一種腦電電極空間定位系統和定位方法
2023-06-15 06:28:21
專利名稱：一種腦電電極空間定位系統和定位方法
技術領域：
本發明屬於腦電信號測量技術領域，特別涉及一種基於單目視覺的腦電電極空間定位系統和定位方法。
背景技術：
在腦電信號測量、分析以及腦電信號源定位過程中，腦電電極在三維空間的位置是影響源定位精度的關鍵數據。目前，已有的腦電電極定位方法主要有包括手動測量、電磁定位系統測量、超聲定位系統測量以及攝影測量。其中，(I)手動測量主要是利用各種測量設備，如尺、電子測距儀實現，該方式是目前大多數醫院採用的測量方法，由於手動測量每次只能測量一個電極的空間位置，因此定位精度低(平均位置誤差在4-10_左右)、耗時長、可重複性差；(2)基於電磁定位和超聲測距的系統均採用特定的發射、接收裝置實現電極定位，不同的是電磁定位系統是根據電磁傳播測定物體位置和方向，而超聲定位是根據聲波傳播測定物體位置和方向。兩種方法均需要逐點測量電極位置，耗時較長。同時，金屬材料的存在會造成發射磁場的畸變，環境溫度的改變會影響聲波傳輸，因此兩種方法的測量過程易受環境變化幹擾，可重複性差、定位精度低(平均位置誤差在3-5_左右)，同時測量設備比較昂貴、難以普及；(3)基於攝影測量的電極定位方法分為多像機攝影測量和單像機攝影測量。基於多像機攝影測量的電極定位系統以測試者為中心放置11個像機，同時拍攝測試者頭部電極圖像，利用生成的多幅圖像手動提取標誌點2D坐標，根據多目視覺三維重建原理進行電極定位。目前該系統主要由美國EGI公司研發並在其腦電信號測量系統中使用，定位精度高但操作複雜、自動程度低、價格昂貴，且只能用於EGI公司生產的系統中，不適用於其他類型的電極；基於單像機攝影測量的電極定位系統只利用一個像機，但需要以測試者為中心通過旋轉移動獲取電極多個角度的圖像。其測量原理與多像機電極定位系統在本質上相同，都是基於多目視覺或立體視覺三維重建原理進行電極定位。單相機攝影測量方法雖然造價低，但圍繞測試者進行多角度圖像拍攝的過程中很難保證測試者頭部固定不動，系統精度可重複性較差。而且現有單像機攝影測量系統均是在塑料頭模型上實現，在真實頭模型上的測試精度尚不明確。同時，單像機攝影測量系統只有拍攝完所有圖像才能計算腦電電極位置，一旦某一部分圖像匹配失敗或計算錯誤將導致整個定位過程的失效。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種腦電電極空間定位系統和定位方法，以克服現有技術在價格、自動性、可重複性和精度方面難以兼顧且只有拍攝完所有圖像才能計算腦電電極位置的缺陷。(二)技術方案為了達到上述目的，本發明提供了一種腦電電極空間定位系統，所述系統包括多個輔助定位標誌、一個圖像採集裝置和數據處理裝置，每個輔助定位標誌安裝在一個腦電電極上，所述圖像採集裝置用於採集所述輔助定位標誌的圖像數據，所述數據處理裝置對所述圖像採集裝置採集到的圖像數據進行處理，得到腦電電極的空間坐標；所述輔助定位標誌包括標識部和安裝部；所述標識部包括一頂面含有特徵標誌的圓柱；所述特徵標誌用於區分不同的輔助定位標誌，並 含有電極空間定位所需要的幾何約束關係；所述特徵標誌包括互相平行、且中心與所述標識部的圓心重合的多個大小、顏色各不相同的嵌套的矩形；所述安裝部連接到所述標識部的底面上，用於將所述輔助定位標誌固定在所述腦電電極上。其中，所述標識部的圓柱為白色，嵌套矩形的顏色各不相同，相鄰兩個矩形的顏色具有明顯的色差，每個矩形的顏色可為藍、黑、紅、橙、黃、綠、青、紫中的一種。其中，所述矩形為四個，從外到內分別為第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形；所述四個矩形的邊彼此平行且相鄰兩邊之間的距離大於1mm，第四矩形的長大於或等於3mm，寬大於或等於2mm ;所述第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形的中心與所述標識部圓心重合。其中，所述安裝部為與所述標識部的圓柱同軸線的圓柱形定位銷。其中，所述圖像採集裝置為相機，所述數據處理裝置為計算機或DSP圖像處理系統。本發明還提供了一種腦電電極空間定位方法，所述方法包括以下步驟A、將多個帶有輔助定位標誌的腦電電極安置在測試者頭部；B、圖像採集裝置採集一幅包含多個輔助定位標誌的圖像；C、數據處理裝置通過顏色聚類、區域形狀約束提取所述輔助定位標誌的邊緣圖像；D、所述數據處理裝置對具有8鄰域連接關係的邊緣輪廓進行局部主元分析，獲取每個像素局部範圍的主方向和特徵值，根據最小特徵值閾值識別所述輔助定位標誌中的直線結構，進而檢測出矩形，並採用直線相交獲取矩形頂點坐標；E、所述數據處理裝置根據已知矩形的尺寸、矩形頂點坐標、所述圖像採集裝置的內部參數和所述輔助定位標誌與腦電電極測量點之間的位置關係，建立共面四點在圖像採集裝置模型下的約束方程，依次獲取每個腦電電極測量點在圖像採集裝置坐標系下的三維空間坐標。其中，在所述步驟A之前，還包括輸入不同角度的棋盤格圖像完成所述圖像採集裝置的內部參數標定。其中，在所述步驟D中，具體包括利用最小特徵值分析識別矩形中的直線結構，根據抗幹擾能力較強的直線特徵獲取矩形頂點。其中，在所述步驟E之後，還包括以下步驟F、所述測試者以自身為中心旋轉一定角度，並重複步驟B飛；G、多次重複步驟F，獲取多個視角下的每一固定視角內腦電電極在圖像採集裝置坐標系下的三維空間坐標；H、利用兩幅圖像中出現的顏色分布相同的輔助定位標誌，通過坐標變換獲取所述測試者頭部所有區域內腦電電極在世界坐標系下的三維空間坐標。
(三)有益效果本發明採用了距離頭皮有一定高度、顏色組合不同的嵌套矩形結構作為輔助定位標誌，並利用矩形兩邊求交計算矩形頂點坐標的方法，在定位時避免了頭髮、電極連接線的幹擾，因此具有較高的定位精度、穩定性和自動性。另外，本發明可以單獨完成單一視角內腦電電極的定位，而採用圖像採集裝置固定，測試者運動的方法對整個頭部區域內腦電電極進行定位的方法，避免了因頭部晃動而弓I起的定位誤差，因此本發明的腦電電極定位精度具有較好的可重複性。
圖Ia是本發明實施例的輔助定位標誌的主視圖；圖Ib是本發明實施例的輔助定位標誌的俯視圖；圖2是本發明實施例的一種腦電電極空間定位方法的流程圖； 圖3是本發明實施例的腦電電極的位置分布圖；圖4是本發明實施例的腦電電極定位坐標系統的示意圖；圖5是本發明實施例的單幅圖像腦電電極的空間定位方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。本發明實施例的一種腦電電極空間定位系統包括多個輔助定位標誌、一個圖像採集裝置和數據處理裝置，每個輔助定位標誌安裝在一個腦電電極上，所述圖像採集裝置用於採集所述輔助定位標誌的圖像數據，所述數據處理裝置對所述圖像採集裝置採集到的圖像數據進行處理，得到腦電電極的空間坐標；本實施例中所述圖像採集裝置採用相機；本實施例中所述數據處理裝置採用計算機。本實施例中所述輔助定位標誌的結構如圖Ia和圖Ib所示，包括標識部I和安裝部2 ;所述標識部I包括一頂面含有特徵標誌的圓柱；所述特徵標誌用於區分不同的輔助定位標誌，並含有電極空間定位所需要的幾何約束關係；所述特徵標誌包括互相平行、且中心與所述標識部的圓心重合的多個大小、顏色各不相同的嵌套的矩形；所述安裝部2連接到所述標識部的底面上，用於將所述輔助定位標誌固定在所述腦電電極上。本實施例中，所述標識部I採用半徑為8. 5mm,高為Imm的白色圓柱，圓柱體頂面從外到內依次噴塗彼此平行、且中心與底面圓心重合的四個矩形從外到內分別為第一矩形11、第二矩形12、第三矩形13和第四矩形14。第一矩形11、第二矩形12、第三矩形13和第四矩形14的邊彼此平行且相鄰兩邊之間的距離大於1mm，其中，第一矩形11的長為12mm、寬為IOmm,所述第二矩形12的長為9mm、寬為7mm,所述第三矩形13的長為7mm、寬為5mm,所述第四矩形14的長為5mm、寬為3mm,矩形的尺寸誤差不超過O. 005mm。每個矩形的兩條相鄰邊互相垂直(誤差小於O. 01m)，每兩個矩形嚴格平行(誤差小於O. Olmm);矩形的顏色組合各不相同，用來代表腦電電極標號，其中最內層矩形顏色固定為藍色，其它三個矩形的顏色從黑(0，O, O)、紅(255，O, O)、橙(255，128，O)、黃(255，255，O)、綠(0，2550，O)、青(O, 255，255)、紫(255，O, 255) 7種顏色中任選三種進行排列。
所述安裝部2是與所述標識部I的圓柱同軸線的圓柱形定位銷，用於將輔助定位標誌固定在腦電電極上。定位銷的高度根據腦電電極種類的不同而不同。對於醫院用的普通鹽水電極，定位銷高度為IOmm ;對於Neroscan系統配備的電極帽,定位銷高度為5mm。本發明與傳統的應用於多相機或單相機攝影測量的矩形或圓形定位標誌不同之處在於，嵌套矩形及圓形底面的存在為相機外參自動標定提供了充分的約束條件，因此可以保證在頭髮、電極連接線和電極帽等多種複雜幹擾背景下自動準確的識別出輔助定位標誌，而多個矩形的存在也提供了更多的約束，使定位可以達到更高的精度。同時矩形顏色的不同排列組合為每個輔助定位標誌提供了特定的標記，有利於測量過程中實現不同視角、同一區域內相同電極的識別，從而完成整個頭部區域內腦電電極的定位。當採用含有如圖Ia和圖Ib所示的輔助定位標誌的腦電電極空間定位系統時，本發明實施例的一種腦電電極空間定位方法如圖2所示，包括以下步驟
步驟S201，輸入不同角度的棋盤格圖像完成所述圖像採集裝置的內部參數標定。本實施例中，利用Tsai兩步法輸入不同角度的棋盤格圖像完成所述圖像採集裝置的內部參數標定。步驟s202，將多個帶有輔助定位標誌的腦電電極安置在測試者頭部。本實施例中，腦電電極的位置分布如圖3所示。步驟s203，圖像採集裝置採集一幅包含多個輔助定位標誌的圖像。本實施例中，測試者佩戴含有輔助定位標誌的腦電電極，坐在可旋轉的座椅上，將單個相機安裝在測試者附近斜上方某一角度固定不動(相機位置調節以視頻圖像能夠清晰看到測試者頭部的輔助定位標誌的邊緣信息為準)，拍攝單張清晰圖像作為輸入。步驟S204，數據處理裝置通過顏色聚類、區域形狀約束提取所述輔助定位標誌的邊緣圖像。本實施例中，由於所述輔助定位標誌具有豐富的顏色信息和規則的幾何形狀，分別代表了不同的電極標號和矩形、圓形幾何約束，因此不管測試者頭部電極如何擺放、光照、頭髮以及電極連接線造成何種程度的幹擾，都可以將圖像轉換到HIS空間，先利用聚類算法提取紅色最近鄰區域並結合矩形約束初步確定輔助定位標誌的中心，然後進一步利用顏色組合識別出電極輔助定位標誌的準確位置並標號(設最大標號為η)。最後根據輔助定位標誌顏色的不同從單張輸入圖像中依據聚類算法識別輔助定位標誌，並按次序標號。步驟s205，所述數據處理裝置對具有8鄰域連接關係的邊緣輪廓進行局部主元分析，獲取每個像素局部範圍的主方向和特徵值，根據最小特徵值閾值識別所述輔助定位標誌中的直線結構，進而檢測出矩形，並採用直線相交獲取矩形頂點坐標；其中，利用最小特徵值分析識別矩形中的直線結構，根據抗幹擾能力較強的直線特徵獲取矩形頂點。本實施例中，具體包括以標號為i(0〈i〈n+l)的輔助定位標誌作為輸入，採用Canny算子檢測邊緣和輪廓跟蹤法，獲取電極輔助定位標誌中具有8-鄰域連接關係的邊緣，記為ei=[xn···XimIyil…yim]，(I ( i彡η)，其中η為同一輔助定位標誌內具有8-鄰域連接關係的邊緣輪廓數目，m為第i條邊緣輪廓上像素點的數目。根據最小特徵根約束計算每一條輪廓中所包含的直線，只要輪廓包含2組近似平行且長度近似相同的直線，就認為其是矩形，並計算該矩形的四個頂點坐標(頂點排序為順時針，起點為最長邊所對應的頂點)。因為在相機內參和矩形尺寸精確已知的前提下，矩形頂點2D圖像坐標的精度是影響電極定位精度的關鍵因素，所以，本發明採用先提取矩形中的直線，進而根據兩直線相交計算矩形頂點的方法獲取矩形頂點2D圖像坐標，與傳統的角點檢測方法相比，基於直線特徵計算矩形頂點不受遮擋的影響，能夠達到亞像素級定位精度，穩定性和定位精度更高。下面著重說明從邊緣輪廓中提取直線的算法針對任意邊緣輪廓…yim], (I彡i彡η),首先設定9像素寬滑動窗口，依此提取ei上任意點t前後各4個像素組成子集eit=[xi(t_4)…xyxi(t+4) ;yi(t_4)…yit…yi(t+4)]，計算該子集的協方差矩陣，並求其最小特徵根Xmin和主方向Θ ;待邊緣輪廓上所有點9像素滑動窗口內的最小特徵根和主方向計算完畢，取使得λ_>0. 25的點值為0，然後重新統計具有8-鄰域連接關係的邊緣，如果該連續邊緣的最小特徵根值小於O. 25，記為直線，並記錄其主方向。步驟s206，所述數據處理裝置根據已知矩形的尺寸、矩形頂點坐標、所述圖像採集裝置的內部參數和所述輔助定位標誌與腦電電極測量點之間的位置關係，建立共面四點在圖像採集裝置模型下的約束方程，依次獲取每個腦電電極測量點在圖像採集裝置坐標系下 的三維空間坐標。本實施例中，具體包括根據每個矩形頂點的2D圖像坐標、矩形尺寸和相機內參，建立如圖4所示坐標系，其中O" -X" Y" I"為輔助定位標誌的空間坐標系，O-XYZ為相機坐標系，O-X' Y' Ζ』為電極坐標系，dA，dB，dc，dD分別為矩形四個頂點距相機光心的距離；並建立共面四點在相機模型下的約束方程，求解每個矩形中心在相機坐標系下的三維空間坐標，取輔助定位標誌中所有矩形中心點三維坐標的均值作為該輔助定位標誌在相機坐標系下的三維空間坐標。其中所述約束方程為
dA + dB2 — 2dAdB COS^ = Dab2
dB + dr ~ 2d dc cos = D ^,~< ，
dc『 + dD — . D cos Θ⑶=Dd
βa + ~ 2dAdD cos Oad = Dad上述方程中cos Θ AB, COS Θ BC, COS Θ CD, cos Θ AD依矩形的圖像坐標可求。然後根據輔助定位標誌和腦電電極測量點之間的平移關係，將其轉換為腦電電極在相機坐標系下的三維空間坐標，從而完成單個腦電電極的空間定位。最後對單幅圖像內檢測到的其它輔助定位標誌，重複上述步驟，可獲得單幅圖像內所有電極在相機坐標系下的三維空間坐標。上述步驟S204 步驟s206為單幅圖像腦電電極的空間定位，其具體的流程如圖5所示。步驟s207，所述測試者以自身為中心旋轉一定角度，並重複步驟s203 步驟s206。步驟s208，多次重複步驟s207，獲取多個視角下的每一固定視角內腦電電極在圖像採集裝置坐標系下的三維空間坐標。步驟s209，利用兩幅圖像中出現的顏色分布相同的輔助定位標誌，通過坐標變換獲取所述測試者頭部所有區域內腦電電極在世界坐標系下的三維空間坐標。上述步驟s207 步驟s209為多幅圖像腦電電極的空間定位，本實施例中具體包括測試者坐在椅子上以自身為中心旋轉，每間隔30度停下來拍攝I幅頭部清晰圖像作為輸入，直至旋轉360度終止。依次計算每幅圖像所包含的測試者頭部不同區域內所有腦電電極在相機坐標系下的三維空間坐標。接下來根據每相鄰兩幅圖像標號相同的輔助定位標誌(至少3個)所對應的腦電電極在相機坐標系下的三維空間坐標，計算每相鄰兩幅圖像之間的旋轉平移矩陣RTi(i_D (2 < i l)張圖像內的電極在第一幅圖像所定義的攝像機坐標系下的三維空間坐標，依此完成測試者頭部所有腦電電極的空間定位。本實施例中，採用的相機為Nikon D90單眼相機，定焦拍攝，像素解析度設置為2144X1424，圖像設置為raw格式，為保證圖像質量，在拍攝過程中要嚴格保證圖像的清晰圖；如果要定位測試者整個頭部區域的腦電電極位置，測試者旋轉時一定要保證每次相鄰區域有3個以上的腦電電極同時出現在兩幅圖像中。另外需要說明的是，在進行整個頭部區域的腦電電極定位方面，為提高受試者的舒適度，也可以採用可旋轉和升降的電動座椅，這樣就受試者就可以不必運動，通過自動控制座椅的旋轉和升降獲得頭部不同區域的電極圖像，從而使定位過程更加穩定、可靠。、
本實施例的單幅圖像腦電電極定位位置誤差可達到I. 6_以內。部分腦電電極之間的位置測量值如表I所示表I
腦電電極測量值(mm)真實值(mm) 誤差(mm)
~\~254.642653. 18621.4564
~1~664. 762866.1578I. 395
~~112.0774110.4751.6024
2-691.836290. 3136I.5226 4-6 46.22849 47.8244 I.5959 4-2 46.21316 44. 5519 1.66126
3-10133. 16535132.7410.42435 7-10 58.0675 57.2997 O. 7678採用本發明的輔助定位標誌可以實現高精度、高穩定、高可重複度的腦電電極定位，並且本發明採用單個相機進行定位，具有價格便宜的特點，在操作過程中，不受時間的影響，可以間隔完成不同區域的腦電電極定位，定位過程快速、準確。整個定位過程快速、易操作，在幾分鐘之內即可完成。本發明的數據處理裝置也可以採用DSP圖像處理系統。由以上實施例可以看出，本發明採用了距離頭皮有一定高度、顏色組合不同的嵌套矩形結構作為輔助定位標誌，並利用矩形兩邊求交計算矩形頂點坐標的方法，在定位時避免了頭髮、電極連接線的幹擾，因此具有較高的定位精度、穩定性和自動性。另外，本發明可以單獨完成單一視角內腦電電極的定位，而採用圖像採集裝置固定，測試者運動的方法對整個頭部區域內腦電電極進行定位的方法，避免了因頭部晃動而弓I起的定位誤差，因此本發明的腦電電極定位精度具有較好的可重複性。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。·
權利要求
1.ー種腦電電極空間定位系統，其特徵在於，所述系統包括多個輔助定位標誌、一個圖像採集裝置和數據處理裝置，每個輔助定位標誌安裝在ー個腦電電極上，所述圖像採集裝置用於採集所述輔助定位標誌的圖像數據，所述數據處理裝置對所述圖像採集裝置採集到的圖像數據進行處理，得到腦電電極的空間坐標； 所述輔助定位標誌包括標識部和安裝部； 所述標識部包括ー頂面含有特徵標誌的圓柱；所述特徵標誌用於區分不同的輔助定位標誌，並含有電極空間定位所需要的幾何約束關係；所述特徵標誌包括互相平行、且中心與所述標識部的圓心重合的多個大小、顔色各不相同的嵌套的矩形； 所述安裝部連接到所述標識部的底面上，用於將所述輔助定位標誌固定在所述腦電電極上。
2.根據權利要求I所述的腦電電極空間定位系統，其特徵在於，所述標識部的圓柱為白色，嵌套矩形的顔色各不相同。
3.根據權利要求I所述的腦電電極空間定位系統，其特徵在於，所述矩形為四個，從外到內分別為第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形；所述四個矩形的邊彼此平行且相鄰兩邊之間的距離大於1mm，第四矩形的長大於或等於3mm，寬大於或等於2mm ;所述第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形的中心與所述標識部圓心重合。
4.根據權利要求I至3任一項所述的腦電電極空間定位系統，其特徵在於，所述安裝部為與所述標識部的圓柱同軸線的圓柱形定位銷。
5.根據權利要求I至3任一項所述的腦電電極空間定位系統，其特徵在於，所述圖像採集裝置為相機，所述數據處理裝置為計算機或DSP圖像處理系統。
6.ー種腦電電極空間定位方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟 A、將多個帶有輔助定位標誌的腦電電極安置在測試者頭部； B、圖像採集裝置採集一幅包含多個輔助定位標誌的圖像； C、數據處理裝置通過顏色聚類、區域形狀約束提取所述輔助定位標誌的邊緣圖像； D、所述數據處理裝置對具有8鄰域連接關係的邊緣輪廓進行局部主元分析，獲取每個像素局部範圍的主方向和特徵值，根據最小特徵值閾值識別所述輔助定位標誌中的直線結構，進而檢測出矩形，並採用直線相交獲取矩形頂點坐標； E、所述數據處理裝置根據已知矩形的尺寸、矩形頂點坐標、所述圖像採集裝置的內部參數和所述輔助定位標誌與腦電電極測量點之間的位置關係，建立共面四點在圖像採集裝置模型下的約束方程，依次獲取每個腦電電極測量點在圖像採集裝置坐標系下的三維空間坐標。
7.根據權利要求6所述的腦電電極空間定位方法，其特徵在於，在所述步驟A之前，還包括輸入不同角度的棋盤格圖像完成所述圖像採集裝置的內部參數標定。
8.根據權利要求6所述的腦電電極空間定位方法，其特徵在於，在所述步驟D中，具體包括利用最小特徵值分析識別矩形中的直線結構，根據抗幹擾能力較強的直線特徵獲取矩形頂點。
9.根據權利要求6至8任ー項所述的腦電電極空間定位方法，其特徵在於，在所述步驟E之後，還包括以下步驟 F、所述測試者以自身為中心旋轉一定角度，並重複步驟Bi；G、多次重複步驟F，獲取多個視角下的每ー固定視角內腦電電極在圖像採集裝置坐標系下的三維空間坐標； H、利用兩幅圖像中出現的顏色分布相同的輔助定位標誌，通過坐標變換獲取所述測試者頭部所有區域內腦電電極在世界坐標系下的 三維空間坐標。
全文摘要
本發明公開了一種腦電電極空間定位系統，包括多個輔助定位標誌、一個圖像採集裝置和數據處理裝置；輔助定位標誌含有特徵標誌；特徵標誌包括互相平行、且中心與標識部的圓心重合的多個大小、顏色各不相同的嵌套的矩形。本發明還公開了一種腦電電極空間定位方法，首先採用距離頭皮有一定高度、顏色組合不同的嵌套矩形結構作為輔助定位標誌，利用矩形兩邊求交計算矩形頂點坐標，並根據P4P原理單獨完成單一視角內腦電電極的定位，然後採用圖像採集裝置固定，測試者運動的方法對整個頭部區域內腦電電極進行定位。本發明在定位時避免了頭髮、電極連接線的幹擾，以及因頭部晃動而引起的定位誤差，具有較高的定位精度、穩定性、自動性和可重複性。
文檔編號A61B5/0478GK102727194SQ201210135728
公開日2012年10月17日 申請日期2012年5月4日 優先權日2012年5月4日
發明者於利偉, 李小俚, 王文鋒 申請人:燕山大學