超声波探头的光学标定方法

摘要

本发明公开了一种超声波探头的标定方法，具有如下步骤：1.在超声探头上粘贴特征标识点，2.固定立体标定模板和光学定位设备，3.手持超声探头扫描立体标定模板，每次采集超声图像的同时利用光学定位设备获取超声探头的空间姿态，得到原始数据，继而利用最小二乘法标定超声探头。相较于传统的电磁标定方法，具有如下优点：标定结果更加准确；运算过程中，只有一个未知数（一个未知变换矩阵），降低了标定计算的复杂性；可以应用到各种型号的超声探头上，设备简便，适用范围广；采用光学定位设备获取超声探头姿态，无需考虑电源线的影响，使得可标定的范围更广；光学定位设备在手术导航环境中不存在电磁兼容的问题。

主权项

一种超声波探头标定方法，其特征在于具有如下步骤：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)＝(ui,vi,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)＝MTC·CTT(i)·TTI·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MTC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CTT(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CTT(i)；维数为4×4的矩阵TTI为所求变换矩阵；设目标函数f(i)＝|PM(i)‑MTC·CTT(i)·TTI·PI(i)|2，使得f(i)＝0时的TTI即为标定所求，采集多幅标定图像，堆叠数据后，使用最小二乘法的方法优化求出TTI，完成超声波探头的标定。