【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及胎儿功能成像领域，具体涉及一种用于胎儿功能成像的无磁柔性传感器阵列配准方法及设备。
技术介绍
1、胎儿是人类生命的起源和未来，胎儿的健康状况直接关系到母亲和家庭的幸福。然而，胎儿在母体内的生长发育过程中涉及的生理功能、神经发育、代谢活动等都难以用传统的方法进行评估和监测。因此，对孕妇腹部胎儿使用功能成像技术是现代医学检测胎儿健康状况，及时发现和预防胎儿先天性异常、缺氧缺血性损伤等问题的重要依据，该技术的正常运行与更新发展为胎儿的健康提供重要的信息和保障。
2、胎儿功能成像受到母体多种生理组织的影响，如羊水、胎盘、子宫壁等，这些因素会对信号产生衰减和干扰，降低信号质量和可靠性。因此负责采集生理信号的传感器不仅要尽量贴近体表，还要摆放在合适的位置，以获得更高信噪比的信号、更精准源位置，从而精确溯源定位、功能成像。
3、目前人体功能成像技术中常用的传感器大多使用固定的硬性阵列，如头盔、squid(超导量子干涉仪)、电极帽等。对于孕妇和胎儿，固定的硬性传感器阵列适用性较低，因为怀孕周期的差异，孕妇和胎儿的体型和形态都在不断变化，且孕妇和胎儿对于外界刺激都比较敏感，硬性阵列不仅影响传感器测量信噪比，难以精确配准等问题，更重要的是可能会给她们带来不适甚至伤害。
4、因此有必要设计一种由柔软材料制成的可变形、可弯曲的传感器阵列及其配准流程，可以自由地贴合于任意形状的表面，提高与体表的接触面积和贴合度，从而提高信噪比和定位精度，以改善传统的传感器阵列布局，解决因个体差异造成的成像、溯源定位问题。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决上述技术问题，以胎儿弱磁为示例成像信号提出了如下技术方案：
2、第一方面，本专利技术实施例提供了一种用于胎儿功能成像的无磁柔性传感器阵列配准方法，所述方法包括：将无磁柔性阵列结构进行3d扫描并预处理后得到点云数据，构建近邻索引关系矩阵；结合点云数据、近邻索引关系矩阵和传感器探头插入情况，使用点云生长法，获取传感器阵列所置平滑区域范围；通过平滑区域范围点云数据计算传感器探头相对空间位置与方向信息；通过柔性阵列与人体表面结构数据，计算变换矩阵，将传感器探头相对空间位置与方向信息进行配准。
3、采用上述实现方式，使传感器可自由地贴合于任意形状的表面，提高与体表的接触面积和适配度，缩短测量距离，提高信号信噪比，同时获取了精确的传感器相对位置和方向信息，有效地解决了功能成像领域，以孕妇胎儿为典型的因被试者个体化差异引起的阵列与受试者体表不匹配、传感器信噪比低、位置配准误差大、无法精准溯源等问题。
4、结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述将无磁柔性阵列结构进行3d扫描并预处理后得到点云数据，构建近邻索引关系矩阵，包括：对覆盖在人体部分表面已产生形变的无磁柔性阵列结构进行3d扫描，对扫描点云结果进行预处理，去除异常点和噪声点；对处理后的点云数据执行k近邻聚类算法，找出每个点云对应的近邻点(近邻数可根据不同情况自选)，根据点云数据索引及其对应的近邻索引创建近邻索引关系矩阵。
5、结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述结合点云数据、近邻索引关系矩阵和传感器探头插入情况，使用点云生长法，获取传感器阵列所置平滑区域范围，包括：人为结合传感器探头的对应插入情况，选取特定区域坐标点作为初始种子点集合，初始种子点数与所使用的传感器探头数量一致；对处理后的每个点云数据，设置衍生标志位，限制每个点云数据只可衍生一次，避免重复计算，提高计算效率；以局部数据曲率和法向量角度作为标准，设定阈值，使用点云生长法，以选择的初始种子点为起始点，迭代求解出多个平滑区域点云范围。
6、结合第一方面第二种可能的实现方式中，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述以局部数据曲率和法向量角度作为标准，设定阈值，使用点云生长法，以选择的初始种子点为起始点，迭代求解出多个平滑区域点云范围，包括：通过近邻索引关系矩阵，构造局部数据集，结合主成分分析法，计算对应近邻点集中的若干近邻点与当前种子点的角度差和曲率差，同时结合是否满足所设置的角度差和曲率差的阈值、是否衍生标志位为假的不同组合情况，对该邻域点执行不同操作：纳入对应所选种子所在的区域平面集合、衍生作为新的种子点、不纳入任何集合，并将当前种子剔除出种子集合；对新的种子集合重复上述流程，直到种子集合为空，则停止迭代。得到的多个区域平面集合反映了传感器阵列所置平滑区域范围。
7、结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述通过平滑区域范围点云数据计算传感器探头相对空间位置与方向信息，包括：通过计算每个平滑区域点集的平均坐标值(即区域中心)，对应传感器探头的空间位置。
8、通过计算每个平滑区域内所有点的协方差矩阵，将其最小特征值对应的特征向量作为传感器探头的法向量，即相对方向，进行如下计算：
9、
10、mv＝λvv
11、
12、其中，c为平滑区域点集的中心，m为平滑区域内所有点的协方差矩阵，n为平滑区域点集中三维点的数量，pi为平滑区域各点，i的取值为[1，2...，n],t表示矩阵的转置，v为特征值，λ为特征值v对应的特征向量，n为计算出的传感器法向量，nx,ny,nz分别对应n的三轴坐标数值；
13、传感器法向量的三个角度可以用,法向量与三个坐标轴的夹角计算得到，进行如下计算：
14、
15、
16、
17、其中，α、β、γ分别表示法向量与三个坐标轴的夹角。
18、结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述通过柔性阵列与人体表面结构数据，计算变换矩阵，将传感器探头相对空间位置与方向信息进行配准变换，包括：阵列点云数据可与人体表面结构点云数据通过icp算法，通过给定初始变换矩阵，根据源点云与目标点云中的对应点对，利用最小二乘法求解一个新的变换矩阵，使得源点云与目标点云之间的误差平方和最小，迭代计算出最优的旋转和平移变换；通过该变换矩阵，可将传感器位置信息更新变换为以人体结构坐标系为基准的位置方向信息，用于后续高精度的弱磁信号溯源定位。
19、第二方面，本专利技术实施例提供了一种设备，包括：腹带，用于将该无磁柔性阵列固定在被试者实验部分；阵列口槽，用于固定磁强计探头，使传感器阵列布局可高度贴合多样人体表面，由solidworks软件建模，口槽规模根据传感器口径决定；阵列口槽标志点，用于手动选取初始种子的标志颜色点，其颜色异于整体阵列面板，方便在3d扫描点云中快速准确的进行生长算法初始种子位置选取；阵列面板，使用符合食品级标准的有机硅胶材料制作的无磁柔性阵列，避免在直接接触人体时造成不良反应的同时，兼具弹性和可塑性；当执行第一方面或第一方面任一可能实现方式时，需依托所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于胎儿功能成像的无磁柔性传感器阵列配准方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一、将无磁柔性传感器阵列结构进行3D扫描并预处理后得到点云数据，构建近邻索引关系矩阵，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合点云数据、近邻索引关系矩阵和传感器探头插入情况，使用点云生长法，获取传感器阵列所置平滑区域范围，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以局部数据曲率和法向量角度作为标准，设定阈值，使用点云生长法，以选择的初始种子点为起始点，迭代求解出多个平滑区域点云范围，包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过平滑区域范围点云数据计算传感器探头相对空间位置与方向信息，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过柔性阵列与人体表面结构数据，计算变换矩阵，将传感器探头相对空间位置与方向信息进行配准变换，包括：
7.一种设备，其特征在于，包括：
【技术特征摘要】
1.一种用于胎儿功能成像的无磁柔性传感器阵列配准方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一、将无磁柔性传感器阵列结构进行3d扫描并预处理后得到点云数据，构建近邻索引关系矩阵，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合点云数据、近邻索引关系矩阵和传感器探头插入情况，使用点云生长法，获取传感器阵列所置平滑区域范围，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以...
【专利技术属性】
技术研发人员：宁晓琳，高阳，丁进，高天羽，陶跃，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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