基於ct的寬幅面動態三維人體掃描系統的製作方法
2023-05-25 03:05:31
基於ct的寬幅面動態三維人體掃描系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，包括近紅外發射器、近紅外接收器、彩色相機、PC端；近紅外發射器用於發射覆蓋人體表面的光線；近紅外接收器用於採集被人體反射回來的光線；彩色相機負責採集人體的彩色圖像數據；PC端通過同步採集的彩色數據和深度數據，利用近紅外接收器對於不同光線的接收時間差來構建人體的三維輪廓圖；PC端利用得到的人體的三維面片圖來構建定位圖像；PC端根據定位圖像確定CT掃描區域，並通過人體的三維面片圖的橫切圖來控制CT掃描時的輻射劑量。本發明能很好地構建掃描的起始位置，並且利用人體的三維輪廓切面控制不同位置的輻射劑量。
【專利說明】基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及CT【技術領域】，具體地，涉及基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統。
【背景技術】
[0002]目前常規的螺旋CT檢查中，需要首先掃描定位圖像，然後在定位圖像上確定掃描的起始點和終止點，以確定掃描範圍。常規劑量的定位掃描不僅增加患者的輻射劑量，同時也使球管的壽命縮短，如果不掃描定位圖像，則又不能準確的確定掃描的範圍。
[0003]目前的研究集中在醫生根據自己的臨床經驗，縮短定位圖像的掃描路徑，進而減少患者的受照劑量，減少曝光時間，延長CT球管壽命。這種人工經驗系統不能從根本上解決問題，也不能準確的獲取定位圖像的掃描區間，並且由於人體的移動或者扭動還可能造成定位圖提取位置較大的偏差。
[0004]因此，如何有效的獲取定位圖像又不對人體造成多餘的輻射影響，是需要重點解決的問題。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明提供一種基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統。
[0006]根據本發明提供的一種基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，包括近紅外發射器、近紅外接收器、彩色相機、PC端；
[0007]近紅外發射器用於發射覆蓋人體表面的光線；近紅外接收器用於採集被人體反射回來的光線；彩色相機用於負責採集人體的彩色圖像數據；
[0008]彩色相機和近紅外接收器採集的圖像數據通過千兆網口傳輸到PC端，PC端通過採集的深度數據，利用近紅外接收器對於不同光線的接收時間差來獲得人體的三維輪廓圖進而得到人體的三維面片圖，其中，因為PC端得到的作為三維輪廓圖深度數據為三維點雲圖，需要對三維點雲圖進行去噪和三角面片化，得到人體的三維面片圖；
[0009]PC端利用得到的人體的三維面片圖來構建定位圖像；
[0010]PC端根據定位圖像確定CT掃描區域，並通過人體的三維面片圖的橫切圖來控制CT掃描時的輻射劑量。
[0011]優選地，在近紅外發射器和近紅外接收器的前端分別安裝有3_超廣角定焦近紅外鏡頭，兩個鏡頭均垂直於CT掃描室的屋頂方向安裝，兩個鏡頭的間距為12cm。
[0012]優選地，彩色相機和近紅外成像裝置的校正的步驟具體如下，其中，近紅外成像裝置由近紅外發射器和近紅外接收器構成:
[0013]步驟i 1:把棋盤格校正板放置在CT床板上，令彩色相機和近紅外成像裝置拍攝多張不同位置的棋盤格圖像；提取近紅外成像裝置獲取的棋盤格角點坐標和彩色相機獲取的棋盤格角點坐標；
[0014]步驟i2:利用棋盤格的物理坐標和角點的像素坐標，計算由近紅外發射器、近紅外接收器、彩色相機所構成的成像系統的內參數和畸變參數；
[0015]步驟i3:利用近紅外成像裝置和彩色相機的內參數和棋盤格角點的像素坐標計算外參數，獲取旋轉矩陣和平移矩陣；
[0016]步驟i4:通過步驟i2、步驟i3計算的內參數、外參數、畸變係數完成標定過程得到標定係數，然後通過獲取的標定係數進行空間的解算，計算出相應的空間坐標。
[0017]優選地，還包括紫銅棒，通過紫銅棒，將彩色相機、近紅外接收器、近紅外發射器連接於CT掃描室的屋頂，其中，所述紫銅棒設置有網格狀分布的鏤空結構。
[0018]優選地，在PC端上利用滑鼠拉選矩形框來標註定位圖像的起止點。
[0019]優選地，當CT掃描執行到某一層時，PC端提取該層人體的三維面片的橫切圖，並且進行邊緣識別，提取橫切圖邊緣，通過計算邊緣包絡的區域面積來控制CT掃描時的輻射劑量。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0021]1、本發明提出了利用近紅外光點的飛行時間測量系統，利用近紅外發射器和近紅外接收器獲取光點的飛行時間差，構建人體的三維重建數據，直接獲取人體的整個三維輪廓，構建掃描的起始位置，並且利用人體的三維輪廓切面控制不同位置的輻射劑量。
[0022]2、本發明解決了目前的定位圖依靠CT常規劑量掃描進而造成患者受輻射劑量增力口、CT球管曝光時間延長等問題，是一種節省資源並且降低人體輻射汙染的新系統。
[0023]3、本發明的可以解決在CT掃描過程中，由於患者身體移動或者扭動造成的定位不準確，並且由於位置移動造成劑量控制不準確的問題，可以實現動態的人體三維重建，重建速度高達30幀每秒，實現CT掃描劑量的實時精準控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0025]圖1為原理圖。
[0026]圖2為人體三維面片圖。
[0027]圖3為人體掃描定位圖。
[0028]圖4為人體橫切圖示意。
[0029]圖5為人體橫切圖邊緣輪廓示意。
[0030]圖中:
[0031]1-房頂；
[0032]2-彩色相機；
[0033]3-近紅外接收器；
[0034]4-近紅外發射器；
[0035]5-CT 床板。
【具體實施方式】
[0036]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
[0037]本發明利用飛行時間測量原理，利用近紅外發射器、近紅外接收器和彩色相機構建成像單元。本發明的原理圖如圖1所示，近紅外發射器發射覆蓋人體表面的光線，近紅外接收器接收被人體反射回來光線並且計算不同光線的接收時間差，來構建人體的三維輪廓，彩色相機負責採集人體的彩色圖像數據。
[0038]因為CT掃描室的空間限制，人體離成像單元的距離為1.1米左右，在如此短的工作距離下，要實現人體的整體掃描，掃描的視野範圍需達到260cm*100cm。常規的近紅外發射器和近紅外接收器發射和採集的視野只能達到120cm*80cm，遠遠達不到實際使用需求，因此需要對近紅外發射器和近紅外接收器進行光學性能改造，具體的系統是在近紅外發射器和近紅外接收器的前端分別安裝3_超廣角定焦近紅外鏡頭，兩個鏡頭垂直屋頂方向安裝，兩個鏡頭的間距為12cm，因為超廣角鏡頭帶來的相機畸變效應，需要對此進行畸變校正。另外彩色相機和近紅外成像裝置也要進行相機對的立體校正，其中，近紅外成像裝置包括「近紅外發射器」和「近紅外接收器」，兩者組合成近紅外成像裝置，進行鏡頭畸變校正時，需要對兩者都校正。校正只需要在第一次使用和隔一段較長的時間進行，校正的步驟如下:
[0039]1、把棋盤格校正板放置在CT床板上，拍攝八張不同位置的棋盤格圖像。提取近紅外成像裝置獲取的棋盤格角點坐標和彩色相機獲取的棋盤格角點坐標。
[0040]2、利用棋盤格的物理坐標和角點的像素坐標計算成像系統的內參數和畸變參數。
[0041]3、利用近紅外成像裝置和彩色相機的內參數和棋盤格角點坐標計算外參數，獲取旋轉矩陣和平移矩陣。
[0042]通過計算的內外參數和畸變係數完成標定過程，然後可以通過獲取的標定係數進行空間的解算，計算出相應的空間坐標。
[0043]因為CT掃描室是密封的屏蔽空間，所以對彩色相機和近紅外成像裝置的功耗和散熱提出了挑戰，針對這種情況，設計了一個網狀的紫銅棒連接裝置連接彩色相機、近紅外接收器、近紅外發射器和傳輸板卡上面，網狀的紫銅棒連接裝置和屋頂連接，這樣可以把熱量有效的傳遞到屋頂上。
[0044]彩色相機和近紅外接收器採集的圖像數據通過千兆網口傳輸出來，連接到PC端，PC端通過同步採集彩色數據(彩色數據是指通過彩色相機採集的數據)和深度數據(深度數據，是指通過近紅外接收器獲取的深度數據，具體的計算系統是近紅外發射器發出近紅外的脈衝光，通過人體反射後，反射光被近紅外接收器接收，通過近紅外接收器內部的感光晶片和飛秒級快門，可以計算出脈衝光的飛行時間，進而測算出人體不同區域相對近紅外發射器的距離，該距離即可對應為人體不同區域的深度信息數據)，利用近紅外接收器對於不同光線的接收時間差來構建人體的三維輪廓圖，因為PC端得到的初始數據(初始數據即為獲取的深度數據)為三維點雲圖，需要首先對三維點雲進行去噪和三角面片化，得到人體的三維面片圖(三維輪廓圖應該是人體的三維點雲圖即初始的深度數據，三維面片圖是指通過三維點雲圖即三維離散點，利用Delaunay方法，通過選定三角網格的起始點，不斷的構造三角形，生成的三角網格化圖形)，如圖2所示。
[0045]其中，所述的「PC端通過同步採集彩色數據和深度數據，利用近紅外接收器對於不同光線的接收時間差來構建人體的三維輪廓圖」，具體的實現步驟如下:
[0046]步驟(I):近紅外發射器發出近紅外的脈衝光，通過人體反射被近紅外接收器接收。
[0047]步驟(2):近紅外接收器通過內部感光晶片和飛秒級快門，獲取人體不同區域脈衝光的飛行時間差，通過脈衝光的飛行時間差折算出人體不同區域的深度數據。(深度數據為飛行時間差乘以光速。)該深度數據即為人體的三維點雲圖(即為三維輪廓圖)。
[0048]步驟(3):彩色相機提取的彩色圖像數據作為CT操作師的觀察窗口，可以實時的觀察病人的姿態以及CT床板的掃描位置，進而控制CT床板的行進距離。(彩色數據與深度數據無關，是用來輔助CT操作師觀察和操作的。)
[0049]獲取三維面片圖後，就可以利用該圖構建定位圖像，在PC上利用滑鼠拉選矩形框來標註定位圖的起止點，如圖3所示。圖3中示出的黑框即為定位圖的起始點，CT掃描區域可以控制在黑框標識區域內。另外可以通過三維面片的橫切圖來控制CT掃描時的輻射劑量，實現精準控制。如圖4所示，當CT掃描執行到某一層時，提取該層三維面片的橫切圖，並且進行邊緣識別，提取橫切圖邊緣，通過計算邊緣包絡的區域面積來控制CT掃描時的輻射劑量。面積和CT輻射劑量的對應關係在開始通過三例CT掃描的結果來建立，構造包絡面積和CT輻射劑量的精準映射關係。
[0050]因為三維成像裝置獲取的點雲數據是實時的，達到每秒30幀的速率，當人體在CT掃描的過程中移動時，可以實時的獲取三維面片圖，並且能夠根據初始設定的定位圖來精確的控制CT掃描的邊界和位置，CT的輻射劑量也可以同步獲取，做到動態的CT掃描。
[0051]PC端獲取的彩色圖像數據作為CT操作師的病人觀察窗口，實時的顯示在PC屏幕上，可以動態的觀察病人的位置和控制CT床板的行進距離。
[0052]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，其特徵在於，包括:近紅外發射器、近紅外接收器、彩色相機、PC端； 近紅外發射器用於發射覆蓋人體表面的光線；近紅外接收器用於採集被人體反射回來的光線；彩色相機用於負責採集人體的彩色圖像數據； 彩色相機和近紅外接收器採集的圖像數據通過千兆網口傳輸到PC端，PC端通過採集的深度數據，利用近紅外接收器對於不同光線的接收時間差來獲得人體的三維輪廓圖進而得到人體的三維面片圖，其中，因為PC端得到的作為三維輪廓圖深度數據為三維點雲圖，需要對三維點雲圖進行去噪和三角面片化，得到人體的三維面片圖； PC端利用得到的人體的三維面片圖來構建定位圖像； PC端根據定位圖像確定CT掃描區域，並通過人體的三維面片圖的橫切圖來控制CT掃描時的輻射劑量。
2.根據權利要求1所述的基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，其特徵在於，在近紅外發射器和近紅外接收器的前端分別安裝有3_超廣角定焦近紅外鏡頭，兩個鏡頭均垂直於CT掃描室的屋頂方向安裝,兩個鏡頭的間距為12cm。
3.根據權利要求1所述的基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，其特徵在於，彩色相機和近紅外成像裝置的校正的步驟具體如下，其中，近紅外成像裝置由近紅外發射器和近紅外接收器構成: 步驟il:把棋盤格校正板放置在CT床板上，令彩色相機和近紅外成像裝置拍攝多張不同位置的棋盤格圖像；提取近紅外成像裝置獲取的棋盤格角點坐標和彩色相機獲取的棋盤格角點坐標； 步驟i2:利用棋盤格的物理坐標和角點的像素坐標，計算由近紅外發射器、近紅外接收器、彩色相機所構成的成像系統的內參數和畸變參數； 步驟i3:利用近紅外成像裝置和彩色相機的內參數和棋盤格角點的像素坐標計算外參數，獲取旋轉矩陣和平移矩陣； 步驟i4:通過步驟i2、步驟i3計算的內參數、外參數、畸變係數完成標定過程得到標定係數，然後通過獲取的標定係數進行空間的解算，計算出相應的空間坐標。
4.根據權利要求1所述的基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，其特徵在於，還包括紫銅棒，通過紫銅棒，將彩色相機、近紅外接收器、近紅外發射器連接於CT掃描室的屋頂，其中，所述紫銅棒設置有網格狀分布的鏤空結構。
5.根據權利要求1所述的基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，其特徵在於，在PC端上利用滑鼠拉選矩形框來標註定位圖像的起止點。
6.根據權利要求1所述的基於CT的寬幅面動態三維人體掃描系統，其特徵在於， 當CT掃描執行到某一層時，PC端提取該層人體的三維面片的橫切圖，並且進行邊緣識另IJ，提取橫切圖邊緣，通過計算邊緣包絡的區域面積來控制CT掃描時的輻射劑量。
【文檔編號】A61B6/10GK104257396SQ201410468212
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】張愛玲, 劉春祥 申請人:上海閔灝信息科技有限公司