一种脑电电极空间定位系统和定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脑电电极空间定位系统，包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置；辅助定位标志含有特征标志；特征标志包括互相平行、且中心与标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形。本发明专利技术还公开了一种脑电电极空间定位方法，首先采用距离头皮有一定高度、颜色组合不同的嵌套矩形结构作为辅助定位标志，利用矩形两边求交计算矩形顶点坐标，并根据P4P原理单独完成单一视角内脑电电极的定位，然后采用图像采集装置固定，测试者运动的方法对整个头部区域内脑电电极进行定位。本发明专利技术在定位时避免了头发、电极连接线的干扰，以及因头部晃动而引起的定位误差，具有较高的定位精度、稳定性、自动性和可重复性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于脑电信号测量
，特别涉及一种基于单目视觉的脑电电极空间定位系统和定位方法。
技术介绍
在脑电信号测量、分析以及脑电信号源定位过程中，脑电电极在三维空间的位置是影响源定位精度的关键数据。目前，已有的脑电电极定位方法主要有包括手动测量、电磁定位系统测量、超声定位系统测量以及摄影测量。其中，(I)手动测量主要是利用各种测量设备，如尺、电子测距仪实现，该方式是目前大多数医院采用的测量方法，由于手动测量每次只能测量一个电极的空间位置，因此定位精度低(平均位置误差在4-10_左右)、耗时长、可重复性差；(2)基于电磁定位和超声测距的系统均采用特定的发射、接收装置实现电极定位，不同的是电磁定位系统是根据电磁传播测定物体位置和方向，而超声定位是根据声波传播测定物体位置和方向。两种方法均需要逐点测量电极位置，耗时较长。同时，金属材料的存在会造成发射磁场的畸变，环境温度的改变会影响声波传输，因此两种方法的测量过程易受环境变化干扰，可重复性差、定位精度低(平均位置误差在3-5_左右)，同时测量设备比较昂贵、难以普及；(3)基于摄影测量的电极定位方法分为多像机摄影测量和单像机摄影测量。基于多像机摄影测量的电极定位系统以测试者为中心放置11个像机，同时拍摄测试者头部电极图像，利用生成的多幅图像手动提取标志点2D坐标，根据多目视觉三维重建原理进行电极定位。目前该系统主要由美国EGI公司研发并在其脑电信号测量系统中使用，定位精度高但操作复杂、自动程度低、价格昂贵，且只能用于EGI公司生产的系统中，不适用于其他类型的电极；基于单像机摄影测量的电极定位系统只利用一个像机，但需要以测试者为中心通过旋转移动获取电极多个角度的图像。其测量原理与多像机电极定位系统在本质上相同，都是基于多目视觉或立体视觉三维重建原理进行电极定位。单相机摄影测量方法虽然造价低，但围绕测试者进行多角度图像拍摄的过程中很难保证测试者头部固定不动，系统精度可重复性较差。而且现有单像机摄影测量系统均是在塑料头模型上实现，在真实头模型上的测试精度尚不明确。同时，单像机摄影测量系统只有拍摄完所有图像才能计算脑电电极位置，一旦某一部分图像匹配失败或计算错误将导致整个定位过程的失效。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是提供，以克服现有技术在价格、自动性、可重复性和精度方面难以兼顾且只有拍摄完所有图像才能计算脑电电极位置的缺陷。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术提供了一种脑电电极空间定位系统，所述系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在一个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标；所述辅助定位标志包括标识部和安装部；所述标识部包括一顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并 含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形；所述安装部连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。其中，所述标识部的圆柱为白色，嵌套矩形的颜色各不相同，相邻两个矩形的颜色具有明显的色差，每个矩形的颜色可为蓝、黑、红、橙、黄、绿、青、紫中的一种。其中，所述矩形为四个，从外到内分别为第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形；所述四个矩形的边彼此平行且相邻两边之间的距离大于1mm，第四矩形的长大于或等于3mm，宽大于或等于2mm ;所述第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形的中心与所述标识部圆心重合。其中，所述安装部为与所述标识部的圆柱同轴线的圆柱形定位销。其中，所述图像采集装置为相机，所述数据处理装置为计算机或DSP图像处理系统。本专利技术还提供了一种脑电电极空间定位方法，所述方法包括以下步骤A、将多个带有辅助定位标志的脑电电极安置在测试者头部；B、图像采集装置采集一幅包含多个辅助定位标志的图像；C、数据处理装置通过颜色聚类、区域形状约束提取所述辅助定位标志的边缘图像；D、所述数据处理装置对具有8邻域连接关系的边缘轮廓进行局部主元分析，获取每个像素局部范围的主方向和特征值，根据最小特征值阈值识别所述辅助定位标志中的直线结构，进而检测出矩形，并采用直线相交获取矩形顶点坐标；E、所述数据处理装置根据已知矩形的尺寸、矩形顶点坐标、所述图像采集装置的内部参数和所述辅助定位标志与脑电电极测量点之间的位置关系，建立共面四点在图像采集装置模型下的约束方程，依次获取每个脑电电极测量点在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标。其中，在所述步骤A之前，还包括输入不同角度的棋盘格图像完成所述图像采集装置的内部参数标定。其中，在所述步骤D中，具体包括利用最小特征值分析识别矩形中的直线结构，根据抗干扰能力较强的直线特征获取矩形顶点。其中，在所述步骤E之后，还包括以下步骤F、所述测试者以自身为中心旋转一定角度，并重复步骤B飞；G、多次重复步骤F，获取多个视角下的每一固定视角内脑电电极在图像采集装置坐标系下的三维空间坐标；H、利用两幅图像中出现的颜色分布相同的辅助定位标志，通过坐标变换获取所述测试者头部所有区域内脑电电极在世界坐标系下的三维空间坐标。(三)有益效果本专利技术采用了距离头皮有一定高度、颜色组合不同的嵌套矩形结构作为辅助定位标志，并利用矩形两边求交计算矩形顶点坐标的方法，在定位时避免了头发、电极连接线的干扰，因此具有较高的定位精度、稳定性和自动性。另外，本专利技术可以单独完成单一视角内脑电电极的定位，而采用图像采集装置固定，测试者运动的方法对整个头部区域内脑电电极进行定位的方法，避免了因头部晃动而弓I起的定位误差，因此本专利技术的脑电电极定位精度具有较好的可重复性。附图说明图Ia是本专利技术实施例的辅助定位标志的主视图；图Ib是本专利技术实施例的辅助定位标志的俯视图；图2是本专利技术实施例的一种脑电电极空间定位方法的流程图； 图3是本专利技术实施例的脑电电极的位置分布图；图4是本专利技术实施例的脑电电极定位坐标系统的示意图；图5是本专利技术实施例的单幅图像脑电电极的空间定位方法的流程图。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本专利技术实施例的一种脑电电极空间定位系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在一个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标；本实施例中所述图像采集装置采用相机；本实施例中所述数据处理装置采用计算机。本实施例中所述辅助定位标志的结构如图Ia和图Ib所示，包括标识部I和安装部2 ;所述标识部I包括一顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形；所述安装部2连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。本实施例中，所述标识部I采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在一个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标；所述辅助定位标志包括标识部和安装部；所述标识部包括一顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、颜色各不相同的嵌套的矩形；所述安装部连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。

【技术特征摘要】
1.ー种脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述系统包括多个辅助定位标志、一个图像采集装置和数据处理装置，每个辅助定位标志安装在ー个脑电电极上，所述图像采集装置用于采集所述辅助定位标志的图像数据，所述数据处理装置对所述图像采集装置采集到的图像数据进行处理，得到脑电电极的空间坐标； 所述辅助定位标志包括标识部和安装部； 所述标识部包括ー顶面含有特征标志的圆柱；所述特征标志用于区分不同的辅助定位标志，并含有电极空间定位所需要的几何约束关系；所述特征标志包括互相平行、且中心与所述标识部的圆心重合的多个大小、顔色各不相同的嵌套的矩形； 所述安装部连接到所述标识部的底面上，用于将所述辅助定位标志固定在所述脑电电极上。2.根据权利要求I所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述标识部的圆柱为白色，嵌套矩形的顔色各不相同。3.根据权利要求I所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述矩形为四个，从外到内分别为第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形；所述四个矩形的边彼此平行且相邻两边之间的距离大于1mm，第四矩形的长大于或等于3mm，宽大于或等于2mm ;所述第一矩形、第二矩形、第三矩形和第四矩形的中心与所述标识部圆心重合。4.根据权利要求I至3任一项所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述安装部为与所述标识部的圆柱同轴线的圆柱形定位销。5.根据权利要求I至3任一项所述的脑电电极空间定位系统，其特征在于，所述图像采集装置为相机，所述数据处理装置为计算机或DSP图像处理系统。6.ー种脑电电极空间定位方法，其特征在于，所述方法包括以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：于利伟，王文锋，李小俚，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：