一种利用监测CCD实时测定激光探头与被照射面间距离和角度的方法

摘要

本发明公开了一种利用监测CCD实时测定激光探头与被照射面间距离和角度的方法，包括A获取硬件固定参数和B实时测定激光探头与被照射面间距离和角度两个步骤；其中步骤A包括：确定CCD获取的图像中每个像素边长对应的实物边长δ与镜头到被照射平面间距离l的关系；获取激光出光口光束半径r

说明书

技术领域

本发明属于软件算法设计用于医疗器械的技术领域范畴，特别涉及影像引导手术导航中测定激光探头与受照组织面间短距离内距离和角度变化的方法。

背景技术

目前精准医疗成为医学界的新热点，而以荧光导航手术(Fluorescence guided surgery)技术为特点的医疗设备正呈现初步阶段的爆发式增长，从1995年小于50台/年，到2005年100台/年，再到2015年将近500台/年，而且研发生产厂家也从Novadaq Technologies仅一家发展至Hamamatsu Photonics、Fluoptics、Quest Medical Imaging、VisionSense等百花齐放。荧光导航手术技术主要利用一种名为吲哚菁绿(Indocyanine Green,ICG)的近红外荧光染料，其在人体内受到805nm左右激发光激发后产生825nm左右的荧光，通过带滤光镜的近红外相机对其荧光图像进行实时拍摄，再通过软件将其处理成伪彩的形式与可见光图像融合，从而实现荧光导航手术技术。

国内荧光导航手术设备正处于研发中，一种由聂书明等人发明的带有手持笔式激光探头的设备以其对于ICG浓度检测的超高灵敏度而受到全世界该领域的广泛关注。可正是因为该手持式激光探头的超高灵敏度，一些问题也伴随而来，其中一点就是荧光光谱或近红外CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)信号会因为探头距离远近和激光入射角度的变化而发生明显变化，影响其判断依据的科学性和准确性。因为该手持式激光探头工作距离只有2-10厘米，传统的脉冲激光测距仪的精度取决于时间测量的精度，电子器件固有的对信号响应的延迟制约着时间测量的精度下限，因而其对于短距离激光测距只能在30-200厘米内结果可信。激光测距的最新技术多频干涉法(Multiple Self-Mixing Interferometry，MSMI)可在2.2-23cm范围内测量误差不大于0.27cm，但此方法利用的是反射光干涉会引起激光器内腔中激光波长的漂移，只适用于理想的环境，对于荧光影像导航这样本身就可能产生其他波长光的环境，很可能效果不如预期。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种利用监测CCD实时测定激光探头与被照射面间距离和角度的方法，该方法利用激光光斑成像的大小和形状信息，结合预先测得的探头激光光源本身的发散角和出光口光束半径等硬件参数，计算出激光探头与被照射面间的距离和角度，实现实时提供距离和角度参数的作用，给荧光导航手术中信号可靠性判断提供依据。

技术方案：本发明采用如下技术方案：

一种利用监测CCD实时测定激光探头与被照射面间距离和角度的方法，包括如下步骤：

步骤A、获取硬件固定参数：

(A1)确定激光检测CCD获取的图像中每个像素边长对应的实物边长δ与镜头到被照射平面间距离l的关系δ＝f(l)；

(A2)获取激光出光口光束半径r₀和激光光源发散角θ，获取CCD图像中光斑边界与光斑中心亮度比η；

步骤B、实时测定激光探头与被照射面间距离和角度：

(B1)获取光斑所在区域的CCD图像，确定光斑区域R；

(B2)获取光斑区域R的点阵图像，计算椭圆点阵的短半轴a和长半轴b；

(B4)计算激光与被照射平面法线所夹锐角α，cosα＝a/b；

(B5)计算激光探头中心与被照射平面间距离h′：

具体地，所述步骤(A1)具体包括：

(A1.1)测量实物的某一边长k；

(A1.2)变换镜头到被照射平面间距离组成集合L{l₁,l₂,...,l_n}，获取不同距离下的CCD图像，并计算不同CCD图像中实物的边长所占像素个数，组成集合P{p₁,p₂,...,p_n}；其中n为获取的样本个数；

(A1.3)采用拟合算法确定l_i与之间的关系δ＝f(l)，其中i＝1,2,..,n。

所述步骤(A2)包括如下步骤：

(A2.1)固定镜头-被照射平面距离l，固定激光发射功率，激光出光口与被照射平面保持垂直，二者间距离为h，测量光斑的半径r，并获取CCD图像；

(A2.2)在获取的CCD图像中，搜索亮度最大的点为光斑中心o，其亮度为s_o；

(A2.3)根据δ＝f(l)获取每个像素边长对应的实物边长δ，根据(A2.1)中测量的光斑的半径r计算光斑半径的像素长度

(A2.4)根据及光斑中心o的像素坐标，获取CCD图像中光斑边界，在光斑边界上采集m个点并获取其亮度值，计算m个亮度值的均值光斑边界与光斑中心亮度比

(A2.5)改变激光出光口与被照射平面间距离h，重复步骤(A2.1)至(A2.4)，获取多对(r,h)值和(η,s_o)值，根据r＝r₀+htanθ采用拟合算法计算出激光出光口光束半径r₀和激光光源发散角θ的值；采用曲线拟合算法获取η与s_o的关系：η＝g(s_o)。

所述步骤(B1)具体为：在获取的CCD图像中搜索搜索亮度的最大值s_max，根据η＝g(s_o)获取当前的光斑边界与光斑中心亮度比η＝g(s_max)，亮度值不小于s_max*η的区域为亮度区域。

优选地，所述步骤(B2)具体包括：

(B2.1)计算椭圆形点阵边界上任意两点间坐标距离其中(x_i,y_i)和(x_j,y_j)为椭圆形点阵边界上的点；取最大值d_max＝2b/δ计算出长半轴

(B2.2)计算椭圆形点阵面积之和S＝Nδ²，其中N为点阵区域包含的像素点数目；

(B2.3)计算椭圆形点阵的短半轴

上述步骤中，拟合算法为最小二乘法曲线拟合。

优选地，采用Image-J软件分析CCD图像，获取亮度最大值及所在像素坐标。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的实时测定激光探头与被照射面间距离和角度的方法具有以下优点：1、本发明公开的方法计算简单，可以达到实时的要求；2、本发明公开的方法克服了传统激光测距在10cm以下短距离的测量精度不足的缺陷。

附图说明

图1为本发明公开的方法所使用的测定系统示意图；

图2为激光探头垂直于被照射平面时的几何示意图；

图3为激光探头相对于被照射平面法线倾斜α时的几何示意图；

图4为实施例中像素点对应实物尺寸与镜头-平面间距离的关系；

图5为实施例中实际激光光斑半径与探头平面距离的关系曲线图；

图6为实施例中光斑边界判定η与光斑中心亮度的关系曲线图；

图7为实施例中光斑短长轴之比与激光入射角余弦值之间的关系曲线图；

图8为本发明公开的方法对于角度测量的准确度示意图；

图9为本发明公开的方法对于距离测量的准确度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

图1为本发明公开的方法所使用的测定系统示意图，近红外CCD1与激光带通滤光片2、相机镜头3三者中心对齐，设置于被照射平面6的上方；激光探头4照射在被照射平面上形成激光光斑5，近红外CCD1通过相机镜头3拍摄光斑5的图像，通过分析光斑的CCD图像，计算其大小和形状参数，进而获取激光探头4与被照射平面6间的距离和角度。

一种利用监测CCD实时测定激光探头与被照射面间距离和角度的方法，包括：步骤A、获取硬件固定参数；步骤B、实时测定激光探头与被照射面间距离和角度。

步骤A是在测量前获取硬件固定参数，包括如下步骤：

(A1)确定激光检测CCD获取的图像中每个像素边长对应的实物边长δ与镜头到被照射平面间距离l的关系δ＝f(l)，具体包括步骤(A1.1)至(A1.3)：

(A1.1)测量实物的某一边长k；

(A1.2)变换镜头到被照射平面间距离组成集合L{l₁,l₂,...,l_n}，获取不同距离下的CCD图像，并计算不同CCD图像中实物的边长所占像素个数，组成集合P{p₁,p₂,...,p_n}；其中n为获取的样本个数；

(A1.3)采用拟合算法确定l_i与之间的关系δ＝f(l)，其中i＝1,2,..,n。

(A2)获取激光出光口光束半径r₀和激光光源发散角θ，获取CCD图像中光斑边界与光斑中心亮度比η与光斑中心亮度s_o之间的关系η＝g(s_o)；

几何模型如图2所示。当激光探头垂直于被照射平面时，光斑为圆形，其半径为r，可以通过测量得到；激光光束从出光口发出，照射到被照射平面上，光束为圆台形，出光口光束半径为r₀；激光光源发散角，即圆台状光束母线与光中轴线间夹角为θ，激光出光口与被照射平面间距离为h，如图2所示，有r＝r₀+htanθ成立。

(A2.1)固定镜头-被照射平面距离l，固定激光发射功率，激光出光口与被照射平面保持垂直，二者间距离为h，测量光斑的半径r，并获取CCD图像；

(A2.2)在获取的CCD图像中，搜索亮度最大的点为光斑中心o，其亮度为s_o；

(A2.3)根据δ＝f(l)获取每个像素边长对应的实物边长δ，根据(A2.1)中测量的光斑的半径r计算光斑半径的像素长度

(A2.4)根据及光斑中心o的像素坐标，获取CCD图像中光斑边界，在光斑边界上采集m个点并获取其亮度值，计算m个亮度值的均值光斑边界与光斑中心亮度比

(A2.5)改变激光出光口与被照射平面间距离h，重复步骤(A2.1)至(A2.4)，获取多对(r,h)值和(η,s_o)值，根据r＝r₀+htanθ采用拟合算法计算出激光出光口光束半径r₀和激光光源发散角θ的值；采用曲线拟合算法获取η与s_o的关系：η＝g(s_o)。

步骤B是实时测量时的步骤，当激光相对于被照射面法线倾斜α角照射平面时，由圆锥曲线知识可知光斑为椭圆形，其短半轴、长半轴长度分别为a、b，几何模型如图3所示，其中右图为左图的纵切图。图3中激光中轴线为FH，与被照射平面相交于点H，线段FH的长度即为激光探头中心与被照射平面间距离h′，即|FH|＝h′；FH与被照射平面法线夹角为α，CD为光斑长轴2b，虚线圆为椭圆光斑在垂直于激光中轴线且过点D的平面上的投影，其圆心为点G，其直径DE即为椭圆光斑的短轴2a，AB为激光出光口处光束直径，其长度为2r₀。

由几何关系有：

解得：

步骤B具体包括如下步骤：

(B1)获取光斑所在区域的CCD图像，确定光斑区域R；在获取的CCD图像中搜索亮度的最大值s_max，根据η＝g(s_o)获取当前的光斑边界与光斑中心亮度比η＝g(s_max)，亮度值不小于s_max*η的区域为亮度区域；

(B2)获取光斑区域R的点阵图像，计算椭圆点阵的短半轴a和长半轴b；

本实施例中采用另一种方法，包括步骤(B2.1)至(B2.3)：

(B2.1)计算椭圆形点阵边界上任意两点间坐标距离其中(x_i,y_i)和(x_j,y_j)为椭圆形点阵边界上的点；取最大值d_ma,＝2b/δ计算出长半轴

(B2.2)计算椭圆形点阵面积之和S＝Nδ²，其中N为点阵区域包含的像素点数目；

(B2.3)计算椭圆形点阵的短半轴

计算得到椭圆形光斑点阵的短半轴a和长半轴b后，根据式(2)和(3)即可得到激光探头与被照射平面法线所夹锐角α及距离h′。

下面以一现有荧光导航设备的部分部件为例对本发明的技术方案进行说明。

激光监测CCD为一1360×1024像素的近红外黑白CCD，其镜头与CCD之间安装只允许激光通过的带通滤光片，通过测量不同的镜头-被照射平面距离下相机视野对应的实际物体大小，来获得每个像素的边长对应实物边长δ与镜头-被照射平面间距离的关系(不同距离下需对焦至最清晰方可测量)。如图4所示，其线性关系为δ＝1.56313×10^-4d_cam-obj-1.46458×10^-5，其中d_cam-obj表示镜头到被照射平面间距离，δ、d_cam-obj单位均为cm。

如图5所示，光斑半径与激光出光口到被照射平面间距离具有线性关系；η＝g(s_o)则为非线性函数，如图6所示。按照步骤(A2)计算的激光出光口光束半径r₀、激光光源发散角θ、CCD图像中光斑边界与光斑中心亮度比η分别为：

r₀＝0.100445cm，tanθ＝0.01649，

其中s_max为光斑中心亮度。

为了验证本发明方法的效果，进行了以下验证实验：

1.改变激光入射角度，根据η＝g(s_o)关系确定光斑边界，测量相机中光斑图像短轴长轴之比，验证结果如图7所示，cosα与平均相差5％以内。

2.将激光探头以0至60°之间任一角度、2-10cm之间任一距离照射被照射面，相机固定镜头于50cm处，测量实际角度与距离，再采用本发明公开的方法计算出角度和距离，得出计算结果相对实际测量值的准确度。结果如图8、9所示，角度余弦计算相对误差小于5％，距离计算结果相对误差误差小于7％。

本发明中拟合算法采用最小二乘法曲线拟合，采用Image-J软件分析CCD图像，获取其CCD读数，即灰阶亮度值。