[发明专利]超声波探头的光学标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学标定方法，尤其涉及一种超声波探头的光学标定方法。 

背景技术

现有的基于磁定位器的手动三维超声图像标定方法：在超声探头上固定一个电磁接收器，利用电磁定位器获取该接收器相对于发射器的空间信息，建立超声图像坐标系I、接收器坐标系R、发射器坐标系T、模板坐标系C四个坐标系，标定公式为P(C)＝^CT_T·^TT_R·^RT_I·P(I)，其中^TT_R代表电磁接收器到发射器的变换矩阵，已知空间点的超声图像坐标P(I)、对应的模板坐标P(C)和每次测量的^TT_R，利用最小二乘法得到接收器和超声图像之间的空间映射关系^CT_T和^RT_I。 

基于磁定位器的手动三维超声图像标定方法存在以下问题： 

（1）设计的N形标定模板只是空间中二维的标定模板，得到的标定模板坐标缺少第三维的空间信息； 

（2）标定公式P(C)＝^CT_T*^TT_R*^RT_I*P(I)中的未知量有^CT_T和^RT_I两个，计算较为复杂，需要采集多幅标定图像； 

（3）默认用接收器坐标系代替超声探头坐标系，可能存在变换误差； 

（4）需要在超声探头上固定电磁接收器，活动受限制，且针对不同型号的超声探头需要配备不同规格的电磁定位器，使得设备复杂，适应性不高； 

（5）电磁定位设备在手术导航应用中存在电磁兼容问题。 

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种超声波探头标定方法，具有如下步骤： 

S1.选取光轴相互平行的两枚完全相同的相机，作为光学定位设备，以一侧相机的光心作为坐标系原点，两枚相机的光心连接线为X轴，以该相机的光轴作为Z轴，建立空间直角坐标系，作为光学定位设备坐标系C； 

S2.选取并固定两个相同的矩形框架，使所述的2个矩形框架构成空间虚拟长方体中相对的两个面，使用多条标定直线连接所述两个矩形框架的各端点，作为立体标定模板，选取所述两个矩形框架中的一个顶点作为原点，建立空间 直角坐标系，作为立体标定模板坐标系M； 

S3.选取一个2D的超声波探头，在该超声波探头上粘贴至少三个特征点，建立空间直角坐标系，作为超声波探头坐标系T； 

S4.使用超声波探头扫描标定模板，使超声波的扫描平面穿过所述的多条标定直线的每一条标定直线，记录每一个扫描平面与标定直线相交的空间点，计算每一个空间点在所述立体标定模板坐标系M中的坐标； 

S5.设定超声图像坐标系I，利用超声图像处理技术获得所述的每一个空间点在超声波图像中的坐标，记做P(I)＝(u_i,v_i,0,1)^T； 

S6.由所述的光学定位设备坐标系C、立体标定模板坐标系M、超声波探头坐标系T和超声图像坐标系I，得到公式： 

P(M)＝^MT_C·^CT_T(i)·^TT_I·P(I)， 

式中：P(M)为空间点在立体标定模板坐标系M中的坐标；P(I)为对应点在超声图像中的图像坐标； 

维数为4×4的矩阵^MT_C为坐标系C到坐标系M的变换矩阵，该矩阵为固定值； 

维数为4×4的矩阵^CT_T(i)为坐标系T到坐标系C的变换矩阵，每次标定图像采集对应一个矩阵^CT_T(i)； 

维数为4×4的矩阵^TT_I为所求变换矩阵；