CN104207801A - 一种超声检测图像三维标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声检测图像三维标定方法，该方法通过超声探头上的接收器实时获取超声探头的位姿信息，从而可将模板中任意点(包括棉线交点)坐标转换至接收器坐标系中；通过超声探头对网状模板中棉线交点的扫描，获得棉线交点的超声图像；通过模板中棉线交点构建空间矢量，按照模板中空间矢量间的几何特性计算超声图像中棉线交点成像点的坐标，进而应用同源点最小二乘匹配计算定位接收器坐标系Or与探头扫描图像坐标系Oi间的关系。与现有技术相比，本发明通过空间矢量关系计算图像坐标系中同源点坐标，避免了以往方法中人工拾取图像同源点坐标时人为因素影响，从而具有标定精度与重建精度高、标定速度快等优点。

Description

一种超声检测图像三维标定方法

技术领域

本发明涉及超声标定技术领域，尤其是涉及一种超声检测图像三维标定方法。

背景技术

三维(3-D)超声标定是超声图像3-D可视化不可缺少的关键步骤，因为手持超声探头Freehand采样，得到的是一系列非平行、不规则的二维(2-D)超声图像，只有从超声探头获取的2-D图像信息出发，计算其对应的3-D空间中的几何信息，再由此生成规则的平行图像序列，才能进行后续的三维重建和目标分割。这一定标计算过程称为3-D超声标定，其通常通过在超声探头上固定定位跟踪设备，计算该设备与超声探头扫描平面间的方位关系来实现。该设备可以实时记录超声探头以任意方位扫描目标时的方位信息，因此为扫描得到的一系列非平行超声图像提供了相应的空间方向与位置信息。

目前常用的两种超声探头定位跟踪方法是磁定位与光学定位，本专利采用磁定位方法。而定位跟踪设备一旦固定，其与超声探头扫描平面间的方位关系即已确定，这种转换关系一般不能通过物理方法来测量，但可以表示为定位跟踪设备坐标相对于超声图像平面像素坐标的转换转关系(旋转、平移和比例关系)，其数学形式为4×4矩阵。此转换转关系矩阵亦称标定矩阵，以往计算标定矩阵中通过同源点在不同坐标系下的坐标，应用最小二乘匹配算法获得两个坐标系间的转换矩阵。其中同源点在图像坐标系中的坐标依赖人工从图像中拾取，这样不可避免的带来人为因素对标定精度的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，从同源点在图像中的坐标能够被自动提取的角度进行研究，独特之处在于应用同源点的空间矢量特征关系进行图像坐标的自动计算，从而提供减少算法中人为因素的影响，实现一种标定精度与重建精度高、标定速度快的超声检测图像三维标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超声检测图像三维标定方法，定位接收器与定位发射器连接，该方法通过模板计算固定在超声探头上的定位接收器坐标系Or与探头扫描图像坐标系Oi间的关系，所述的模板上设有两层网状棉线，网状棉线在扫描面上有n个棉线交点，所述的标定方法包括以下步骤：

1)取超声扫描图像中的点I₁作为基准点，获取I₁在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₁在定位接收器坐标系中的坐标R₁为：

R₁＝T_r←t·T_t←p·P₁

其中，P₁为基准点I₁在模板坐标系Op中的对应坐标，T_r←t为定位发射器坐标系Ot相对于定位接收器坐标系Or的转换矩阵，T_t←p为模板坐标系Op相对于定位发射器坐标系Ot的转换矩阵；

2)根据模板上棉线交点的位置在扫描图像中拾取点I₂，获得向量的方向，I₂在模板坐标系Op中的对应坐标为P₂，根据P₁与P₂的距离d₁₂和的方向计算I₂在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₂在定位接收器坐标系中的坐标R₂为：

R₂＝T_r←t·T_t←p·P₂；

3)根据模板上棉线交点的位置在扫描图像中拾取点I₃，I₃在模板坐标系Op中的对应坐标为P₃，向量间的夹角为θ，根据和θ确定的方向，根据P₁与P₃的距离d₁₃和的方向计算I₃在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₃在定位接收器坐标系中的坐标R₃为：

R₃＝T_r←i·T_t←p·P₃；

4)重复步骤2)、3)，获得扫描面上n个棉线交点在定位接收器坐标系与探头扫描图像坐标系中的坐标，并根据以下公式进行同源点最小二乘原理匹配，获得标定矩阵T_r←t：

$T_{r\←i}=\underset{R.p}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|R_i-({\mathrm{sRI}}_i+p)\left|\right|}^2$

其中，R_i为第i个棉线交点在定位接收器坐标系中的坐标，I_i为第i个棉线交点在探头扫描图像坐标系上的坐标，s为比例系数，R为旋转关系矩阵，p为平移向量；

5)采集m幅超声扫描图像，重复步骤1)-4)，计算m个标定矩阵T_r←i的平均值作为最终标定结果。

所述的基准点I₁为网状棉线中最上层交点的中间一点在超声图像中的成像点。

所述的的方向取决于I₂沿基准点I₁的方向。

所述的T_t←p通过模板标定方法计算得到，所述的模板标定方法具体为：

模板两侧设有多个通孔，且通孔坐标已知，将定位接收器的探针针尖依次接触通孔，根据针尖相对于其上定位接收器的位置关系及T_r←t获得这些通孔在定位发射器坐标系Ot上的坐标，根据同源点最小二乘原理匹配获得T_t←p。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过空间矢量的方法计算同源点坐标，是以往研究中没有采用过的方法。以往的方法中通常采用直接拾取图像同源点坐标或应用相似三角形的方法计算同源点坐标。

2、同源点数目少，通过构建空间向量，得到三对同源点即可完成标定算法，标定简单快速。

3、基准点选择在图像中心位置，实验证明此位置受超声束扇形发散效应影响小，可提高标定精度与重建精度。

4、基准点选择在图像偏上位置，实验证明此位置受超声束深度影响小，可提高标定精度与重建精度高。

5、超声图像中另外2个同源点选择在靠近图像中心线的位置，可减少超声束扇形发散效应影响，提高标定精度与重建精度。

6、采用同源点最小二乘原理匹配及多次采集超声图像再求平均值的计算方法，来计算最终的标定矩阵，可以修正单次操作中由于探头对正、图像成像点拾取等因互引入的误差。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为模板扫描面示意图；

图3为超声扫描图像选点示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种超声检测图像三维标定方法，采用NDI磁定位方式，定位接收器与定位发射器连接，该方法需辅以模板来完成，通过模板计算固定在超声探头上的定位接收器坐标系Or与探头扫描图像坐标系Oi间的关系，所述的模板上设有两层网状棉线，网状棉线在扫描面上有n(n为10)个棉线交点。

标定过程所需的探头扫描图像坐标系Oi为自定义，定位接收器坐标系Or为NDI公司定义，定位发射器坐标系Ot为NDI公司定义，模板坐标系Op为自定义。

当超声探头如图1所示扫描模板时，取模板上处于图像视野中的某点P_ρ＝[x_ky_kz_k1]^T，其成像点在坐标系Oi中的坐标记为P_i＝[s_u·u_ks_v·v_k01]^T，s_u、s_v为超声图像两个方向的分辨率(比例系数，单位mm/pixel)，一般情况下：s_u=s_v，则Op与Oi间的转换关系以齐次坐标变换矩阵表示为：

$\left(\begin{array}{c}{x}_k\\ y_k\\ z_k\\ 1\end{array}\right)=T_{p\←t}\·T_{t\←r}.T_{r\←i}.\left(\begin{array}{c}{s}_u.u_k\\ s_v.x_v\\ 0\\ 1\end{array}\right)---\left(1\right)$

简写为：P_p＝T_p←t·T_t←r·T_r←i·P_i    (2)

其中，T_t←r为定位接收器坐标系Or相对于定位发射器坐标系Ot的转换矩阵，由磁定位跟踪装置固有的定位算法计算可得；T_p←t为发射器坐标系Ot相对于模板坐标系Op的转换矩阵，由模板标定方法计算得到。(2)式全部以矩阵形式表示为：

T_p←i＝T_p←i·T_t←r·T_r←i    (3)

T_r←i＝T_t←r ^-1·T_p←t ^-1·T_p←i    (4)

T_r←i即为标定算法的最终目标。

所述的T_t←p通过模板标定方法计算得到，所述的模板标定方法具体为：

模板两侧设有多个通孔，且通孔坐标已知，将定位接收器的探针针尖依次接触通孔，根据针尖相对于其上定位接收器的位置关系及T_r←t获得这些通孔在定位发射器坐标系Ot上的坐标，根据同源点最小二乘原理匹配获得T_t←p。

如图2所示，由于模板设计的尺寸已知，所以模板上的P₁，P₂，P₂，d₁₂、d₁₃、向量和间的夹角θ是能够计算得到的，均作为已知条件。

如图1-图3所示，该标定方法包括以下步骤：

1)取超声扫描图像中的点I₁作为基准点，I₁为网状棉线中最上层交点的中间一点，获取I₁在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₁在定位接收器坐标系中的坐标R₁为：

R₁＝T_r←t·T_i←p·P₁

其中，P₁为基准点I₁在模板坐标系Op中的对应坐标，T_r←t为定位发射器坐标系Ot相对于定位接收器坐标系Or的转换矩阵，t_t←p为模板坐标系Op相对于定位发射器坐标系Ot的转换矩阵；

2)根据模板上棉线交点的位置在扫描图像中拾取点I₂，I₂可选临近基准点上层左侧的一点，的方向取决于I₂沿基准点I₁的方向，可平行于模板坐标系中的x轴方向，I₂在模板坐标系Op中的对应坐标为P₂，将P₁与P₂的距离d₁₂转换为像素，计算I₁与I₂的距离：|I₁I₂|＝s·d₁₂，s为比例系数，单位是：pixel/mm，也就是每毫米代表多少个像素，根据距离和方向计算I₂在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₂在定位接收器坐标系中的坐标R₂为：R₂＝T_r←t·T_t←p·P₂；

3)根据模板上棉线交点的位置在扫描图像中拾取点I₃，I₃可选临近基准点下层左侧的一点，I₃在模板坐标系Op中的对应坐标为P₃，向量间的夹角为θ，根据和θ确定的方向，根据P₁与P₃的距离d₁₃和的方向计算I₃在探头扫描图像坐标系中的坐标： $\stackrel{\‾}{I_1{I}_2}\stackrel{\‾}{I_1{I}_3}=\left|I_1{I}_2\right|\·\left|I_1{I}_3\right|\cos \mathrm{\θ}=s\·d_{12}\·s\·d_{13}\cos \mathrm{\θ}.$ I₃在定位接收器坐标系中的坐标R₃为：R₃＝T_r←t·T_t←p·P₃；

4)重复步骤2)、3)，获得扫描面上10个棉线交点在定位接收器坐标系与探头扫描图像坐标系中的坐标，并根据以下公式进行同源点最小二乘原理匹配，获得标定矩阵T_r←i：

$T_{r\←i}=\underset{R.p}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|R_i-({\mathrm{sRI}}_i+p)\left|\right|}^2$

其中，R₁为第i个棉线交点在定位接收器坐标系中的坐标，I_i为第i个棉线交点在探头扫描图像坐标系上的坐标，R为旋转关系矩阵，p为平移向量；

5)采集10幅超声扫描图像，重复步骤1)-4)，计算m个标定矩阵T_r←i的平均值作为最终标定结果。

最后的T_r←i是一个4×4矩阵，前三列为旋转关系R，最后一列为平移向量p：

$T_{r\←i}=\left[\begin{array}{cccc}{P}_{11}& P_{12}& P_{13}& P_{14}\\ P_{21}& P_{22}& P_{23}& P_{24}\\ P_{31}& P_{32}& P_{33}& P_{34}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right].$

Claims (4)

1.一种超声检测图像三维标定方法，定位接收器与定位发射器连接，其特征在于，该方法通过模板建立同源点空间矢量来计算固定在超声探头上的定位接收器坐标系Or与探头扫描图像坐标系Oi间的关系，所述的模板上设有两层网状棉线，网状棉线在扫描面上有n个棉线交点，所述的标定方法包括以下步骤：

1)取超声扫描图像中的点I₁作为基准点，获取I₁在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₁在定位接收器坐标系中的坐标R₁为：

R₁＝T_r←t·T_t←p·P₁

其中，P₁为基准点I₁在模板坐标系Op中的对应坐标，T_r←t为定位发射器坐标系Ot相对于定位接收器坐标系Or的转换矩阵，T_t←p为模板坐标系Op相对于定位发射器坐标系Ot的转换矩阵；

2)根据模板上棉线交点的位置在扫描图像中拾取点I₂，获得向量的方向，I₂在模板坐标系Op中的对应坐标为P₂，根据P₁与P₂的距离d₁₂和的方向计算I₂在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₂在定位接收器坐标系中的坐标R₂为：

R₂＝T_r←t·T_t←p·P₂；

3)根据模板上棉线交点的位置在扫描图像中拾取点I₃，I₃在模板坐标系Op中的对应坐标为P₃，向量间的夹角为θ，根据和θ确定的方向，根据P₁与P₃的距离d₁₃和的方向计算I₃在探头扫描图像坐标系上的坐标，I₃在定位接收器坐标系中的坐标R₃为：

R₃＝T_r←t·T_t←p·P₃；

4)重复步骤2)、3)，获得扫描面上n个棉线交点在定位接收器坐标系与探头扫描图像坐标系中的坐标，并根据以下公式进行同源点最小二乘原理匹配，获得标定矩阵T_r←t：

$T_{r\←i}=\underset{R.p}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|R_i-({\mathrm{sRI}}_i+p)\left|\right|}^2$

其中，R_i为第i个棉线交点在定位接收器坐标系中的坐标，I_i为第i个棉线交点在探头扫描图像坐标系上的坐标，s为比例系数，R为旋转关系矩阵，p为平移向量；

5)采集m幅超声扫描图像，重复步骤1)-4)，计算m个标定矩阵T_r←t的平均值作为最终标定结果。

2.根据权利要求1所述的一种超声检测图像三维标定方法，其特征在于，所述的基准点I₁为网状棉线中最上层交点的中间一点在超声图像中的成像点。

3.根据权利要求1所述的一种超声检测图像三维标定方法，其特征在于，所述的的方向取决于I₂沿基准点I₁的方向。

4.根据权利要求1所述的一种超声检测图像三维标定方法，其特征在于，所述的T_t←p通过模板标定方法计算得到，所述的模板标定方法具体为：

模板两侧设有多个通孔，且通孔坐标已知，将定位接收器的探针针尖依次接触通孔，根据针尖相对于其上定位接收器的位置关系及T_r←i获得这些通孔在定位发射器坐标系Ot上的坐标，根据同源点最小二乘原理匹配获得T_t←p。