本發(fā)明屬于軟件算法設(shè)計用于醫(yī)療器械的技術(shù)領(lǐng)域范疇，特別涉及影像引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航中測定激光探頭與受照組織面間短距離內(nèi)距離和角度變化的方法。

背景技術(shù)：

目前精準醫(yī)療成為醫(yī)學界的新熱點，而以熒光導(dǎo)航手術(shù)(fluorescenceguidedsurgery)技術(shù)為特點的醫(yī)療設(shè)備正呈現(xiàn)初步階段的爆發(fā)式增長，從1995年小于50臺/年，到2005年100臺/年，再到2015年將近500臺/年，而且研發(fā)生產(chǎn)廠家也從novadaqtechnologies僅一家發(fā)展至hamamatsuphotonics、fluoptics、questmedicalimaging、visionsense等百花齊放。熒光導(dǎo)航手術(shù)技術(shù)主要利用一種名為吲哚菁綠(indocyaninegreen,icg)的近紅外熒光染料，其在人體內(nèi)受到805nm左右激發(fā)光激發(fā)后產(chǎn)生825nm左右的熒光，通過帶濾光鏡的近紅外相機對其熒光圖像進行實時拍攝，再通過軟件將其處理成偽彩的形式與可見光圖像融合，從而實現(xiàn)熒光導(dǎo)航手術(shù)技術(shù)。

國內(nèi)熒光導(dǎo)航手術(shù)設(shè)備正處于研發(fā)中，一種由聶書明等人發(fā)明的帶有手持筆式激光探頭的設(shè)備以其對于icg濃度檢測的超高靈敏度而受到全世界該領(lǐng)域的廣泛關(guān)注?？烧且驗樵撌殖质郊す馓筋^的超高靈敏度，一些問題也伴隨而來，其中一點就是熒光光譜或近紅外ccd(chargecoupleddevice，電荷耦合器件)信號會因為探頭距離遠近和激光入射角度的變化而發(fā)生明顯變化，影響其判斷依據(jù)的科學性和準確性。因為該手持式激光探頭工作距離只有2-10厘米，傳統(tǒng)的脈沖激光測距儀的精度取決于時間測量的精度，電子器件固有的對信號響應(yīng)的延遲制約著時間測量的精度下限，因而其對于短距離激光測距只能在30-200厘米內(nèi)結(jié)果可信。激光測距的最新技術(shù)多頻干涉法(multipleself-mixinginterferometry，msmi)可在2.2-23cm范圍內(nèi)測量誤差不大于0.27cm，但此方法利用的是反射光干涉會引起激光器內(nèi)腔中激光波長的漂移，只適用于理想的環(huán)境，對于熒光影像導(dǎo)航這樣本身就可能產(chǎn)生其他波長光的環(huán)境，很可能效果不如預(yù)期。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明公開了一種利用監(jiān)測ccd實時測定激光探頭與被照射面間距離和角度的方法，該方法利用激光光斑成像的大小和形狀信息，結(jié)合預(yù)先測得的探頭激光光源本身的發(fā)散角和出光口光束半徑等硬件參數(shù)，計算出激光探頭與被照射面間的距離和角度，實現(xiàn)實時提供距離和角度參數(shù)的作用，給熒光導(dǎo)航手術(shù)中信號可靠性判斷提供依據(jù)。

技術(shù)方案：本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種利用監(jiān)測ccd實時測定激光探頭與被照射面間距離和角度的方法，包括如下步驟：

步驟a、獲取硬件固定參數(shù)：

(a1)確定激光檢測ccd獲取的圖像中每個像素邊長對應(yīng)的實物邊長δ與鏡頭到被照射平面間距離l的關(guān)系δ＝f(l)；

(a2)獲取激光出光口光束半徑r0和激光光源發(fā)散角θ，獲取ccd圖像中光斑邊界與光斑中心亮度比η；

步驟b、實時測定激光探頭與被照射面間距離和角度：

(b1)獲取光斑所在區(qū)域的ccd圖像，確定光斑區(qū)域r；

(b2)獲取光斑區(qū)域r的點陣圖像，計算橢圓點陣的短半軸a和長半軸b；

(b4)計算激光與被照射平面法線所夾銳角α，cosα＝a/b；

(b5)計算激光探頭中心與被照射平面間距離h′：

具體地，所述步驟(a1)具體包括：

(a1.1)測量實物的某一邊長k；

(a1.2)變換鏡頭到被照射平面間距離組成集合l{l1,l2,...,ln}，獲取不同距離下的ccd圖像，并計算不同ccd圖像中實物的邊長所占像素個數(shù)，組成集合p{p1,p2,...,pn}；其中n為獲取的樣本個數(shù)；

(a1.3)采用擬合算法確定li與之間的關(guān)系δ＝f(l)，其中i＝1,2,..,n。

所述步驟(a2)包括如下步驟：

(a2.1)固定鏡頭-被照射平面距離l，固定激光發(fā)射功率，激光出光口與被照射平面保持垂直，二者間距離為h，測量光斑的半徑r，并獲取ccd圖像；

(a2.2)在獲取的ccd圖像中，搜索亮度最大的點為光斑中心o，其亮度為so；

(a2.3)根據(jù)δ＝f(l)獲取每個像素邊長對應(yīng)的實物邊長δ，根據(jù)(a2.1)中測量的光斑的半徑r計算光斑半徑的像素長度

(a2.4)根據(jù)及光斑中心o的像素坐標，獲取ccd圖像中光斑邊界，在光斑邊界上采集m個點并獲取其亮度值，計算m個亮度值的均值光斑邊界與光斑中心亮度比

(a2.5)改變激光出光口與被照射平面間距離h，重復(fù)步驟(a2.1)至(a2.4)，獲取多對(r,h)值和(η,so)值，根據(jù)r＝r0+htanθ采用擬合算法計算出激光出光口光束半徑r0和激光光源發(fā)散角θ的值；采用曲線擬合算法獲取η與so的關(guān)系：η＝g(so)。

所述步驟(b1)具體為：在獲取的ccd圖像中搜索搜索亮度的最大值smax，根據(jù)η＝g(so)獲取當前的光斑邊界與光斑中心亮度比η＝g(smax)，亮度值不小于smax*η的區(qū)域為亮度區(qū)域。

優(yōu)選地，所述步驟(b2)具體包括：

(b2.1)計算橢圓形點陣邊界上任意兩點間坐標距離其中(xi,yi)和(xj,yj)為橢圓形點陣邊界上的點；取最大值dmax＝2b/δ計算出長半軸

(b2.2)計算橢圓形點陣面積之和s＝nδ²，其中n為點陣區(qū)域包含的像素點數(shù)目；

(b2.3)計算橢圓形點陣的短半軸

上述步驟中，擬合算法為最小二乘法曲線擬合。

優(yōu)選地，采用image-j軟件分析ccd圖像，獲取亮度最大值及所在像素坐標。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的實時測定激光探頭與被照射面間距離和角度的方法具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明公開的方法計算簡單，可以達到實時的要求；2、本發(fā)明公開的方法克服了傳統(tǒng)激光測距在10cm以下短距離的測量精度不足的缺陷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明公開的方法所使用的測定系統(tǒng)示意圖；

圖2為激光探頭垂直于被照射平面時的幾何示意圖；

圖3為激光探頭相對于被照射平面法線傾斜α時的幾何示意圖；

圖4為實施例中像素點對應(yīng)實物尺寸與鏡頭-平面間距離的關(guān)系；

圖5為實施例中實際激光光斑半徑與探頭平面距離的關(guān)系曲線圖；

圖6為實施例中光斑邊界判定η與光斑中心亮度的關(guān)系曲線圖；

圖7為實施例中光斑短長軸之比與激光入射角余弦值之間的關(guān)系曲線圖；

圖8為本發(fā)明公開的方法對于角度測量的準確度示意圖；

圖9為本發(fā)明公開的方法對于距離測量的準確度示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明公開的方法所使用的測定系統(tǒng)示意圖，近紅外ccd1與激光帶通濾光片2、相機鏡頭3三者中心對齊，設(shè)置于被照射平面6的上方；激光探頭4照射在被照射平面上形成激光光斑5，近紅外ccd1通過相機鏡頭3拍攝光斑5的圖像，通過分析光斑的ccd圖像，計算其大小和形狀參數(shù)，進而獲取激光探頭4與被照射平面6間的距離和角度。

一種利用監(jiān)測ccd實時測定激光探頭與被照射面間距離和角度的方法，包括：步驟a、獲取硬件固定參數(shù)；步驟b、實時測定激光探頭與被照射面間距離和角度。

步驟a是在測量前獲取硬件固定參數(shù)，包括如下步驟：

(a1)確定激光檢測ccd獲取的圖像中每個像素邊長對應(yīng)的實物邊長δ與鏡頭到被照射平面間距離l的關(guān)系δ＝f(l)，具體包括步驟(a1.1)至(a1.3)：

(a1.1)測量實物的某一邊長k；

(a1.2)變換鏡頭到被照射平面間距離組成集合l{l1,l2,...,ln}，獲取不同距離下的ccd圖像，并計算不同ccd圖像中實物的邊長所占像素個數(shù)，組成集合p{p1,p2,...,pn}；其中n為獲取的樣本個數(shù)；

(a1.3)采用擬合算法確定li與之間的關(guān)系δ＝f(l)，其中i＝1,2,..,n。

(a2)獲取激光出光口光束半徑r0和激光光源發(fā)散角θ，獲取ccd圖像中光斑邊界與光斑中心亮度比η與光斑中心亮度so之間的關(guān)系η＝g(so)；

幾何模型如圖2所示。當激光探頭垂直于被照射平面時，光斑為圓形，其半徑為r，可以通過測量得到；激光光束從出光口發(fā)出，照射到被照射平面上，光束為圓臺形，出光口光束半徑為r0；激光光源發(fā)散角，即圓臺狀光束母線與光中軸線間夾角為θ，激光出光口與被照射平面間距離為h，如圖2所示，有r＝r0+htanθ成立。

(a2.1)固定鏡頭-被照射平面距離l，固定激光發(fā)射功率，激光出光口與被照射平面保持垂直，二者間距離為h，測量光斑的半徑r，并獲取ccd圖像；

(a2.2)在獲取的ccd圖像中，搜索亮度最大的點為光斑中心o，其亮度為so；

(a2.3)根據(jù)δ＝f(l)獲取每個像素邊長對應(yīng)的實物邊長δ，根據(jù)(a2.1)中測量的光斑的半徑r計算光斑半徑的像素長度

(a2.4)根據(jù)及光斑中心o的像素坐標，獲取ccd圖像中光斑邊界，在光斑邊界上采集m個點并獲取其亮度值，計算m個亮度值的均值光斑邊界與光斑中心亮度比

(a2.5)改變激光出光口與被照射平面間距離h，重復(fù)步驟(a2.1)至(a2.4)，獲取多對(r,h)值和(η,so)值，根據(jù)r＝r0+htanθ采用擬合算法計算出激光出光口光束半徑r0和激光光源發(fā)散角θ的值；采用曲線擬合算法獲取η與so的關(guān)系：η＝g(so)。

步驟b是實時測量時的步驟，當激光相對于被照射面法線傾斜α角照射平面時，由圓錐曲線知識可知光斑為橢圓形，其短半軸、長半軸長度分別為a、b，幾何模型如圖3所示，其中右圖為左圖的縱切圖。圖3中激光中軸線為fh，與被照射平面相交于點h，線段fh的長度即為激光探頭中心與被照射平面間距離h′，即|fh|＝h′；fh與被照射平面法線夾角為α，cd為光斑長軸2b，虛線圓為橢圓光斑在垂直于激光中軸線且過點d的平面上的投影，其圓心為點g，其直徑de即為橢圓光斑的短軸2a，ab為激光出光口處光束直徑，其長度為2r0。

由幾何關(guān)系有：

解得：

步驟b具體包括如下步驟：

(b1)獲取光斑所在區(qū)域的ccd圖像，確定光斑區(qū)域r；在獲取的ccd圖像中搜索亮度的最大值smax，根據(jù)η＝g(so)獲取當前的光斑邊界與光斑中心亮度比η＝g(smax)，亮度值不小于smax*η的區(qū)域為亮度區(qū)域；

(b2)獲取光斑區(qū)域r的點陣圖像，計算橢圓點陣的短半軸a和長半軸b；

本實施例中采用另一種方法，包括步驟(b2.1)至(b2.3)：

(b2.1)計算橢圓形點陣邊界上任意兩點間坐標距離其中(xi,yi)和(xj,yj)為橢圓形點陣邊界上的點；取最大值dma,＝2b/δ計算出長半軸

(b2.2)計算橢圓形點陣面積之和s＝nδ²，其中n為點陣區(qū)域包含的像素點數(shù)目；

(b2.3)計算橢圓形點陣的短半軸

計算得到橢圓形光斑點陣的短半軸a和長半軸b后，根據(jù)式(2)和(3)即可得到激光探頭與被照射平面法線所夾銳角α及距離h′。

下面以一現(xiàn)有熒光導(dǎo)航設(shè)備的部分部件為例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行說明。

激光監(jiān)測ccd為一1360×1024像素的近紅外黑白ccd，其鏡頭與ccd之間安裝只允許激光通過的帶通濾光片，通過測量不同的鏡頭-被照射平面距離下相機視野對應(yīng)的實際物體大小，來獲得每個像素的邊長對應(yīng)實物邊長δ與鏡頭-被照射平面間距離的關(guān)系(不同距離下需對焦至最清晰方可測量)。如圖4所示，其線性關(guān)系為δ＝1.56313×10^-4dcam-obj-1.46458×10^-5，其中dcam-obj表示鏡頭到被照射平面間距離，δ、dcam-obj單位均為cm。

如圖5所示，光斑半徑與激光出光口到被照射平面間距離具有線性關(guān)系；η＝g(so)則為非線性函數(shù)，如圖6所示。按照步驟(a2)計算的激光出光口光束半徑r0、激光光源發(fā)散角θ、ccd圖像中光斑邊界與光斑中心亮度比η分別為：

r0＝0.100445cm，tanθ＝0.01649，

其中smax為光斑中心亮度。

為了驗證本發(fā)明方法的效果，進行了以下驗證實驗：

1.改變激光入射角度，根據(jù)η＝g(so)關(guān)系確定光斑邊界，測量相機中光斑圖像短軸長軸之比，驗證結(jié)果如圖7所示，cosα與平均相差5％以內(nèi)。

2.將激光探頭以0至60°之間任一角度、2-10cm之間任一距離照射被照射面，相機固定鏡頭于50cm處，測量實際角度與距離，再采用本發(fā)明公開的方法計算出角度和距離，得出計算結(jié)果相對實際測量值的準確度。結(jié)果如圖8、9所示，角度余弦計算相對誤差小于5％，距離計算結(jié)果相對誤差誤差小于7％。

本發(fā)明中擬合算法采用最小二乘法曲線擬合，采用image-j軟件分析ccd圖像，獲取其ccd讀數(shù)，即灰階亮度值。