一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法及系统与流程

1.本发明涉及电外科领域，尤其涉及一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法及系统。


背景技术：

2.在现有心脏内科导管介入手术中，通过取得导管在心内膜上的实时位置信号，可以构建一个三维的心腔模型，同时显示导管的实时位置，而更换不同视角以观察不同的心脏区域，调整视角的操作类似于普通三维软件的操作，往往为了观察感兴趣的心腔区域，需要花费很多时间进行视角的调整。
3.经专利文献检索，cn108720921a发明专利申请公开了一种在导管消融期间视角的自动调整和跟踪方法，通过检测消融目标，并通过预先的设置来控制三维视图的视角，实质上是通过消融目标位置来控制视角。
4.cn109715103a发明专利申请涉及一种远程操作机器人导管插入术的装置，其使用了一种mr安全的机器人本体和致动器，从而允许远程控制器控制所述致动器的工作以便远程操纵病人体内或体外的导管，进而得到mr术中图像，但上述发明重点在于实时mr操控和定位，而非三维成像。尽管该发明提到了内窥视图，但没有对视图的三维形式、来源做进一步说明，且没有在该视图基础上进一步操作的说明。
5.cn104127243a发明申请了一种心脏介入式磁导航系统的导管防颤控制方法，该控制方法为根据导管当前姿态和下一目标姿态之间的角差值，找到一条适合导管改变姿态遵循的轨迹，使得导管在姿态变换过程中始终处于姿态可控状态，该防颤方法是用于控制并不是用于三维视图的显示。


技术实现要素：

6.本发明为克服现有技术的不足，提供一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法。
7.一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法包含如下步骤：
8.s1、接收导管及电极位置；
9.s2、根据当前视角及接收到的导管及电极位置计算新视角；
10.s3、基于新视角和当前视角进行防抖计算；
11.s4、基于防抖后的新视角调整三维视图摄像机的位置和角度。
12.一种基于导管视角的三维视图防抖和调整系统包含：
13.信号处理模块，用于接收并处理导管及电极位置的信号，并提供到显示装置上；
14.计算机处理模块，用于连续接收信号处理模块获取的导管上电极的位置信息，计算并实时显示三维成像图和导管位置，并提供到显示装置上供观察调整。
15.本发明相比现有技术的有益效果是：
16.传统中更换不同视角以观察不同的心脏区域，调整视角的操作类似于普通三维软
件的操作，往往为了观察感兴趣的心腔区域，需要花费很多时间进行视角的调整。本发明在视觉装置上显示三维结构图的某个跟踪视角，通过指定特定导管，以导管方位计算视角参数，并进行防抖和调整计算的叠加，以计算出的视角显示导管的实时位置，方便特定区域的观察，大大降低人工调整视角的时间和延迟。
17.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
18.图1为本发明基于导管视角的三维视图防抖和调整方法的流程图；
19.图2为本发明实施例中基于导管视角的三维视图防抖和调整系统图
20.图3为本发明实施例中基于三维视图视角及参数图；
21.图4为本发明实施例中三维视图视角计算流程图；
22.图5为本发明实施例系统构建的三维心脏模型图。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
24.结合图1说明，一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法包含如下步骤：
25.s1：接收导管及电极位置；
26.s2：根据当前视角及接收到的导管及电极位置计算新视角；
27.s3：基于新视角和当前视角进行防抖计算；
28.s4：基于防抖后的新视角调整三维视图摄像机的位置和角度。
29.本发明在防抖和视角调整过程中，启用跟踪模式会直接切换三维显示视角到导管视角，而禁用跟踪模式则保持最后一次的导管跟踪视角，从而允许通过启用再禁用跟踪模式，一次性的切换到导管视角。启用导管视角跟踪模式后，会根据接收到的导管和电极位置信息连续调整视角，接收和调整循环往复，一次完整的调整和防抖视角的过程如图1所示，
30.进一步地，在步骤s1中所接收的位置是每个导管上每个电极所在的实时位置，位置坐标均已转换为和建模得到的3d模型相同的坐标系。这些信息是之后新视角计算的基础。
31.基于上述实施方案，步骤s2的计算导管的新视角，是在每次调整视角之前，当前正在显示的三维模型有一个视角，记为当前视角，为了保持画面稳定，当前视角的向上矢量保持不变。根据实时的导管和电极位置计算新的视角的计算方法可以有多种，例如根据导管头端电极1和电极2的位置，计算一个方向矢量，以这个方向矢量作为新的视角方位，本实施方案的一个实施案例中，如图3所示的流程进行三维视图视角计算：
32.步骤s2中新视角的计算过程为：
33.s2-1、获取摄像机当前向上矢量；
34.s2-2、获取导管电极1和电极2位置，根据电极1位置计算摄像机目标点位置；
35.s2-3、根据电极1和电极2位置计算投影方向，并做归一化处理；
36.s2-4、计算投影方向和向上矢量的叉乘，判断向上矢量是否和新的投影方向平行；
37.s2-5、如果平行，调整向上矢量为标准矢量；
38.s2-6、根据用户指定的缩放系数计算原点位置；
39.s2-7、计算平移矢量，并根据用户指定的夹角计算新的原点位置；
40.s2-8、完成新视角的计算，进入防抖计算。
41.其中步骤s2的计算过程，需要使用三维视图的当前视角，因为导管和电极的位置，并不能完全确定视角的所有参数，使用当前视角作为辅助输入参数，可以确保视角不会发生大的变化，从而避免引起视图画面的大的抖动。
42.本实施方案的另一个实施案例中，可指定导管不同的电极，比如电极1和电极4(末端电极)，亦或者是根据多个电极综合取值来计算方向矢量。
43.本实施方案的另一个实施案例中，预定义一个夹角可以将视角方向调整为与电极指向方位有指定夹角的方位，方便对感兴趣的区域进行观察。也可通过控制，随时调整夹角的大小，方便从不同的角度进行显示。
44.由于导管位置连续变化，操作者启用导管跟踪，为了防止导管位置变化导致视角过快变化，可以增加防抖设计，防抖的方法有多种，例如：可计算新的方位和原先方位的角度变化，只在超过特定阈值时，才启用新的方位，或者也可采用移动平算算法或是指数平均算法。
45.本实施方案的一个实施案例中，在步骤s3中，使用指数平均算法计算防抖后的视角，方法如下：所述步骤s3的防抖计算过程为：
46.记录最近n次的视角参数p，n可以由用户指定，s为防抖处理后的视角参数；
47.s0＝p048.s
t
＝α*p
t
+(1-α)*s
t-1
49.{0＜α＜1}
50.其中，s0表示防抖计算后的视角初值、p0表示防抖计算前的视角初值；
51.α为指数平均系数；
52.经平滑后的视角参数s用于摄像机参数的控制
53.更进一步地，步骤s4是通过调整摄像机的向上矢量、原点和目标点参数，在计算新的摄像机参数后，并将经防抖处理后的参数应用到三维视图，即完成画面视角跟踪调整。
54.基于现有的视角，仍然可以进行进一步操作的控制，本实施方案的一个实施案例中，在导管跟踪视角启动后，仍可以调整三维图形的缩放比例，设置的详细步骤如下：
55.步骤s5，新视角下的三维图形的操作控制；具体为：
56.s5-1、获取摄像机当前投影方向；
57.s5-2、获取摄像机当前原点；
58.s5-3、获取摄像机当前目标点；
59.s5-4、计算缩放调整量；
60.s5-5、计算新的原点；
61.s5-6、计算新的目标点；
62.s5-7、设置新的原点和目标点及投影方向；
63.s5-8、重置剪切区域，即前截切面和后截切面。
64.在视觉装置上显示三维结构图的某个跟踪视角，通过指定特定导管，以导管方位
计算视角参数，并进行防抖和手动调整计算的叠加，以计算出的视角显示导管的实时位置以及导管附近心脏的3d图，方便特定区域的观察。
65.还提供一种基于导管视角的三维视图跟踪和防抖系统，其特征在于：包含
66.信号处理模块，用于接收并处理导管及电极位置的信号，并提供到显示装置上；
67.计算机处理模块，用于连续接收信号处理模块获取的导管上电极的位置信息，计算并实时显示三维成像图和导管位置，并提供到显示装置上供观察调整。
68.实施例，结合图1-图5所示，
69.一种基于导管视角的三维视图跟踪和防抖方法包含如下步骤：
70.s1、接收导管及电极位置；
71.s2、根据当前视角及接收到的导管及电极位置计算新视角；
72.s3、基于新视角和当前视角进行防抖计算；
73.s4、基于防抖后的新视角调整三维视图摄像机的位置和角度。
74.其中步骤s2的计算过程，需要使用三维视图的当前视角，因为导管和电极的位置，并不能完全确定视角的所有参数，使用当前视角作为辅助输入参数，可以确保视角不会发生大的变化，从而避免引起视图画面的大的抖动。步骤如图3所示：
75.获取摄像机当前viewup矢量，记为up；
76.获取导管电极1和电极2位置，根据电极1位置计算摄像机目标点位置，记为target；
77.根据电极1和电极2位置计算投影方向，记为dir，并做归一化处理；
78.计算dir和up的叉乘，判断up矢量是否和新的投影方向平行；
79.如果平行，调整up为标准矢量，例如(0，1，0)或(1，1，0)；
80.根据指定的缩放系数zoom计算原点位置pos；
81.计算平移矢量left，并根据用户指定的夹角计算新的原点位置。
82.进入防抖计算，步骤s3的算法是为了进一步降低因为导管移动导致的画面抖动，使用指数平均算法计算防抖后的视角，方法如下：
83.记录最近n次的视角参数p，n可以由用户指定，s为防抖处理后的视角参数；
84.s0＝p085.s
t
＝α*p
t
+(1-α)*s
t-1
86.{0＜α＜1}
87.其中，s0表示防抖计算后的视角初值、p0表示防抖计算前的视角初值；
88.其中α为指数平均系数，越小平滑效果越明显。
89.经平滑后的视角参数s，可用于摄像机参数的控制。实施例的防抖算法仅是一种示例方法，可以更改不同的防抖算法实现不同的防抖效果。
90.步骤s4的调整中，涉及三维视图里摄像机的几个控制参数，position原点402、focal point目标点403和view up向上矢量401、front clipping近剪切面404和back clipping远剪切面405，原点是摄像机的位置，目标点是摄像机对准的焦点，position和focal point一起就决定了摄像机的投影方向，view up矢量是摄像机向上的方位矢量，也就是决定了成像的旋转方位，front clipping和back clipping是对成像深度的裁剪，front clipping确保所有使用的三维像素都有有效的2d坐标。与backclipping一起，它还
有助于防止深度缓冲区值的溢出成像，这些参数决定了三维视图在二维显示装置(通常为显示器)上唯一显示结果。
91.步骤s4中在计算新的摄像机参数后，并将经防抖处理后的参数应用到三维视图，也就是调整摄像机的view up401、position402和focal point403等参数，即可达到画面视角跟踪调整的效果。
92.步骤s5中，用户基于现有的视角，仍然可以进行进一步操作的控制，本实施方案的一个实施案例中，在导管跟踪视角启动后，可以调整三维图形的缩放比例，设置的步骤如下：
93.获取摄像机当前投影方向，记为dir；
94.获取摄像机当前原点，记为pos；
95.获取摄像机当前目标点，记为foc；
96.计算zoom调整量，可以根据预置的zoom调整步长和用户输入来确定；计算新的原点，记为pos2，pos2是原先的pos沿着dir矢量平移上述zoom调整量的结果；
97.计算新的目标点，记为foc2，foc2也是原先的pos沿着dir矢量平移上述zoom调整量的结果；
98.设置新的原点和目标点及投影方向；
99.重置剪切clipping区域，即前截切面和后截切面。
100.所述步骤5的操作是基于现有的视角，进行进一步操作的控制，通过导管视角下的用户操作，可以修正自动视角导致的不确定性，操作可以是缩放、旋转等。这些操作控制与前面几个步骤相辅相成，并可以极大的方便对特定位置观察的需要。
101.上述步骤s1至s5，不断重复进行，从而达到导管实时跟踪观察效果，也提供一个开关可以开关实时跟踪，操作者可以关闭实时跟踪，在关闭跟踪后，摄像机视角保持不变，即保留最后一次跟踪时得到的视角，从而可以方便在进入导管视角后，关闭实时跟踪以避免后续的导管跟踪引起的画面视角切换，此时步骤s5仍可执行，方便操作者继续调整以观察感兴趣的区域。
102.一种基于导管视角的三维视图跟踪和防抖系统包含：
103.信号处理模块，用于接收并处理导管及电极位置的信号，并提供到显示装置上；
104.计算机处理模块，用于连续接收信号处理模块获取的导管上电极的位置信息，计算并实时显示三维成像图和导管位置，并提供到显示装置上供观察调整。
105.图2示出基于导管视角的三维视图跟踪和防抖系统图，导管在心内膜上的实时信号可以用于标测建模，信号经过信号处理模块102处理，产生心脏三维图形和激动信号联合图示，并在显示装置103(通常为显示器)上展示。标测建模是每个三维标测系统的基本功能，标测系统建模的结果是构建一个三维的心腔模型。
106.图5为本实施方案系统生成的示例三维心脏模型图，计算处理模块连续接收导管上电极的实时位置信息，可在显示三维成像图的同时亦实时显示导管位置，调整三维图像的视角以观察感兴趣的区域。通常的调整方法为通过键盘或鼠标不断调整摄像机参数，比如(如图3所示)：原点402，目标点403和向上矢量401，这样可在显示装置上看到连续的调整后的三维图像。图5中在显示装置上显示了一个典型示例的心脏特定腔室在导管视角下的三维成像图像，其中201为示例的实时定位的导管。
107.本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

技术特征：
1.一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：包含如下步骤：s1、接收导管及电极位置；s2、根据当前视角及接收到的导管及电极位置计算新视角；s3、基于新视角和当前视角进行防抖计算；s4、基于防抖后的新视角调整三维视图摄像机的位置和角度。2.根据权利要求1所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：步骤s1中所接收的位置是每个导管上每个电极所在的实时位置，位置坐标均已转换为和建模得到的3d模型相同的坐标系。3.根据权利要求1所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：步骤s2计算导管的新视角，是在每次调整视角之前，当前正在显示的三维模型有一个视角，记为当前视角，当前视角的向上矢量保持不变。4.根据权利要求3所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：步骤s2中新视角的计算过程为：s2-1、获取摄像机当前向上矢量；s2-2、获取导管电极1和电极2位置，根据电极1位置计算摄像机目标点位置；s2-3、根据电极1和电极2位置计算投影方向，并做归一化处理；s2-4、计算投影方向和向上矢量的叉乘，判断向上矢量是否和新的投影方向平行；s2-5、如果平行，调整向上矢量为标准矢量；s2-6、根据用户指定的缩放系数计算原点位置；s2-7、计算平移矢量，并根据用户指定的夹角计算新的原点位置；s2-8、完成新视角的计算。5.根据权利要求1-4任意一项所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：步骤s3的防抖计算采用移动平算算法或是指数平均算法。6.根据权利要求5所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：所述步骤s3的防抖计算过程为：记录最近n次的视角参数p，s为防抖处理后的视角参数；s0＝p0s
t
＝α*p
i
+(1-α)*s
t-1
{0＜α＜1}其中，s0表示防抖计算后的视角初值、p0表示防抖计算前的视角初值，α为指数平均系数；经平滑后的视角参数s用于摄像机参数的控制。7.根据权利要求5所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：步骤s4是通过调整摄像机的向上矢量、原点和目标点参数，并将经防抖处理后的参数应用到三维视图，即完成画面视角调整。8.根据权利要求5所述一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法，其特征在于：还包含步骤s5，新视角下的三维图形的操作控制；具体为：s5-1、获取摄像机当前投影方向；s5-2、获取摄像机当前原点；
s5-3、获取摄像机当前目标点；s5-4、计算缩放调整量；s5-5、计算新的原点；s5-6、计算新的目标点；s5-7、设置新的原点和目标点及投影方向；s5-8、重置剪切区域，即前截切面和后截切面。9.一种基于导管视角的三维视图防抖和调整系统，其特征在于：包含信号处理模块，用于接收并处理导管及电极位置的信号，并提供到显示装置上；计算机处理模块，用于连续接收信号处理模块获取的导管上电极的位置信息，计算并实时显示三维成像图和导管位置，并提供到显示装置上供观察调整。

技术总结
一种基于导管视角的三维视图防抖和调整方法及系统，它包含如下步骤：接收导管及电极位置；根据当前视角及接收到的导管及电极位置计算新视角；基于新视角和当前视角进行防抖计算；基于防抖后的新视角调整三维视图摄像机的位置和角度。防抖和调整系统包含：信号处理模块，用于接收并处理导管及电极位置的信号，并提供到显示装置上；计算机处理模块，用于连续接收信号处理模块获取的导管上电极的位置信息，计算并实时显示三维成像图和导管位置，并提供到显示装置上供观察调整。本发明在视觉装置上显示三维结构图的某个跟踪视角，以计算出的视角显示导管的实时位置，方便特定区域的观察，大大降低人工调整视角的时间和延迟。大大降低人工调整视角的时间和延迟。大大降低人工调整视角的时间和延迟。


技术研发人员：刘中书 赵永明 印浩 姜福纯 朱李军 周再丰 宋晓阳
受保护的技术使用者：上海阿法钛医疗器械有限公司
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/22