一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法及装置，属于超声图像技术领域。其方法包括，利用超声探头扫描定位小球，获取二维超声图像并基于霍夫圆对二维超声图像进行检测，获取定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标；基于电磁跟踪仪获取定位小球在世界坐标系下的位置坐标；利用定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标，以及世界坐标系下的位置坐标，构建二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型；根据二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，求解二维超声图像坐标系与超声探头坐标系之间的转换关系，完成超声探头的标定。通过上述方法和相关检测装置本发明专利技术能够实现高精度的超声探头标定。发明专利技术能够实现高精度的超声探头标定。发明专利技术能够实现高精度的超声探头标定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法及装置


[0001]本专利技术涉及超声图像
，更具体的说是涉及一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法及装置。

技术介绍

[0002]目前，临床上使用的超声成像设备大多是二维超声设备，在引入超声图像导航系统时存在维数不一致无法直接提供有效位置信息的问题，该问题可以通过对超声探头进行标定解决。超声探头标定的目的就是得到二维超声成像平面与三维探头坐标系(实际上是探头上固定的位置传感器坐标系)之间的坐标转换关系。通过超声探头标定将二维超声坐标信息转换到三维世界坐标系中。
[0003]这里二维超声图像到三维世界坐标系的转换关系是通过在超声探头表面固定一个空间定位传感器，通过一系列的二维到三维的对应点关系，经过最小二乘法等优化方法进行二维到三维转换关系的获取，这个过程被称为超声探头的标定。利用标定模型对超声探头进行标定是整个导航系统中最为基础的环节，直接决定后续的手术导航精度。
[0004]N线模型，点模型和平面模型等是目前常见的几种超声探头标定模型。由于超声图像的质量较差，并且存在着伪影，使得对N线上的点和对点模型定位的精度较差。
[0005]因此，如何提升超声探头的标定精度，提供一种新的超声探头标定方法及装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法及装置，用以至少解决
技术介绍
中的部分技术问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：/>[0008]首先，本专利技术公开了一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，包括以下步骤：
[0009]S1、利用超声探头扫描定位小球，获取定位小球的二维超声图像；
[0010]S2、基于霍夫圆对所述定位小球的二维超声图像进行检测，获取定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标；
[0011]S3、基于电磁跟踪仪对超声探头和定位小球的空间位置进行跟踪，并获取定位小球在世界坐标系下的位置坐标；
[0012]S4、利用定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标，以及定位小球在世界坐标系下的位置坐标，构建二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型；
[0013]S5、根据二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，求解二维超声图像坐标系与超声探头坐标系之间的转换关系，完成超声探头的标定。
[0014]优选的，步骤S1中，获取定位小球的二维超声图像，具体包括：
[0015]将超声探头以及定位小球放置到水中，利用超声探头扫描定位小球，获取定位小球的二维超声图像。
[0016]优选的，步骤S2中，具体包括以下步骤：
[0017]S21、对所述定位小球的二维超声图像使用Canny算子进行边缘检测，得到Canny边缘检测图像；
[0018]S22、利用Sobel算子计算Canny边缘检测图像中所有像素的梯度矢量；
[0019]S23、遍历所述Canny边缘检测图像中所有非零像素点，沿着每一个非零像素点的梯度矢量进行划线，根据划线所经过点的数量阈值确定候选圆的圆心，所述候选圆的圆心坐标即为定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标。
[0020]优选的，步骤S3中，基于电磁跟踪仪对超声探头和定位小球的空间位置进行跟踪，并获取定位小球在世界坐标系下的位置坐标，具体包括：
[0021]利用与电磁跟踪仪连接的电磁定位探针确定定位小球球心在世界坐标系下的坐标。
[0022]优选的，步骤S4中，二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，具体包括以下关系式：
[0023]p
(W)
＝
W
T
SS
T
US
p
(US)
，
[0024]式中，p
(W)
表示定位小球在世界坐标系下的位置坐标；p
(US)
表示定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标；
W
T
S
表示超声探头坐标系到世界坐标系的转换关系矩阵；
S
T
US
表示二维超声图像坐标系到超声探头坐标系的关系转换矩阵。
[0025]优选的，步骤S5中，根据二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，求解二维超声图像坐标系与超声探头坐标系之间的转换关系，具体包括：
[0026]S51、对二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型关系式进行转换得到如下关系式：
[0027]S
T
W
p
(W)
＝
S
T
US
p
(US)
，其中
S
T
W
＝
W
T
S
‑1，即
S
T
W
为
W
T
S
的逆矩阵，
S
T
W
代表的是世界坐标系到超声探头坐标系的关系转换矩阵；
[0028]S52、将二维超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵
S
T
US
分解为旋转矩阵
S
R
US
和平移向量
S
t
US
，则有：
S
T
W
p
(W)
＝
S
T
US
p
(US)
＝
S
R
US
·
p
(US)
+
S
t
US
；
[0029]S53、以二维超声图像坐标系中的坐标点转换到世界坐标系后，距离世界坐标系中实际坐标点的距离最短为优化目标，建立优化目标函数；
[0030]S54、利用奇异值分解SVD算法对优化目标函数进行求解，获取旋转矩阵
S
R
US
和平移向量
S
t
US
，进而计算出二维超声图像坐标系与超声探头坐标系之间的转换矩阵
S
T
US
。
[0031]优选的，步骤S53中，建立的优化目标函数具体包括以下函数：
[0032][0033]其中i＝1,2,3
…
n，表示n次实验中的第i次的实验，P
i(W)
表示第i次实验采集到的世界坐标系中球心的坐标，P
i(US)
表示第i次实验中小球在超声图像中呈现的圆的圆心坐标。
[0034]其次，本专利技术还公开了一种基于霍夫圆检测的超声探头标定装置，包括：电磁跟踪仪、图形工作站、超声设备工作站、水槽、以及置于水槽中的超声探头标定框架；
[0035]其中，所述超声探头标定框架上安装有超声探头以及定位小球；
[0036]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用超声探头扫描定位小球，获取定位小球的二维超声图像；S2、基于霍夫圆对所述定位小球的二维超声图像进行检测，获取定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标；S3、基于电磁跟踪仪对超声探头和定位小球的空间位置进行跟踪，并获取定位小球在世界坐标系下的位置坐标；S4、利用定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标，以及定位小球在世界坐标系下的位置坐标，构建二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型；S5、根据二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，求解二维超声图像坐标系与超声探头坐标系之间的转换关系，完成超声探头的标定。2.根据权利要求1所述的基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，其特征在于，步骤S1中，获取定位小球的二维超声图像，具体包括：将超声探头以及定位小球放置到水中，利用超声探头扫描定位小球，获取定位小球的二维超声图像。3.根据权利要求1所述的基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，其特征在于，步骤S2中，具体包括以下步骤：S21、对所述定位小球的二维超声图像使用Canny算子进行边缘检测，得到Canny边缘检测图像；S22、利用Sobel算子计算Canny边缘检测图像中所有像素的梯度矢量；S23、遍历所述Canny边缘检测图像中所有非零像素点，沿着每一个非零像素点的梯度矢量进行划线，根据划线所经过点的数量阈值确定候选圆的圆心，所述候选圆的圆心坐标即为定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标。4.根据权利要求1所述的基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，其特征在于，步骤S3中，基于电磁跟踪仪对超声探头和定位小球的空间位置进行跟踪，并获取定位小球在世界坐标系下的位置坐标，具体包括：利用与电磁跟踪仪连接的电磁定位探针确定定位小球球心在世界坐标系下的坐标。5.根据权利要求1所述的基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，其特征在于，步骤S4中，二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，具体包括以下关系式：p
(W)
＝
W
T
SS
T
US
p
(US)
，式中，p
(W)
表示定位小球在世界坐标系下的位置坐标；p
(US)
表示定位小球球心在二维超声图像坐标系下的坐标；
W
T
S
表示超声探头坐标系到世界坐标系的转换关系矩阵；
S
T
US
表示二维超声图像坐标系到超声探头坐标系的转换矩阵。6.根据权利要求5所述的基于霍夫圆检测的超声探头标定方法，其特征在于，步骤S5中，根据二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型，求解二维超声图像坐标系与超声探头坐标系之间的转换关系，具体包括：S51、对二维超声图像坐标系与世界坐标系转换关系模型关系式进行转换得到如下关系式：
S
T<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟偲，任龙飞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：