專利名稱：基于立體視覺的三維b超裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械技術領域，特別涉及一種B超圖像的定位與三維重建裝置。
背景技術：
三維B超成像已經(jīng)成為一種重要的醫(yī)療診斷技術。在很多情況下(例如術中放療)，醫(yī)生不僅需要三維B超圖像本身，并且需要知道三維B超圖像在固定坐標系(如人體坐標系)中的精確位置。因此定位技術是三維B超的一個核心。
三維B超系統(tǒng)已經(jīng)有很多，但大多數(shù)在成像的過程中無法自由移動B超的探頭。受機械式定位裝置的制約，探頭只能作平行運動或其它固定軌跡的運動。這對多數(shù)B超檢測來說并不方便。對于可徒手(Freehand)自由移動的探頭，其精確的定位技術(計算探頭的6維坐標三個位置坐標，三個角度坐標)是一個難點。
英國劍橋大學開發(fā)的Stradx/Stradwin三維B超系統(tǒng)，可以徒手自由移動探頭，但使用中需要和專門的定位器相配合，如和美國Polhemus公司的Fastrak或Patriot定位器，美國Ascension公司的MiniBird、Flock of Birds、或LaserBird定位器，或者加拿大NDI公司的Polaris定位器。國際研究機構SINTEF也開發(fā)出了可徒手自由移動探頭的三維B超系統(tǒng)，但需要與Flock of Birds、Polaris等定位器結合使用。上述系統(tǒng)本身只包括B超的三維重建功能，必須另外購買定位器才能在實際中使用，這無形中提高了成本，另外導致系統(tǒng)的集成度不高，安裝、調(diào)試和操作都比較復雜。
對于定位器來說，F(xiàn)astrak、Patriot、MiniBird、以及Flock of Birds都是電磁式的，雖然價格便宜，但定位精度差，且多數(shù)是有線的，使用起來并不方便；而無線的電磁定位器產(chǎn)生的電磁輻射對其它醫(yī)療設備可能會有不良影響。LaserBird是激光定位器，精度較高，但價格昂貴，操作復雜。Polaris是紅外線定位器，在臨床上使用較多，精度也較高，但同樣比較昂貴。基于激光和紅外線的定位器都需要主動發(fā)射光源，使用不方便。還有一種基于可見光的定位器，不需要發(fā)射光源，同時可見光的波長比紅外線要短，因此這種定位器的精度比紅外線定位器要高。Claron公司生產(chǎn)的Micron Tracker就是基于可見光的定位器，精度很高，但價格也很昂貴，另外Micron Tracker與三維B超重建系統(tǒng)的集成能力比較差。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服可徒手自由移動探頭的三維B超系統(tǒng)價格昂貴、集成度不高，以及外配定位器成本高、定位精度不足的缺點，本發(fā)明提供了一種新的三維B超裝置。該裝置在保證可以徒手自由移動探頭的前提下，將定位器與三維重建系統(tǒng)整合在一起，不需要獨立購買定位器，可大幅節(jié)約成本；同時使用基于可見光和立體視覺的定位原理，定位精度高，使用方便。
本發(fā)明的技術方案如下(請參閱圖1、2、3所示)本發(fā)明一種基于立體視覺的三維B超裝置，它是由兩臺CCD攝像機[1](可采集視頻，具有外同步)、B超機[2](可采集二維B超圖像，市售成品)、同步器[3]、標記器[4]、多路輸入圖像采集卡[5](至少有三路輸入)、采集觸發(fā)器[6]、計算機和系統(tǒng)軟件[7]，CCD攝像機的行同步信號線和場同步信號線[8]、視頻信號線[9]、B超視頻信號線[10]、觸發(fā)信號線[11]和PCI總線[12]組成；CCD攝像機[1]通過行同步信號線和場同步信號線[8]與同步器[3]連接，同時通過視頻信號線[9]與多路輸入圖像采集卡[5]連接；B超機[2]通過B超視頻信號線[10]與同步器[3]以及多路輸入圖像采集卡[5]連接；采集觸發(fā)器[6]通過觸發(fā)信號線[11]與多路輸入圖像采集卡[5]連接；多路輸入圖像采集卡[5]通過PCI總線[12]與計算機[7]連接；標記器[4]直接固定在B超機[2]的探頭上。
本發(fā)明的基本設計思想是為了利用立體視覺準確地得到任意時刻采集到的B超圖像的位置和角度，攝像機圖像采集和B超機圖像采集的同步性是最重要的。攝像機和B超機圖像采集的同步是通過外同步方案來實現(xiàn)的。攝像機的同步信號由同步器從B超信號中分離，然后通過攝像機外同步端口來同步攝像機的行頻和場頻，從而保證圖像采集時兩個攝像機和B超機的嚴格同步。
本發(fā)明各模塊詳細的連接方式闡述如下(1)CCD攝像機兩臺CCD攝像機[1]的線路連接相同。每個攝像機引出4條連接線電源線、行同步信號線(輸入)、場同步信號線[8](輸入)、以及視頻信號線[9](輸出)。其中，行同步信號線與場同步信號線[8]與同步器[3]連接，由同步器分離的同步信號提供輸入，通過行同步和場同步信號線[8]來同步攝像機；視頻信號線[9]與多路輸入圖像采集卡[5]相連接，為系統(tǒng)提供同步后的視頻圖像信號。
(2)B超機B超機[2]通過B超視頻信號線[10](輸出)與圖像采集卡[5]和同步器[3]相連接，為圖像采集卡[5]提供B超視頻圖像的同時為同步器[3]提供攝像機的行、場同步信號的分離基準信號。
(3)同步器同步器[3]有6個引出接口攝像機1的行同步信號接口(輸出)和場同步信號接口(輸出)、攝像機2的行同步信號接口(輸出)和場同步信號線接口(輸出)、電源接口、以及分離基準信號接口(輸入)。其中，4個同步信號接口與兩個攝像機[1]對應連接；分離基準信號接口與B超視頻信號線[10]連接。
(4)標記器標記器[4]的作用在于定位B超機[2]的探頭。標記器[4]是具有特殊樣式(如黑白相間的方格)、易于被攝像機[1]所識別的器件，參見圖3。標記器[4]下端有固定裝置，能固定在B超機[2]的探頭上，并使標記器和探頭之間的相對位置已知。通過立體視覺來定位標記器[2]的坐標和角度，也就可以換算出探頭的坐標和角度。由于攝像機[1]所拍攝的標記器[4]圖像與B超圖像是同步的，因此也就得到了B超圖像的坐標和角度。
(5)多路輸入圖像采集卡多路輸入圖像采集卡[5]通過公知的方法連接到計算機[7]上，例如插入PCI插槽。通過PCT總線[12]連接。多路輸入圖像采集卡[5]接收兩路攝像機圖像的輸入和一路B超圖像的輸入。
(6)采集觸發(fā)器采集觸發(fā)器[6]的作用是觸發(fā)或停止圖像的采集。采集觸發(fā)器可以是腳踏板[5]相連，為圖像采集卡[5]提供采集的觸發(fā)信號。使用腳踏板是為了方便用戶的操作，通過點擊計算機的鼠標同樣可以觸發(fā)/停止圖像的采集。
(7)計算機和系統(tǒng)軟件計算機[7]用來安裝圖像采集卡[5]和系統(tǒng)軟件，圖4是軟件算法的流程圖，系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)B超圖像的定位和三維重建等功能，圖3是軟件界面的實例。
本發(fā)明一種基于立體視覺的三維B超裝置，具有如下優(yōu)點(1)對B超探頭的運動沒有限制，用戶可以徒手自由移動B超探頭。
(2)將定位器與三維重建系統(tǒng)整合在一起，不需要獨立購買定位器，節(jié)約成本。
(3)可以和絕大多數(shù)的現(xiàn)有B超機相連接，使系統(tǒng)互換性好，成本降低。
(4)使用基于可見光和立體視覺的原理進行定位，定位精度高。定位裝置本身不發(fā)射光源，并且是無線、與人體無接觸的，使用很方便。
(5)實現(xiàn)攝像機圖像和B超機圖像的嚴格同步，并且同步后的圖像均可以通過計算機顯示出來，過程直觀，便于檢查和驗證。
(6)可以精確計算二維B超圖像在三維坐標系中的坐標和角度，實現(xiàn)B超圖像的三維重建。
圖1是基于立體視覺的三維B超裝置的總體框圖；圖2是基于立體視覺的三維B超裝置的實物圖；圖3是基于立體視覺的三維B超裝置工作時的截屏圖；圖4是基于立體視覺的三維B超裝置的軟件算法流程圖。
圖中標號(主要結構)如下1CCD攝像機2B超機3同步器4標記器5多路輸入圖像采集卡6采集觸發(fā)器7計算機和系統(tǒng)軟件8CCD攝像機的行同步信號線和場同步信號線9CCD攝像機視頻信號線10B超視頻信號線11觸發(fā)信號線12PCI總線具體實施例方式首先，請參閱圖1、2、3所示，其中圖1為了簡化，將同一攝像機的行同步信號線和場同步信號線[8]用一條線表示。另外，所有的電源線被省略。
圖2是一輛臺車，臺車上面安裝著同步器[3]，計算機[7]，圖像采集卡[5]已安裝在計算機內(nèi)，兩臺攝像機[1]通過支架安裝在臺車的最上部。系統(tǒng)工作時圖2中的裝置與B超機[2]相連(連接方案如圖1所示)，組成完整的基于立體視覺的三維B裝置。
圖3是系統(tǒng)工作時從圖2中所示計算機[7]屏幕上獲得的截屏圖，即系統(tǒng)的軟件界面。圖3中上面兩幅視頻圖像和下面一幅B超圖像是嚴格同步的。視頻圖像中顯示的是醫(yī)生手持固定有標記器[4]的B超探頭在為病人作檢查。由于兩幅視頻圖像拍攝的標記器存在視差，通過立體視覺的方法可以計算出標記器的坐標和角度。而此刻探頭所采集的B超圖像正是圖3中所示的一幅，該B超圖像在三維空間中的坐標和角度同時被計算出來。
本發(fā)明一種基于立體視覺的三維B超裝置，它是由兩臺CCD攝像機[1](可采集視頻，具有外同步)、B超機[2](可采集二維B超圖像，市售成品)、同步器[3]、標記器[4]，多路輸入圖像采集卡[5](至少有三路輸入)、采集觸發(fā)器[6]、計算機和系統(tǒng)軟件[7]等組成；各部分之間的連接關系如圖1所示，兩個攝像機的行同步信號和場同步信號線[8]分別與同步器[3]連接，由于同步器[3]分離的同步信號輸入，通過行同步信號和場同步信號線[8]來同步兩個攝像機[1]；兩個攝像機[1]的視頻信號線[9]與多路輸入圖像采集卡[5]相連接，為系統(tǒng)提供同步后的視頻圖像信號；B超機[2]通過B超視頻信號線[10]與多路輸入圖像采集卡[5]和同步器[3]相連接，為圖像采集卡[5]提供B超視頻信號的同時為同步器[3]提供攝像機的行、場同步信號的分離基準信號標記器[4]固定在B超機[2]的探頭上，標記器和探頭之間的相對位置已知；多路輸入圖像采集卡[5]安裝到計算機[7]的PCI插槽上；用腳踏板作采集觸發(fā)器[6]時，腳踏板的觸發(fā)信號線[11]與圖像采集卡[5]相連，為圖像采集卡[5]提供圖像采集的觸發(fā)信號；將系統(tǒng)軟件安裝到計算機[7]內(nèi)，圖4是系統(tǒng)軟件算法的流程圖，可以實現(xiàn)B超圖像的定位和三維重建功能。
本發(fā)明一種基于立體視覺的三維B超裝置，其工作模式如下
基于立體視覺的三維B超裝置的工作模式有兩種，一種是單幀模式腳踏板或鼠標每觸發(fā)一次，就采集并處理一幀同步圖像；另一種是連續(xù)模式采集被觸發(fā)后，系統(tǒng)將連續(xù)不斷的采集并處理同步視頻序列，直到用戶停止采集為止。
本發(fā)明一種基于立體視覺的三維B超裝置，其操作步驟如下基于立體視覺的三維B超裝置可以在術中放射治療等多種場合使用，操作步驟的實例如下(1)在使用之前，首先對立體視覺定位系統(tǒng)進行定標，也就是進行校準，消除其定位偏差。
(2)可以取其中一臺攝像機的坐標系為三維固定坐標系，而醫(yī)生通常習慣采用人體坐標系為三維固定坐標系。操作時首先在人體體表上取若干標記點，然后采用單幀工作模式，通過腳踏板或者鼠標，每觸發(fā)一次則采集并定位一個標記點。再通過坐標變換，將攝像機坐標系轉換為標記點所決定的人體坐標系。
(3)采用連續(xù)工作模式進行B超圖像的采集和三維重建。通過腳踏板或鼠標觸發(fā)采集，則系統(tǒng)連續(xù)不斷的采集B超圖像和經(jīng)過同步的標記器視頻圖像，從標記器4的視頻圖像中實時的計算出每幀中探頭的坐標和角度，然后就可以將采集的B超圖像序列重建成三維的數(shù)據(jù)體。
權利要求
1.一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于它是由兩臺CCD攝像機、B超機、同步器、標記器、多路輸入圖像采集卡、采集觸發(fā)器、計算機和系統(tǒng)軟件、CCD攝像機的行同步信號線和場同步信號線、視頻信號線、B超視頻信號線、觸發(fā)信號線和PCI總線組成；其中，CCD攝像機通過行同步信號線和場同步信號線與同步器連接，同時通過視頻信號線與多路輸入圖像采集卡連接；B超機通過B超視頻信號線與同步器以及多路輸入圖像采集卡連接；采集觸發(fā)器通過觸發(fā)信號線與多路輸入圖像采集卡連接；多路輸入圖像采集卡通過PCI總線與計算機連接；標記器直接固定在B超機的探頭上。
2.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該兩臺CCD攝像機的線路連接相同，每個攝像機引出4條連接線電源線、用于輸入的行同步信號線和場同步信號線以及用于輸出的視頻信號線；其中，行同步信號線和場同步信號線與同步器連接，由同步器分離的同步信號提供輸入，通過行同步和場同步信號線來同步攝像機；視頻信號線與多路輸入圖像采集卡相連接，為系統(tǒng)提供同步后的視頻圖像信號。
3.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該B超機通過B超視頻信號線與圖像采集卡和同步器相連接，為圖像采集卡提供B超視頻圖像的同時為同步器提供攝像機的行、場同步信號的分離基準信號。
4.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該同步器有6個引出接口攝像機1的行同步信號接口和場同步信號接口、攝像機2的行同步信號接口和場同步信號線接口、電源接口、以及分離基準信號接口；其中，4個同步信號接口與兩個攝像機對應連接；分離基準信號接口與B超視頻信號線連接。
5.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該標記器的作用在于定位B超機的探頭；標記器是具有特殊樣式、易于被攝像機所識別的器件，標記器下端有固定裝置，能固定在B超機的探頭上，并使標記器和探頭之間的相對位置已知；通過立體視覺來定位標記器的坐標和角度，也就可以換算出探頭的坐標和角度；由于攝像機所拍攝的標記器的圖像與B超圖像是同步的，因此也就得到了B超圖像的坐標和角度。
6.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該多路輸入圖像采集卡通過公知的方法連接到計算機上，插入PCI插槽，通過PCI總線連接；多路輸入圖像采集卡接收兩路攝像機圖像的輸入和一路B超圖像的輸入。
7.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該采集觸發(fā)器的作用是觸發(fā)或停止圖像的采集；采集觸發(fā)器可以是腳踏板或計算機的鼠標；腳踏板有電源線和觸發(fā)信號線輸出，觸發(fā)信號線與圖像采集卡相連，為圖像采集卡提供采集的觸發(fā)信號；使用腳踏板是為了方便用戶的操作，通過點擊計算機的鼠標同樣可以觸發(fā)/停止圖像的采集。
8.根據(jù)權利要求1所述之一種基于立體視覺的三維B超裝置，其特征在于該計算機用來安裝圖像采集卡和系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)B超圖像的定位和三維重建等功能。
全文摘要
一種基于立體視覺的三維B超裝置，是由CCD攝像機、B超機、同步器、標記器、多路輸入圖像采集卡、采集觸發(fā)器、計算機和系統(tǒng)軟件，CCD攝像機的行同步信號線和場同步信號線、視頻信號線、B超視頻信號線、觸發(fā)信號線和PCI總線組成；該CCD攝像機通過行同步信號線和場同步信號線與同步器連接，同時通過視頻信號線與多路輸入圖像采集卡連接；B超機通過B超視頻信號線與同步器以及多路輸入圖像采集卡連接；采集觸發(fā)器通過觸發(fā)信號線與多路輸入圖像采集卡連接；多路輸入圖像采集卡通過PCI總線與計算機連接；標記器直接固定在B超機的探頭上。該裝置在保證可以徒手自由移動探頭的前提下，將定位器與三維重建系統(tǒng)整合在一起，大幅節(jié)約成本，定位精度高，使用方便。
文檔編號G01N29/06GK101088465SQ20061011340
公開日2007年12月19日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權日2006年9月27日
發(fā)明者王兆仲, 周付根, 白相志 申請人:北京航空航天大學