一种基于光学扫描的心磁图配准系统与方法

本发明属于生物医学工程领域，具体涉及一种基于光学扫描的心磁图配准系统与方法。

背景技术：

1、心磁图(mcg)是一种非接触式的功能成像技术，它通过测量心脏活动产生的电生理信息来研究心脏活动状态，具有无创、无辐射、灵敏度高、特异性强等优点。临床研究表明，mcg在心肌缺血、胎儿心脏病、心律失常等疾病的早期诊断方面具有重要的临床应用价值。

2、mcg三维成像是一种重要的mcg分析方法，通过配准将mcg信息同人体结构影像信息进行融合，重建心脏电生理活动，精准定位病灶点，用于后续临床诊断与分析。

3、目前广泛使用的配准方法是使用基于电磁数字化仪(polhemus，colchester,vt)的传感器位置指示器(spi)完成人体躯干标记物及传感器阵列的数字化，实现传感器阵列与人体影像结构的对齐。虽然电磁数字化仪理论精度很高，但在实际使用中，定位线圈的校准、位置方向等先验信息的准确性、操作员的熟练程度等均会影响定位精度，且整个数字化过程非常耗时。降低配准数字化过程引入的误差、提升配准精度与效率以实现更高的源定位准确性和重复性是mcg成像领域迫切待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为克服现有方法的不足，本发明提供了一种基于光学扫描的心磁图配准系统与方法，快速精准地完成心磁图配准过程。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于光学扫描的心磁图配准系统，包括床体配准模块、ct影像配准模块，所述床体配准模块包括第一弧形标记物及位于第一弧形标记物上方的圆柱形+半球形标记，第一弧形标记物两侧带有l型底座，所述ct影像配准模块包括第二弧形标记物及位于第二弧形标记物上方的圆柱形+半球形标记，床体配准模块与ct影像配准模块均为无磁性光敏树脂材料。

4、进一步地，包括mcg成像设备，所述mcg成像设备包括磁屏蔽桶，床体，mcg原子磁强计阵列面板，原子磁强计及mcg成像设备上位机系统，所述mcg原子磁强计阵列面板通过mcg成像设备上位机系统调节高度，床体可放置床体配准模块。

5、进一步地，包括手持式光学扫描仪及上位机系统，进行mcg采集前，在受试者身体侧放置ct影像配准模块，减少呼吸运动影响。手动扫描床体配准模块和ct影像配准模块。

6、进一步地，包括ct扫描设备，进行ct扫描时需采集ct影像配准模块信息。

7、进一步地，所述床体配准模块和ct影像配准模块均通过主成分分析法和迭代最近邻点法(pca-icp)进行配准。

8、本发明还提供了一种心磁图配准方法，包括以下步骤：

9、步骤1：受试者平躺在床体上，并在床体固定位置处布置床体配准模块；

10、步骤2：根据受试者腰围尺寸，在受试者身体两侧合适位置布置ct影像配准模块，使其与人体紧密贴合；

11、步骤3：启动手持式光学扫描仪，快速完成床体配准模块和ct影像配准模块扫描，并通过上位机系统处理封装扫描数据，保存为扫描点云数据文件；

12、步骤4：将受试者送入磁屏蔽筒，使用mcg成像设备上位机系统控制mcg原子磁强计阵列面板升降至合适人体的高度并记录高度为h；

13、步骤5：mcg成像设备开始采集mcg信号并保存为basedate文件；

14、步骤6：心磁信号采集完毕后，受试者佩戴ct影像配准模块进行ct影像扫描，获得人体结构影像，保存为dicom文件。对ct影像进行分割与三维重建，获得ct三维重建模型；

15、步骤7：从扫描点云数据文件中提取床体配准模块点云，将床体配准模块点云与mcg成像设备中床体配准模块模型通过pca-icp算法进行配准，获得转换矩阵t1；

16、步骤8：从扫描点云数据文件中提取ct影像配准模块点云，将ct配准模块点云与从ct三维重建模型获取的ct影像配准模块模型通过pca-icp算法进行配准，获得转换矩阵t2；

17、步骤9：mcg原子磁强计阵列面板上的传感器相较于mcg成像设备的位置与方向在设备设计过程中已知，对传感器的位置和方向分别应用高度h和转换矩阵t＝t2*t1，最终得到传感器相对于ct影像的位置与方向。

18、进一步地，所述步骤7中，床体配准模块点云与mcg成像设备中床体配准模块模型通过pca算法进行粗配准，具体方法为：对于mcg成像设备模型中已知位置的床体配准模块，以第一弧形标记物中心为原点建立坐标系p1-u1v1w1，对第一弧形标记物轮廓进行pca分析，获得三个特征向量对应的特征值为λ1＞λ2＞λ3，对应于p1u1方向，对应于p1v1方向，对应于p1w1方向，p1u1、p1v1、p1w1方向分别为三个主成分的方向；对于床体配准模块点云，以第一弧形标记物中心为原点建立坐标系p2-u2v2w2，床体配准模块点云的x轴方向与p2u2一致，y轴方向与p2v2一致，z轴方向与p2w2一致；将坐标系p1-u1v1w1和p2-u2v2w2进行配准，作为床体配准模块点云与mcg成像设备中床体配准模块模型的粗配准结果，然后再使用icp算法进行精配准。

19、进一步地，所述步骤8中，从扫描点云数据中提取ct影像配准模块点云，将ct影像配准模块点云与从ct三维重建模型获取的ct影像配准模块模型通过pca算法进行粗配准，具体方法为，对于ct影像配准模块点云，以第二弧形标记物中心为原点建立坐标系q1-u1′v1′w1′，对第二弧形标记物轮廓进行pca分析，获得三个特征向量对应的特征值为λ1′＞λ2′＞λ3′，对应于q1u1′方向，对应于q1v1′方向，对应于q1w1′方向，q1u1′、q1v1′、q1w1′方向分别为三个主成分的方向；对于ct影像配准模块模型，以第二弧形标记物中心为原点建立坐标系q2-u2′v2′w2′，ct的x轴方向与q2w2′一致，ct的y轴与q2u2′一致，ct的z轴与q2v2′一致；将坐标系q1-u1′v1′w1′和坐标系q2-u2′v2′w2′进行配准，作为扫描点云数据与ct影像的粗配准结果，然后再使用icp算法进行精配准。

20、本发明相对于现有技术优势在于：

21、本发明开发了两种可拆卸的配准模块，通过手持式光学扫描仪对配准模块进行数字化，操作流程简单易学；通过pca-icp算法完成自动配准，大幅提升了配准精度和效率，推动后续mcg的医学研究与应用。

技术特征：

1.一种基于光学扫描的心磁图配准系统，其特征在于，包括床体配准模块和ct影像配准模块；所述床体配准模块包括第一弧形标记物及两侧l型底座，所述ct影像配准模块包括第二弧形标记物，形状与床体配准模块的第一弧形标记物一致，所述床体配准模块与ct影像配准模块均为无磁性光敏树脂材料。

2.根据权利要求1所述的基于光学扫描的心磁图配准系统，其特征在于，还包括mcg成像设备，所述mcg成像设备包括磁屏蔽桶，床体，mcg原子磁强计阵列面板，原子磁强计及mcg成像设备上位机系统，所述mcg原子磁强计阵列面板通过mcg成像设备上位机系统调节高度。

3.根据权利要求1所述的基于光学扫描的心磁图配准系统，其特征在于，还包括手持式光学扫描仪及上位机系统，mcg采集前，在受试者身体侧放置ct影像配准模块，在床体上布置床体配准模块，利用手持式光学扫描仪手动扫描床体配准模块和ct影像配准模块。

4.根据权利要求1所述的基于光学扫描的心磁图配准系统，其特征在于，还包括ct扫描设备，所述ct扫描设备进行ct扫描采集ct影像配准模块结构信息。

5.根据权利要求1所述的基于光学扫描的心磁图配准系统，其特征在于，所述床体配准模块和ct影像配准模块通过主成分分析法和迭代最近邻点法pca-icp进行配准。

6.一种基于光学扫描的心磁图配准方法，应用于权利要求1-5任一项所述的配准系统，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的心磁图配准方法，其特征在于，所述步骤7中，床体配准模块点云与mcg成像设备中床体配准模块模型通过pca算法进行粗配准，具体方法为：对于mcg成像设备模型中已知位置的床体配准模块模型，以第一弧形标记物中心为原点建立坐标系p1-u1v1w1，对第一弧形标记物轮廓进行pca分析，获得三个特征向量对应的特征值为λ1＞λ2＞λ3，对应于p1u1方向，对应于p1v1方向，对应于p1w1方向，p1u1、p1v1、p1w1方向分别为三个主成分的方向；对于床体配准模块点云，以第一弧形标记物中心为原点建立坐标系p2-u2v2w2，床体配准模块点云的x轴方向与p2u2一致，y轴方向与p2v2一致，z轴方向与p2w2一致；将坐标系p1-u1v1w1与坐标系p2-u2v2w2进行配准，作为床体配准模块点云与mcg成像设备中床体配准模块模型的粗配准结果，然后再使用icp算法进行精配准。

8.根据权利要求6所述的心磁图配准方法，其特征在于，所述步骤8中，从扫描点云数据中提取ct影像配准模块点云，将ct影像配准模块点云与从ct三维重建模型获取的ct影像配准模块模型通过pca算法进行粗配准，具体方法为，对于ct影像配准模块点云，以第二弧形标记物中心为原点建立坐标系q1-u1′v1′w1′，对第二弧形标记物轮廓进行pca分析，获得三个特征向量对应的特征值为λ1′＞λ2′＞λ3′，对应于q1u1′方向，对应于q1v1′方向，对应于q1w1′方向，q1u1′、q1v1′、q1w1′方向分别为三个主成分的方向；对于ct影像配准模块模型，以第二弧形标记物中心为原点建立坐标系q2-u2′v2′w2′，ct的x轴方向与q2w2′一致，ct的y轴与q2u2′一致，ct的z轴与q2v2′一致；将坐标系q1-u1′v1′w1′和坐标系q2-u2′v2′w2′进行配准，作为扫描点云数据与ct影像的粗配准结果，然后再使用icp算法进行精配准。

技术总结本发明提供了一种基于光学扫描的心磁图配准系统与方法，系统包括床体配准模块、CT影像配准模块。所述床体配准模块包括第一弧形标记物及L型底座，所述CT影像配准模块包括第二弧形标记物，形状与床体配准模块的第一弧形标记物一致，所述床体配准模块与CT影像配准模块均为无磁性光敏树脂材质。心磁图(MCG)采集前使用手持式光学扫描仪对两种配准模块进行数字化，根据床体配准模块对齐传感器阵列坐标系与人体坐标系，CT扫描时获取受试者躯干部分影像结构，根据CT影像配准模块对齐人体坐标系与CT坐标系。对应的，本发明还提供了与该系统对应的配准方法，显著提升了MCG配准流程效率和精度，推进了后续MCG的医学研究与应用。技术研发人员：向岷,刘展易,刘刚,杨艳菲,王瑞喆,王艳梅受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11