本技術涉及超聲探頭標定，特別是涉及一種基于數據降維與單應變換的超聲探頭標定方法及裝置。

背景技術：

1、超聲檢測設備是一種醫(yī)學中常見檢測設備，用于透視皮下組織，具有實時、無輻射的特點。超聲探頭是超聲檢測設備的核心，通過壓電晶體將電能轉化為超聲能量，接觸到人體后返回到超聲振子上再轉換成電信號，再轉換成二維的黑白圖像。超聲三維重建是擴展醫(yī)生視野的重要方式，超聲圖像的失真導致單張二維圖片所提供的信息十分有限。目前主流的研究方向通過連續(xù)的超聲序列對掃描區(qū)域進行三維重構，從而實現類似ct掃描的效果，用于引導醫(yī)生甚至機器人進行手術。

2、而找到超聲序列之間的空間位置關系是實現三維重構的前提，目前主流的三種方式主要是約束法、圖像法和跟蹤法；其中，跟蹤法是目前運用最多的超聲三維重建方法，采用的額外定位設備包括光學跟蹤、電磁跟蹤、加速度計等。對于跟蹤法來說，超聲探頭與定位設備之間的位置標定(簡稱超聲探頭標定)是其前提。然而，目前現有的超聲探頭標定工裝大多數存在過程繁瑣、精度不高等問題。

3、因此，提供一種新型標定工裝進行超聲探頭標定方法，簡化現有標定過程、提升標定精度，對本領域來說是十分必要的。

技術實現思路

1、本技術的目的是提供一種基于數據降維與單應變換的超聲探頭標定方法及裝置，可在簡化現有標定過程的同時，提升對超聲探頭的標定精度。

2、為實現上述目的，本技術提供了如下方案：

3、第一方面，本技術提供了一種基于數據降維與單應變換的超聲探頭標定方法，包括以下步驟：

4、在超聲探頭獲取的超聲圖像上選出若干個標定點，并基于n線標定工裝計算得到超聲圖像上各標定點的二維坐標；所述n線標定工裝為基于二進制編碼的三層式n線標定工裝。

5、基于雙目相機、所述超聲探頭和所述n線標定工裝之間的位姿關系，將各標定點的二維坐標轉換至超聲探頭坐標系下，得到各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標；在所述超聲探頭和所述n線標定工裝上均安裝有視覺標記物，采用所述雙目相機可跟蹤獲取所述超聲探頭和所述n線標定工裝的位姿。

6、基于各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，確定標定平面坐標系，并基于標定平面坐標系和超聲探頭坐標系，確定變換矩陣。

7、根據所述變換矩陣將各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，投影至標定平面內，并根據所述標定平面上各標定點的二維坐標和超聲圖像上各標定點的二維坐標，計算得到單應變化矩陣。

8、存儲所述變換矩陣和所述單應變化矩陣，完成對所述超聲探頭的標定；根據所述變換矩陣和所述單應變化矩陣，可將超聲圖像上的任意一個目標點的二維坐標轉換成目標點在超聲探頭坐標系下的三維坐標。

9、可選地，根據下式計算得到超聲圖像上任意標定點的二維坐標：

10、

11、其中，qi為超聲圖像上第i個標定點的二維坐標，qi-1和qi+1為超聲圖像上與第i個標定點相鄰的兩個標定點的二維坐標；pi和pi+1分別為所述n線標定工裝第i個端點和第i+1個端點在超聲圖像上的二維坐標。

12、可選地，根據下式將各標定點的二維坐標轉換至超聲探頭坐標系下：

13、

14、其中，qi為超聲圖像上第i個標定點的二維坐標，mi為第i個標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，為超聲探頭坐標系在雙目相機坐標系下的相對姿態(tài)，為所述n線標定工裝在雙目相機坐標系下的相對姿態(tài)。

15、可選地，基于各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，確定標定平面坐標系，并基于標定平面坐標系和超聲探頭坐標系，確定變換矩陣，具體包括以下步驟：

16、采用最小二乘法對各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標進行平面擬合，得到標定平面方程。

17、將所述標定平面方程轉化為最小二乘矩陣，并代入各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，求解得到標定平面的法向量。

18、在所述標定平面中任選兩點構成平面向量，并基于所述平面向量和所述標定平面的法向量，構建標定平面坐標系。

19、基于所述標定平面坐標系和超聲探頭坐標系，確定變換矩陣。

20、可選地，所述標定平面方程如下式所示：

21、ax+by+cz+d＝0(c≠0)。

22、其中，a、b、c、d均為標定平面方程的系數，(x,y,z)為任一標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標。

23、所述標定平面方程可變形為下式：

24、z＝ax+by+c。

25、其中，均為中間自定義系數。

26、所述最小二乘矩陣如下式所示：

27、b＝ax。

28、其中，(xi,yi,zi)為第i個標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，i的取值范圍為[1,n]。

29、可選地，所述變換矩陣如下式表示：

30、

31、其中，mp為變換矩陣，r為標定平面坐標系的旋轉矩陣，t為標定平面坐標系的原點的平移向量，t＝-rl1，l1為標定平面坐標系的原點。

32、可選地，根據下式將各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，投影至標定平面內：

33、

34、其中，(xmi,ymi,zmi)為第i個標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，(xsi,ysi)為標定平面上第i個標定點的二維坐標，ki為標定平面上第i個標定點的深度值，ki在理論上為0。

35、可選地，根據下式計算得到單應變化矩陣：

36、

37、其中，α為尺度變換因子，mh為單應變化矩陣，(xoi,yoi)為超聲圖像上第i個標定點的二維坐標。

38、可選地，根據所述變換矩陣和所述單應變化矩陣，將超聲圖像上的任意一個目標點的二維坐標轉換成目標點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，具體包括：

39、獲取超聲圖像上的任意一個目標點的二維坐標，根據超聲圖像上所述目標點的二維坐標和所述單應變化矩陣，計算得到標定平面上所述目標點的二維坐標。

40、根據標定平面上所述目標點的二維坐標和所述變換矩陣，計算得到所述目標點在超聲探頭坐標系下的三維坐標。

41、第二方面，本技術提供了一種基于數據降維與單應變換的超聲探頭標定裝置，包括：雙目相機、超聲探頭、n線標定工裝和數據處理設備；在所述超聲探頭和所述n線標定工裝上均安裝有視覺標記物，采用所述雙目相機可跟蹤獲取所述超聲探頭和所述n線標定工裝的位姿；所述n線標定工裝為基于二進制編碼的三層式n線標定工裝。

42、所述數據處理設備用于：在超聲探頭獲取的超聲圖像上選出若干個標定點，并基于n線標定工裝計算得到超聲圖像上各標定點的二維坐標；基于所述雙目相機、所述超聲探頭和所述n線標定工裝之間的位姿關系，將各標定點的二維坐標轉換至超聲探頭坐標系下，得到各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標；基于各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，確定標定平面坐標系，并基于標定平面坐標系和超聲探頭坐標系，確定變換矩陣；根據所述變換矩陣將各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，投影至標定平面內，并根據所述標定平面上各標定點的二維坐標和超聲圖像上各標定點的二維坐標，計算得到單應變化矩陣；存儲所述變換矩陣和所述單應變化矩陣，完成對所述超聲探頭的標定；根據所述變換矩陣和所述單應變化矩陣，可將超聲圖像上的任意一個目標點的二維坐標轉換成目標點在超聲探頭坐標系下的三維坐標。

43、根據本技術提供的具體實施例，本技術公開了以下技術效果：

44、本技術提供了一種基于數據降維與單應變換的超聲探頭標定方法及裝置，該方法包括：在超聲探頭獲取的超聲圖像上選出若干個標定點，并基于n線標定工裝計算得到超聲圖像上各標定點的二維坐標；基于雙目相機、超聲探頭和n線標定工裝之間的位姿關系，將各標定點的二維坐標轉換至超聲探頭坐標系下，隨后基于各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標，確定標定平面坐標系，并基于標定平面坐標系和超聲探頭坐標系，確定變換矩陣；再根據變換矩陣將各標定點在超聲探頭坐標系下的三維坐標投影至標定平面內，并計算得到單應變化矩陣；存儲上述計算的變換矩陣和單應變化矩陣，完成對超聲探頭的標定；后續(xù)即可根據變換矩陣和單應變化矩陣，方便、準確地將超聲圖像上的任意一個目標點的二維坐標轉換成目標點在超聲探頭坐標系下的三維坐標。本技術提供的方案，擬合超聲成像平面，利用該平面將三維點降維成二維點，再用單應變化來表征降維后的各二維點與超聲圖像上各點之間的關系，取消了目前主流標定工裝中采用的比例因子，避免了比例因子估計誤差導致的標定誤差放大的問題，能夠在簡化現有標定過程的同時，提升對超聲探頭的標定精度。