机械臂辅助大视场OCT三维重建系统及方法技术方案

机械臂辅助大视场OCT三维重建系统及方法，以3D结构光相机作为视觉伺服系统，系统包括7关节协作机械臂，机械臂末端固定和夹持扫描探头和3D结构光相机，采用视觉伺服系统同时采集放在工作区域的样品RGB图像和深度图像，由主机进行RGB图像和深度图像对齐，生成样品表面的点云，获得三维位置信息；用户在包含结构光相机RGB图像的图形交互界面GUI用鼠标框选扫描区域或者使用默认设置的扫描框作为扫描区域，主机根据扫描区域的大小生成光栅式的扫描路径；主机控制7关节协作机械臂沿着扫描路径均匀移动，连续采集OCT数据，用于后续的三维重建。维重建。维重建。

【技术实现步骤摘要】
机械臂辅助大视场OCT三维重建系统及方法


[0001]本专利技术涉及光电的
，尤其涉及一种机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，以及机械臂辅助大视场OCT三维重建方法。

技术介绍

[0002]光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography，简称OCT)是一种非接触、非侵入式的成像技术，能够提供生物组织内部微观结构的实时、高分辨率的断层图像和体积重建。主要应用于生物医学成像和诊断领域，弥补了共聚焦显微镜成像穿透深度低和超声波成像分辨率低的不足。同时也在农业，工业检测等领域得到了广泛的推广和应用。然而，与计算机断层扫描(CT)、超声成像相比，传统的OCT系统存在一个重要的限制，即成像视场受限，通常仅限于几毫米的范围内。
[0003]在许多生物医学应用中，需要对较大的生物样本进行全面成像和评估，例如在神经外科中，需要对大面积皮肤，血管或肿瘤进行三维重建。而现有的OCT系统往往无法满足这一需求，因为它们无法在单次采集中获得较大视场的高分辨率图像。此外，在非生物医学领域，如数字取证、材料测试和质量控制等领域，精确和非破坏地可视化大面积样本也具有重要意义。因此，扩大OCT系统的成像视场已成为该领域的研究热点。
[0004]现有的扫描式手持探头或固定式扫描仪在光学相干层析成像(OCT)系统中存在以下局限性：
[0005]1.视场受限：传统的OCT系统具有有限的成像视场，仅能覆盖较小的区域。这限制了对大尺寸样本或广泛区域的全面成像和评估能力。
[0006]2.缺乏灵活性：目前采用的解决方案，如电动位移平台，用于移动扫描仪或样本以拼接多个OCT体积进行重建，但往往受到自由度的限制，限制了扫描的灵活性。
[0007]3.操作难度大：扫描式手持探头需要操作人员手持并控制扫描过程。获得稳定一致的成像结果依赖于操作人员的专业技能和丰富经验。
[0008]4.工作环境限制：对于一些特殊位置或难以到达的区域，如深部组织或狭小空间，手持式或固定式探头的操作可能存在困难。
[0009]5.缺乏定位机制：手持扫描头在扫描过程中缺乏对其空间位置的精确定位，不利于后续的三维重建和图像配准。
[0010]6.不适用于自动化应用：传统的OCT系统通常需要人工干预和调整，无法满足需要自动化、高通量成像的应用需求。
[0011]7.视觉伺服系统精度较低：视觉伺服系统在机器人辅助大视场OCT扫描系统中占据着非常重要的地位。在扫描前如何定位扫描区域，确定扫描区域的表面地形，并回馈位置信息进行自动规划扫描路径，是实现精确获得样本OCT图像的关键。目前常用的机器人导航系统是用户级别的深度相机，精度较低(几毫米)，对于超声扫描等任务可以满足要求，然而对于OCT来说，由于其视场和成像深度较小，深度相机的精度不能满足定位导航要求。
[0012]这些局限性限制了OCT系统在大视场成像、操作便利性和自动化应用方面的应用
潜力。因此，迫切需要一种创新的解决方案，以克服这些局限性，实现更大的成像视场、增加操作灵活性、提供精确定位机制，并适应自动化需求，从而扩展OCT系统的功能和应用范围。

技术实现思路

[0013]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，其能够克服现有OCT系统的局限性，实现更大视场的成像能力，提供灵活性和精确定位机制，并满足自动化应用的需求，具有广泛的应用前景。
[0014]本专利技术的技术方案是：这种机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，其包括：一个OCT系统(8)、扫描探头(2)、7关节协作机械臂(7)、3D结构光相机(1)和主机(5)；
[0015]以3D结构光相机作为视觉伺服系统，在7关节协作机械臂末端固定和夹持扫描探头和3D结构光相机，采用视觉伺服系统同时采集放在工作区域的样品RGB图像和深度图像，由主机进行RGB图像和深度图像对齐，生成样品表面的点云，获得样品表面的三维位置信息；用户在包含结构光相机RGB图像的图形交互界面GUI用鼠标框选扫描区域或者使用默认设置的扫描框作为扫描区域，主机根据扫描区域的大小生成光栅式的扫描路径；由主机发出对7关节协作机械臂的控制指令，控制7关节协作机械臂沿着扫描路径均匀移动，进行OCT数据的连续采集，用于后续的三维重建。
[0016]本专利技术以3D结构光相机作为视觉伺服系统，在7关节协作机械臂末端固定和夹持扫描探头和3D结构光相机，采用视觉伺服系统同时采集放在工作区域的样品RGB图像和深度图像，由主机进行RGB图像和深度图像对齐，生成样品表面的点云，获得样品表面的三维位置信息；用户在包含结构光相机RGB图像的图形交互界面GUI用鼠标框选扫描区域或者使用默认设置的扫描框作为扫描区域，主机根据扫描区域的大小生成光栅式的扫描路径；由主机发出对7关节协作机械臂的控制指令，控制7关节协作机械臂沿着扫描路径均匀移动，进行OCT数据的连续采集，用于后续的三维重建。因此能够克服现有OCT系统的局限性，实现更大视场的成像能力，提供灵活性和精确定位机制，并满足自动化应用的需求。这使得本专利技术具有广泛的应用前景，可在生物医学和非生物领域中进行大面积三维OCT重建和可视化，以及其他需要高分辨率、大视场成像的应用场景。
[0017]还提供了一种机械臂辅助大视场OCT三维重建系统的方法，其包括以下步骤：
[0018](1)7关节协作机械臂移动到目标上方；
[0019](2)3D结构光相机同时采集放在工作区域的样品RGB图像和深度图像，由主机进行RGB图像和深度图像对齐，生成样品表面的点云，获得样品表面的三维位置信息；
[0020](3)用户在包含结构光相机RGB图像的图形交互界面GUI用鼠标框选扫描区域或者使用默认设置的扫描框作为扫描区域；
[0021](4)主机根据扫描区域的大小生成光栅式的扫描路径，并将坐标转换到机械臂坐标系；
[0022](5)由主机发出对7关节协作机械臂的控制指令，控制7关节协作机械臂沿着扫描路径均匀移动，进行OCT数据的连续采集，用于后续的三维重建。
附图说明
[0023]图1为根据本专利技术的机械臂辅助大视场OCT三维重建系统的组成框图，其中G为光
栅，L为聚集透镜，C为光纤准直器。
[0024]图2为扫描探头的示意图。
[0025]图3本专利技术公开的大视场扫描区域选择和扫描路径生成示意图。
[0026]图4是根据本专利技术的机械臂辅助大视场OCT三维重建方法的流程图。
具体实施方式
[0027]本专利技术的主要目的是针对传统OCT系统存在的局限性和技术问题，提出一种基于3D结构光相机的机械臂辅助大视场OCT三维重建系统。通过解决以下技术问题，本专利技术旨在实现以下目标：
[0028]克服传统OCT系统视场受限的问题。通过引入3D结构光相机和机械臂导航视觉伺服系统，实现更大视场的成像能力，覆盖广泛区域，实现对大尺寸样本或广阔区域的全面成像和评估。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，其特征在于：其包括：一个OCT系统(8)、扫描探头(2)、7关节协作机械臂(7)、3D结构光相机(1)、机械臂控制器(4)和主机(5)；以3D结构光相机作为视觉伺服系统，在7关节协作机械臂末端固定和夹持扫描探头和3D结构光相机，采用3D结构光相机同时采集放在工作区域的样品RGB图像和深度图像，由主机进行RGB图像和深度图像对齐，生成样品表面的点云，获得样品表面的三维位置信息；用户在包含结构光相机RGB图像的图形交互界面GUI用鼠标框选扫描区域或者使用默认设置的扫描框作为扫描区域，主机根据扫描区域的大小生成光栅式的扫描路径；由主机发出对7关节协作机械臂的控制指令，机械臂控制器控制7关节协作机械臂沿着扫描路径均匀移动，进行OCT数据的连续采集，用于后续的三维重建。2.根据权利要求1所述的机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，其特征在于：所述定制谱域OCT系统包括：中心波长1310nm的超辐射二级管光源(9)、短波红外光谱仪(10)、50/50光纤耦合器(11)、参考臂(12)。3.根据权利要求2所述的机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，其特征在于：在扫描探头中，光束经过准直器准直成平行光后经过微机电系统的扫描振镜MEMS(21)被偏转角度，经过物镜(25)聚集后，在样品上扫描；OCT扫描光束(26)扫描范围4.2mm，扫描探头集成一个RGB相机(24)，相机光路和OCT光路被二向色镜(22)分光；所述二向色镜为截止波长950nm的长波通二向色镜，1310nm的OCT红外光通过，相机的可见光反射；扫描探头的光学器件被固定在3D打印树脂外壳中，通过3D打印转接件与7关节协作机械臂末端连接。4.根据权利要求3所述的机械臂辅助大视场OCT三维重建系统，其特征在于：样本放置于3D结构光下方成像区域中，成像距离400mm，成像范围230mm
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150mm，通过3D结构光相机获得被检测皮肤表面各点到相机的距离，该距离的精度为0.03mm或更高；采用3D结构光相机将实时获取的RGB图像和深度图像经过内参标定后，融合生成样品表面的点云；用户在GUI界面使用鼠标框选扫描区域，主机分割出扫描区域，根据扫描区域的范围生成间隔4mm的扫描路径，保证俩条扫描路径之间有足够的重叠；将扫描路径经过3D结构光相机和机械臂的手眼坐标标定后，转换成机械臂坐标系下的坐标而生成机械臂的扫描路径；机械臂夹持探头沿着扫描路径匀速移动依次到达扫描路径中的扫描点，并采集OCT B
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scan图像；在扫描过程中，探头始终保持向下的方向，并且探头一直与样品表面保持固定高度；扫描完成后，根据每个OCT B
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scan的空间位置，将像素点映射到真实空间中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄勇，李晓晨，郝群，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：