采集多幅標定圖像；(3)默認用接收器坐標系代替超聲探頭坐標系，可能存在變換誤差；(4)需要在超聲探頭上固定電磁接收器，活動受限制，且針對不同型號的超聲探頭需要配備不同規(guī)格的電磁定位器，使得設(shè)備復雜，適應(yīng)性不高；(5)電磁定位設(shè)備在手術(shù)導航應(yīng)用中存在電磁兼容問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上問題的提出，而研制的一種超聲波探頭標定方法，具有如下步驟:S1.選取光軸相互平行的兩枚完全相同的相機,作為光學定位設(shè)備，以一側(cè)相機的光心作為坐標系原點，兩枚相機的光心連接線為X軸，以該相機的光軸作為Z軸,建立空間直角坐標系，作為光學定位設(shè)備坐標系C ；S2.選取并固定兩個相同的矩形框架，使所述的2個矩形框架構(gòu)成空間虛擬長方體中相對的兩個面，使用多條標定直線連接所述兩個矩形框架的各端點，作為立體標定模板，選取所述兩個矩形框架中的一個頂點作為原點，建立空間直角坐標系，作為立體標定模板坐標系M ；S3.選取一個2D的超聲波探頭，在該超聲波探頭上粘貼至少三個特征點，建立空間直角坐標系，作為超聲波探頭坐標系T ；S4.使用超聲波探頭掃描標定模板，使超聲波的掃描平面穿過所述的多條標定直線的每一條標定直線，記錄每一個掃描平面與標定直線相交的空間點，計算每一個空間點在所述立體標定模板坐標系M中的坐標；S5.設(shè)定超聲圖像坐標系I，利用超聲圖像處理技術(shù)獲得所述的每一個空間點在超聲波圖像中的坐標，記做P (I) = (Ui, Vi, O, 1)τ ；S6.由所述的光學定位設(shè)備坐標系C、立體標定模板坐標系M、超聲波探頭坐標系T和超聲圖像坐標系I，得到公式:P (M) = mTc.cTt (i).tTi.P (I)，式中:P(M)為空間點在立體標定模板坐標系M中的坐標；P(I)為對應(yīng)點在超聲圖像中的圖像坐標；維數(shù)為4X4的矩陣MT。為坐標系C到坐標系M的變換矩陣，該矩陣為固定值；維數(shù)為4X4的矩陣eTT(i)為坐標系T到坐標系C的變換矩陣，每次標定圖像采集對應(yīng)一個矩陣cTt (i)；維數(shù)為4X4的矩陣tTi為所求變換矩陣；設(shè)目標函數(shù)f(i) = PM(i)-MTc.cTt (i).tTi …⑴ I2，使得 f(i) = O 時的 tTi 即為標定所求，采集多幅標定圖像，堆疊數(shù)據(jù)后，使用最小二乘法的方法優(yōu)化求出tTi,完成超聲波探頭的標定。所述兩枚相機的光心距離即基線距離可調(diào)節(jié)，光軸夾角可調(diào)節(jié)。所述連接線的個數(shù)至少為7條。所述步驟S3中，進行掃描之前，將所述標定模板浸入50°C的水中。所述步驟S6中，采集至少 2幅圖像。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的超聲波探頭的光學標定方法，具有如下優(yōu)點:1.設(shè)計一種立體標定模板，將標定模板坐標由二維擴展到三維，這樣可以增強標定計算過程中的約束條件，使得標定結(jié)果更準確；2.標定公式P(M) = mTc.cTt (i).tTi.P⑴中的未知量只有tTi,降低了標定計算的復雜性；3.直接利用超聲探頭坐標系與其他坐標系做變換，物理意義明確，且在探頭上粘貼的三個特征標識點適應(yīng)性強，可以應(yīng)用到各種型號的超聲探頭上，設(shè)備簡便，適用范圍廣；4.采用光學定位設(shè)備獲取超聲探頭姿態(tài)，無需考慮電源線的影響，使得可標定的范圍更廣；5.光學定位設(shè)備在手術(shù)導航環(huán)境中不存在電磁兼容的問題。


為了更清楚的說明本發(fā)明的實施例或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明的空間坐標系的變換關(guān)系不意圖；圖2為本發(fā)明的立體標定模板示意圖；圖3為本發(fā)明的超聲探頭上的特征標識點及其坐標系設(shè)定示意圖；圖4為本發(fā)明的立體標定模板坐標系設(shè)定示意圖5為本發(fā)明的空間點E在立體標定模板坐標系中的坐標計算方法示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。實施例1:如圖1-5所示:一種超聲波探頭標定方法:—.光學定位設(shè)備的坐標系C的設(shè)定:選取光軸相互平行的兩枚相同的相機,作為光學定位設(shè)備。如圖1所示，兩枚完全相同的相機，配備相同型號的鏡頭，優(yōu)選的，固定在水平設(shè)置的固定架上。進一步的，為了能夠滿足不同的標定范圍，所述的兩枚相機與所述固定架活動連接，即兩枚相機的光心距離即基線距離設(shè)置為可調(diào)節(jié)式，同時兩枚相機的光軸夾角也可調(diào)節(jié)，可以滿足不同方位的標定需求。在固定好光學儀器之后，通常的，選擇以左側(cè)相機光心為軸心，兩枚相機的基線為X軸線，以該左側(cè)相機的光軸作為Z軸,建立直角坐標系,作為光學定位設(shè)備坐標系C。二.立體標定模板及其坐標系設(shè)定:如圖2所示:選用兩個完全一致的矩形框架或矩形面板，本實施例中選用兩個尺寸完全一致的矩形框架，將連個框架呈豎直相對設(shè)置，使其中矩形框架A在另一個矩形框架B上的正投影與矩形框架B完全重合，也可表述為所述的兩個矩形框架在光學定位設(shè)備坐標系中構(gòu)成一個空間虛擬長方體中相對的兩個面。選定多條標定直線，連接所述兩個矩形面板的頂點。由于運算的需要，至少需要7條標定直線，采用折線N形連接的方式，連接所述的兩個矩形框架的所有頂點。具體連接方式，如圖2所示:在虛擬的空間長方體的 六個面中，除了所述的兩個矩形框架所在的面，其余的4個矩形面中，至少有三個面，具有三條標定直線連接各所在面的頂點，且三條直線呈N字型。以O(shè)點作為坐標原點，建立空間直角坐標系，作為立體標定模板坐標系M。三.超聲探頭上的特征標識點及其坐標系設(shè)定，如圖3示，選取一個2D的超聲波探頭，在該超聲波探頭上粘貼至少三個特征點，優(yōu)選的，特征點可以是可見光特征點和紅外LED特征點等，建立空間直角坐標系，作為超聲波探頭坐標系T。四.每個超聲波探測儀，在其掃描面都具有自己的坐標，本發(fā)明中設(shè)定為超聲圖像坐標系I。五.使用超聲波探頭掃描標定模板，工作的時候?qū)⑺鰳硕０宸湃胨疁丶s50°C的水中，手持2D超聲探頭掃描該模板，掃描平面與標定線相交于D、E、F、G、H、M、N七個空間點，如圖4示。利用超聲圖像處理技術(shù)獲得所述的每一個空間點在超聲波圖像坐標系I中的坐標，記做 P (I) = (Ui, Vi, O, l)To得到的D、E、F、G、H、M、N七個空間點，每個點在立體模板坐標系M中的坐標設(shè)為P(M) = (xi； Yi, Zi, 1)τ,以D、E、F共面的三點為例，與三角形EFC相似，根據(jù)相似三角形的原理有E點在立體標定模板中的坐標為(xE，yE, zE, 1)τ，
權(quán)利要求
1.一種超聲波探頭標定方法，其特征在于具有如下步驟:取光軸相互平行的兩枚完全相同的相機，作為光學定位設(shè)備，以一側(cè)相機的光心作為坐標系原點，兩枚相機的光心連接線為X軸，以該相機的光軸作為Z軸,建立空間直角坐標系，作為光學定位設(shè)備坐標系C ；取并固定兩個相同的矩形框架，使所述的2個矩形框架構(gòu)成空間虛擬長方體中相對的兩個面，使用多條標定直線連接所述兩個矩形框架的各端點，作為立體標定模板，選取所述兩個矩形框架中的一個頂點作為原點，建立空間直角坐標系，作為立體標定模板坐標系M ；取一個2D的超聲波探頭，在該超聲波探頭上粘貼至少三個特征點，建立空間直角坐標系，作為超聲波探頭坐標系T ；用超聲波探頭掃描標定模板，使超聲波的掃描平面穿過所述的多條標定直線的每一條標定直線，記錄每一個掃描平面與標定直線相交的空間點，計算每一個空間點在所述立體標定模板坐標系M中的坐標；定超聲圖像坐標系I，利用超聲圖像處理技術(shù)獲得所述的每一個空間點在超聲波圖像中的坐標，記做P (I) = (Ui, Vi, O, 1)τ ；所述的光學定位設(shè)備坐標系C、立體標定模板坐標系M、超聲波探頭坐標系T和超聲圖像坐標系I，得到公式: P(M) = mTc.cTt (i).tTi.P(I)， 式中=P(M)為空間點在立體標定模板坐標系M中的坐標；P (I)為對應(yīng)點在超聲圖像中的圖像坐標； 維數(shù)為4X4的矩陣MT。為坐標系C到坐標系M的變換矩陣，該矩陣為固定值； 維數(shù)為4X4的矩陣eTT(i)為坐標系T到坐標系C的變換矩陣，每次標定圖像采集對應(yīng)一個矩陣cTt (i)； 維數(shù)為4X4的矩陣tTi為所求變換矩陣； 設(shè)目標函數(shù)f(i) = PM(i)-MTc.cTt(i).tTi卞⑴I2，使得f(i) =O時的tTi即為標定所求，采集多幅標定圖像，堆疊數(shù)據(jù)后，使用最小二乘法的方法優(yōu)化求出tTi,完成超聲波探頭的標定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波探頭的光學標定方法，其特征還在于:所述兩枚相機的光心距離即基線距離可調(diào)節(jié)，光軸夾角可調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波探頭的光學標定方法，其特征還在于:所述連接線的個數(shù)至少為7條。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波探頭的光學標定方法，其特征還在于:所述步驟S3中，進行掃描之前，將所述標定模板浸入50°C的水中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波探頭的光學標定方法，其特征還在于:所述步驟S6中，采集至少2幅圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波探頭的標定方法，具有如下步驟1.在超聲探頭上粘貼特征標識點，2.固定立體標定模板和光學定位設(shè)備，3.手持超聲探頭掃描立體標定模板，每次采集超聲圖像的同時利用光學定位設(shè)備獲取超聲探頭的空間姿態(tài)，得到原始數(shù)據(jù)，繼而利用最小二乘法標定超聲探頭。相較于傳統(tǒng)的電磁標定方法，具有如下優(yōu)點標定結(jié)果更加準確；運算過程中，只有一個未知數(shù)(一個未知變換矩陣)，降低了標定計算的復雜性；可以應(yīng)用到各種型號的超聲探頭上，設(shè)備簡便，適用范圍廣；采用光學定位設(shè)備獲取超聲探頭姿態(tài)，無需考慮電源線的影響，使得可標定的范圍更廣；光學定位設(shè)備在手術(shù)導航環(huán)境中不存在電磁兼容的問題。
文檔編號A61B8/00GK103110429SQ20121019146
公開日2013年5月22日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者邱天爽, 任亮, 朱勇, 劉惠 申請人:大連理工大學