基於雙x射線機的同步實時動態跟蹤立體定位方法及裝置的製作方法

2023-04-23 03:44:31 4

專利名稱：基於雙x射線機的同步實時動態跟蹤立體定位方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種基於雙X射線機的同步實時動態跟蹤立體定位方 法及裝置，屬於醫療儀器技術領域。
背景技術：
目前對於人體內部結構的醫學三維定位，所採用的方式是，通過相關的 成像設備，在不同時刻從不同角度獲取圖像再進行靜態重建三維定位。該方 式，對於靜態目標，並且不需要實時定位的情形，是可以滿足要求的，例如 CT設備就是採用該方式進行定位的。但是對於運動目標，特別是肺部隨呼 吸上下移動的小病灶，以及要求進行實時定位的場合，上述方式就無法勝任。 例如，在進行肺部穿刺取檢的過程中，需要實時確定穿刺針和病灶之間的關 系，即對這二者進行三維實時動態跟蹤立體定位，以便隨時調整進針的方向 和深度。目前經皮肺穿刺所採用的定位方法是，即在穿刺前，採用金屬標記 物事先迸行定位，以確定穿刺針進針的位置。在穿刺過程中，如使用CT設 備進行定位，首先，CT設備無法做到同步實時動態跟蹤定位穿刺活檢，二 則解析度不高，通常對於lcm左右的肺部小病灶很難分辨，三是成本比較高。 最常用的方法是依靠一臺X射線機來觀察穿刺針與病灶之間的位置關係，對 於肺部小病灶，判斷是否穿刺成功是就比較困難的。因為，肺的呼吸移動， 肺部小病灶會隨肺的呼吸而移動，當穿刺針位於病灶的正上方或正下方時， 在X射線的圖象上，所反映出來的效果都是兩者和病灶重疊在一起,完全沒 有穿入肺部病灶。這時很大程度上需要靠醫生的經驗來進行判斷。因此，這 是目前經皮肺穿小病灶取檢中的一個難點。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠為肺部小病灶的定位穿刺提供幫助，幫助醫生能夠快速準確地完成肺部病灶的動態跟蹤三維立體定位穿剌取檢工 作的基於雙X射線機的同步實時動態跟蹤立體定位系統。
本發明的技術解決方案基於雙X射線機的同步實時動態跟蹤立體定位 裝置，其結構是水平向C臂1的一端設水平向C臂X線球管4，另一端設水
平向影像增強器6;垂直向C臂2的一端設垂直向C臂X線球管3，另一端 設垂直向影像增強器5。
基於雙x射線機的同步實時動態跟蹤立體定位方法，其步驟分為，
(1) 採用攝象機對X射線機進行標定；
(2) 同時採集兩路X射線的圖象；
(3) 採用邊緣檢測的方法對圖象進行實時處理，自動從圖像中提取穿刺
針和肺部小病灶信息，根據標定參數計算出穿刺針和病灶的三維位置坐標， 從而完成定位。
所述的步驟(1)採用攝象機對X射線機進行標定的具體方法
l)確定圖像中心，在x射線機的接收端和發射端之間，置一網格狀
的模板，使其和接收端平行，成像一次，然後，沿著垂直於接收端影像增強屏
的方向，移動物體，改變模板與成像平面的距離，再次成像，計算成像中心； 2)dx和dy的確定，在求取dx和dy的比值以及乘積的時，利用已知的四 個點和四條邊所能提供的組合，算出所有的dx*dy以及dx/dy，再分別加以 平均，作為最終的dx*dy以及dx/dy的值；
3)外參數和畸變係數的標定，採用共面點的方法進行X射線機的標定， 利用圖像點和實際點的對應關係，可以計算出旋轉矩陣中的rl，r2，r4,r5以及 tx和ty,然後再利用正交性，計算出矩陣R中其餘的所有元素，採用最速下降法，同時對焦距、tz以及畸變係數進行優化得到了所需的參數。
所述的步驟(2)同時採集兩路X射線圖象的具體方法採用一個可以
兩路同時輸入的視頻採集卡，把兩個X線機的視頻輸出信號直接接到該卡
上，通過該採集卡，把模擬信號轉為數位訊號。
所述的步驟(3)採用邊緣檢測的方法對圖象進行實時處理的具體方法
是根據病灶的位置，自動選擇能夠包含穿剌針和病灶的矩形區域，在該區域
內，採用邊緣檢測算子進行邊緣檢測，然後採用Hough變換進行直線檢測，
檢測出穿刺針，在此基礎上，根據灰度信息檢測出針頭的位置，對於病灶， 根據上一幀的位置，在其周圍進行搜索，利用灰度信息和形態信息。
本發明的優點本發明採用兩臺X線機從兩個不同角度，同時採集圖象， 然後自動分析圖象中的目標和病灶，然後根據事先標定好的成像參數，計算 出穿刺針和和病灶的三維坐標，從而完成同步實時動態跟蹤的三維立體定位 工作。通過事先對兩臺X射線機進行標定，確定X線成像的相關參數，在 穿刺過程中，兩臺X線機的圖象同時輸入計算機，通過計算機的實時自動處 理，自動從圖象中提取穿刺針和病灶，再根據事先標定好的參數值，計算兩 者的三維坐標之間的關係，從而完成三維實時動態跟蹤定位。在現有的小病
灶穿刺過程中，對於穿刺針和病灶的位置關係的判斷，由於只釆用一個x射
線機，只有一路信息，加之肺小病灶會隨肺的呼吸而移動，因此，在判斷穿 刺針是否穿中病灶的時候，很多時候需要靠經驗，採用本發明，就比較容易 判斷。


圖l是本發明的立體定位系統，
圖2是本發明的水平向X線投射與檢查床中軸關係示意圖，
圖3是本發明的線板和縮光器等準直器開口設計。
圖4是原始模板的形狀，
圖5是模板所成的像。
圖中的1是水平向C臂，2是垂直向C臂，3是垂直向C臂X線球管，5 是垂直向影像增強器，4是水平向C臂X線球管，6是水平向影像增強器，7 是穿刺檢查床，8是X線圖像處理器及計算機輔助系統。
具體實施例方式
對照附圖1，其結構是水平向C臂1的一端設水平向C臂X線球管4， 另一端設水平向影像增強器6;垂直向C臂2的一端設垂直向C臂X線球管 3，另一端設垂直向影像增強器5。
所述的水平向影像增強器6和垂直向影像增強器5屬現有技術。
實施例1，
水平向C臂的跨度為130 cm，拱深為140 cm。由於該C臂的X線球管 位於醫生操作的一側，選擇a夾角為30。 45° ，這樣可觀察到穿刺針長度 並給醫生穿刺操作留出較為適宜的空間。
垂直向C臂，主要用來完成肺部病灶垂直方向X線成像(其C臂位於水 平向C臂內，並且由床的頭側伸進，C臂的跨度為110cm，拱深為150cm)， 觀察穿刺針的進針深度及左右偏移程度，與水平向C臂共同完成引導穿刺針 進入病灶內任務。
根據幾何關係，可計算進針角度和穿刺針可觀測到的長度。
對照圖2，圖中的矩形為檢查床，CD為檢査床寬，S為X線發射端，AB 為接收屏直徑，F為接收屏中心點，SF為水平向C臂X線球管到影像增強器
的距離，O為肺部病灶點，也是c臂旋轉中心點並位於檢查床的中軸線上， EO為穿刺進針方向，OP為水平向X線視野內穿刺針進入病灶的可視長度， △ASB為經準直後的水平向X射線成像區，ot為水平向C臂X射線中心線與 檢査床中軸線的旋轉夾角。
對照圖3，採用限線板和縮光器等準直器開口設計來控制X線的視野和 散射，使雙C臂雙球管X射線同步清晰成像。準直器最大開口 (I)按公式 I二LXd/D計算。
X線機的標定
首先從計算機視覺的角度出發，借鑑攝像機標定技術，對兩臺X射線 機進行標定和圖像矯正。按照X線機成像的幾何模型，求解出在該成像過程 中的內參數、外參數等有關參數，在此基礎上利用徑向畸變模型，對X射線 機的成像畸變進行矯正處理。 成像的幾何過程
1)從世界坐標系的坐標(義w，L,&)到X射線機坐標系的坐標(Ue，&)的變 換
世界坐標系的坐標(義w，L,Z。到X射線機坐標系的坐標(u"&)的變換
2)從x射線機坐標系的坐標(x"^，z》到理想圖像坐標系的坐標(i"，y")的變Yu=fYc/Zc
3) 從理想圖像坐標系的坐標d,W到實際的圖像坐標(》)的變換，即徑
向畸變
Xd=Xu(1+k1r2)Yd=Yu(1+k2r2)r2=Xu2+Yu2
4) 從實際成像的圖像坐標(U")到計算機幀存中的像素坐標(X/,I7)變換 Xf=Xd/dx+cx
為了標定外參數，成像中心(cx，cy)， X方向和Y方向單位像素之間的間 隔dx和dy等內參數必須是己知的。但是X射線機的這些內參數，是未知的。 因此，必須首先標定這些內參數。再根據圖像點和實際點的對應關係，利用 現有的攝像機標定算法，進行外參數的標定，計算出旋轉矩陣R和平移向量 T及畸變係數k。為了實現圖像點和物體點的對應，需設計特定形狀的模板， 對模板成像，然後提取模板上的特徵點，完成圖像點和實際點的對應。本方 法採用的是網格狀的模板。
確定圖像中心
在X射線機的接收端和發射端之間，置一網格狀的模板,使其和接收端平 行，成像一次。然後，可以沿著垂直於接收端影像增強屏的方向，移動物體， 改變模板與成像平面的距離，再次成像，這樣就可以計算成像中心了。假設 模板上有兩個點，Pi和Pj， Pil(xil，yil)， Pjl(xjl，yjl)， Pi2(xi2， yi2)， Pj2(xj2， yj2)分別表示這兩個點在第一次和第二次所成像的位置，那麼成像 中心可以表示成下面的形式complex formula see original document page 10
單位像素之間的間隔dx和dy的確定
dx和dy表示的是單位像素之間的間隔，這對於計算最終的像素位置是很 重要的。確定的方法為用模板成像，把模板放置於X射線機的接收端，更 準確地說是置於影像增強器的輸入屏上，這樣所成的像，除了受到畸變參數 的影響外，不再受其他任何參數的影響。如果沒有畸變的話，按照成像幾 何，物體位於該位置所成像的大小應該等於實際物體的大小。
由於實際所成的像存在有一定的畸變，而且是越遠離中心越嚴重，因此 在選擇圖像點時，採用中心附近的點。通常採用半徑為圖像邊長五分之一到 六分之一的區域，在這樣的區域裡，畸變通常是可以忽略的。我們採用構成 一個正方形的四個頂點，該正方形的邊長已知，面積也已知。為了求解dx 和dy，至少需要兩個方程。如果單純利用邊長作為已知條件來建立方程，得 到的方程往往是病態的，它的解不可靠。可利用正方形邊長相等的屬性來建 立一個方程，再利用其它屬性得到另外一個方程。設任意相鄰兩邊的三個頂 點坐標分別為(xl,yl)， (x2，y2)， (x3，y3)，則所構造的方程為
((xl-x2)*dx)2+ ((y1-y2)*dy)2=((xl-x3)*dx)2+((yl-y3)*dy)2 化簡上式後，得到的是dx和dy的比例關係。
另外一個方程可以通過下列方式得到。設構成該區域的四個點為 pl，p2，p3和p4，每個點的坐標是已知的。假設平面上任意三個點的坐標分 別為(xl，yl)， (x2，y2)， (x3，y3)，三點圍成的面積可以表示為
complex formula see original document page 11
假設pl，p2，p3三點的像素坐標分別為(xl，yl)， (x2，y2)， (x3， y3)，那麼三 點圍成的實際面積的表達式為
complex formula see original document page 11
把上述行列式展開後得到的結果如下
(Xl求y2一x2氺yl+x2氺y3一y2氺x3+x3氺y1—yl氺x3)氺dx氺dy。
由於三點形成的區域的實際面積是正方形面積的一半，從而得到了另外 一個方程，這個方程所提供的是dx和dy的乘積。有了這兩個方程，就可以 解得dx和dy 了。為了進一步減小誤差，可以採用平均的方法。即在求取 dx和dy的比值以及乘積的時候，禾U用已知的四個點和四條邊所能提供的組 合，算出所有的dx傘dy以及dx/dy，再分別加以平均，作為最終的dx*dy以 及dx/dy的值。
得到了內參數(cx， cy)和(dx， dy)後，就可以進行X射線機外參數以及畸 變係數的標定。
外參數和畸變係數的標定
外參數和畸變係數的標定通常採用的方法是:先假設畸變係數為0，在此 前提下，計算外參數，然後再利用有關信息，進行優化計算，得到畸變係數。
內參數標定之後，X射線機的標定問題就可以採用一般的攝像機標定方 法來解決了。本文基本上採用Tsai的標定方法，來計算後面的有關參數， 但是由於X射線機的特點，有個別步驟與之有所差異。
在Tsai的方法中，主要是提出了共面點和不共面點的兩種標定方法。為 了簡化問題，我們採用共面點的方法進行X射線機的標定。利用圖像點和實 際點的對應關係，可以計算出旋轉矩陣中的rl， r2， r4， r5以及tx和ty，然 後再利用正交性，計算出矩陣R中其餘的所有元素。不過，與Tsai的方法 不同的是，因X射線機的畸變程度比較嚴重，估算出來的f和tz誤差較大。 所以不對焦距f進行估計，而是把它作為已知值。儘管該值可能會存在一定 的誤差，但是要遠小於同時對f和tz進行估算所得到的f的誤差。通過上 述步驟，得到了除畸變係數以外的所有參數。攝像機如果不是採用廣角鏡 頭，且對於精度的要求不是很高的話，則完全可以忽略畸變係數；但是對於 X射線機，則不能忽略，因為它的畸變是很明顯的。求取畸變係數是一個非 線性問題，無法通過求解一般的線性方程得到，通常採用優化策略加以解決。 可採用最速下降法，同時對焦距、tz以及畸變係數進行優化。這樣，就得到 了所需的參數。
在上述系統配置的基礎上，把兩臺X射線機的圖象同時輸入計算機，應 用計算機圖像處理和計算機視覺技術圖像的矯正和實時動態跟蹤算法設計。 實時動態跟蹤法的設計首先通過邊緣檢測等技術，從圖像中得到所需的目 標點，包括肺部病灶和穿刺針的信息，再採用HOUGH變換得到穿剌針所在的 位置，根據穿刺針的灰度信息以及圖像序列信息，到穿刺針頭在圖像中的位 置；其次，穿刺前利用鏈碼跟蹤技術，計算出肺部病灶區域的形態和灰度等 特徵，在穿刺過程中根據前面計算所得的特徵信息及位置，根據前一幅圖中 病灶的位置，實時動態地跟蹤病灶，並在前一幅圖中病灶位置的周圍區域進 行搜索，從而可以獲取兩幅圖象中病灶和針的信息，再利用標定的結果，得
到病灶和針的三維信息，從而可以確定穿刺針、病灶之間的三維空間位置關 系，達到計算機輔助動態跟蹤導引穿刺的目的。
原始模板的形狀如圖4所示，模板成像後的圖像如圖5所示。
權利要求
1、基於雙X射線機的同步實時動態跟蹤立體定位方法，其特徵是該方法的步驟分為，(1)採用攝象機對X射線機進行標定；(2)同時採集兩路X射線的圖象；(3)採用邊緣檢測的方法對圖象進行實時處理，自動從圖像中提取穿刺針和肺部小病灶信息，根據標定參數計算出穿刺針和病灶的三維位置坐標，從而完成定位。
2、 根據權利要求2所述的基於雙X線機的實時立體定位方法，其特徵是步驟(1)採用攝象機對X射線機進行標定的具體方法1) 確定圖像中心，在x射線機的接收端和發射端之間，置一網格狀的模板,使其和接收端平行，成像一次，然後，沿著垂直於接收端影像增強屏的方向，移動物體，改變模板與成像平面的距離，再次成像，計算成像中心；2) dx和dy的確定，在求取dx和dy的比值以及乘積的時，利用已 知的四個點和四條邊所能提供的組合，算出所有的dx*dy以及dx/dy，再分 別加以平均，作為最終的dx*dy以及dx/dy的值；3) 外參數和畸變係數的標定，採用共面點的方法進行X射線機的 標定，利用圖像點和實際點的對應關係，可以計算出旋轉矩陣中的rl，r2，r4，r5 以及tx和ty,然後再利用正交性，計算出矩陣R中其餘的所有元素，採用最 速下降法，同時對焦距、tz以及畸變係數進行優化得到了所需的參數。
3、 根據權利要求2所述的基於雙X線機的實時立體定位方法，其特徵是步驟(2)同時採集兩路X射線圖象的具體方法採用一個可以兩路同時輸 入的視頻採集卡，把兩個X線機的視頻輸出信號直接接到該卡上，通過該採 集卡，把模擬信號轉為數位訊號。
4、根據權利要求2所述的基於雙X線機的實時立體定位方法，其 特徵是步驟(3)採用邊緣檢測的方法對圖象進行實時處理的具體方法是根 據病灶的位置，自動選擇能夠包含穿刺針和病灶的矩形區域，在該區域內， 採用邊緣檢測算子進行邊緣檢測，然後採用Hough變換進行直線檢測，檢測 出穿刺針，在此基礎上，根據灰度信息檢測出針頭的位置，對於病灶，根據 上一幀的位置，在其周圍進行搜索，利用灰度信息和形態信息。
5、基於雙X射線機的同步實時動態跟蹤立體定位裝置，其特徵是在水 平向C臂的一端設水平向C臂X線球管，另一端設水平向影像增強器；在垂 直向C臂的一端設垂直向C臂X線球管，另一端設垂直向影像增強器。
全文摘要
本發明是基於雙X射線機的同步實時動態跟蹤立體定位方法及裝置，方法步驟採用攝象機對X射線機進行標定；同時採集兩路X射線的圖象；採用邊緣檢測的方法對圖象進行實時處理，自動從圖像中提取穿刺針和肺部小病灶信息，根據標定參數計算出穿刺針和病灶的三維位置坐標，從而完成定位。裝置是在水平向C臂的二端分設水平向C臂X線球管和水平向影像增強器；在垂直向C臂的二端分設垂直向C臂X線球管和垂直向影像增強器。優點在現有的小病灶穿刺過程中，對於穿刺針和病灶的位置關係的判斷，由於只採用一個X射線機，只有一路信息，加之肺小病灶會隨肺的呼吸而移動，在判斷穿刺針是否穿中病灶時，需要靠經驗，採用本發明，就比較容易判斷。
文檔編號A61B6/03GK101194845SQ20071019235
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月25日 優先權日2007年12月25日
發明者葉玉坤, 宏 朱, 楊靜宇, 棟 汪, 陸建峰 申請人:南京理工大學;中國人民解放軍第八一醫院