專利名稱：利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術領域的方法，具體涉及一種利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法。
背景技術：
傳統(tǒng)的外科手術，無論是書前規(guī)劃還是術中決定手術進程都依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗。 像腦部和脊椎病的病變部位是不可見的，醫(yī)生只能根據(jù)病人的病理特征進行手術，往往會造成手術開口大，術后恢復時間長等問題。隨著社會的進步和醫(yī)療技術的不斷發(fā)展，外科手術越來越注重精細化和微創(chuàng)化。在計算機、精密制造、醫(yī)學成像、圖像處理等技術飛速發(fā)展的基礎上，人們嘗試將計算機技術應用于醫(yī)學領域，形成了一個新的研究及臨床應用熱點計算機輔助手術(computer aided surgery，CAQ，類似的名稱還有計算機集成手術 (computer integratedsurgery，CIS)。CAS是將傳統(tǒng)醫(yī)療器械與信息技術相結合的產物， 是數(shù)字圖像處理、計算機視覺、網(wǎng)絡通訊和外科學等多學科交叉的新型研究領域。計算機輔助手術系統(tǒng)通過各種成像設備獲得病灶部位的多模態(tài)圖像，對這些圖像進行配準和重建，形成可視化的三維圖形，并提供表面顯示、體顯示和熱議剖面顯示等多種顯示方式，以便制定手術方案和手術模擬；在手術中將手術空間和術前重建的三維圖形空間進行配準后實時顯示手術進程，并按照預定的手術方案進行手術干預。紅外手術導航系統(tǒng)是計算機輔助手術系統(tǒng)的應用，其充當醫(yī)生的眼睛，為醫(yī)生實時顯示手術器械相對于病灶部位解剖的位置和方向。手術導航系統(tǒng)也被稱為圖像引導外科手術導航系統(tǒng)(image—guided surgical navigation system)。它包括手術器械、定位足艮蹤儀、圖形工作站和顯示設備。紅外手術導航儀涉及到的關鍵技術包括攝相機標定，三維重建，手術器械標定，多體分割，估算手術器械的針尖點位置及器械方向，立體圖像配準和圖像變換。由于手術器械針尖點的位置直接影響到手術的精度，所以對其誤差分析及提高精度顯得尤為重要。經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN101099673A，
公開日2008. 1. 9， 記載了一種采用紅外反光球為標志點的手術器械定位方法，該技術在手術器械三維重建時孤立地將手術器械每個標志點重建，這樣由于標定，投影，量化等誤差導致的標志點累計三維位置信息誤差較大。
發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，通過利用手術器械上的標志點通過立體視覺確定標志點三維空間位置，利用標志點之間的相互關系匹配現(xiàn)有的手術器械，根據(jù)匹配的手術器械的結構，以及線性及非線性標志，標志點三維空間位置進行矯正，得到精度更高的位置信息；本發(fā)明能夠使得手術器械定位精度顯著提高。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明通過對左右攝相機分別進行單目攝相機標定并標定手術器械，然后利用標志點通過立體視覺進行手術器械的三維重建并進行器械匹配，得到三維空間點齊次坐標；最后利用匹配成功的手術器械的器械結構和線性及非線性標志，對得到的三維空間點齊次坐標進行矯正。和現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明通過加入手術器械的固有結構特性，能有效提高器械定位精度。
圖1為手術器械線性探針示意圖；圖中標注的1，2，3三個球是三個紅外反光球，作為標志點使用示意圖。圖2為線性探針在雙目攝相機下的圖像示意圖；圖中左邊圖像為做攝像機下拍攝到的圖像，右邊圖像為右攝相機下拍攝到的圖像示意圖。圖上顯著的亮斑為手術器械上的發(fā)光小球示意圖。圖3為手術器械非線性探針示意圖；圖中標注的1，2，3三個球是三個紅外反光球，作為標志點使用示意圖。圖4為非線性參考物在雙目攝相機下的圖像示意圖；圖中左邊圖像為做攝像機下拍攝到的圖像，右邊圖像為右攝相機下拍攝到的圖像。圖上顯著的亮斑為手術器械上的發(fā)光小球。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1本實施例選用紅外手術導航儀中線性探針及非線性參考物的三維重建，通過對左右攝相機分別進行單目攝相機標定并標定手術器械，然后利用標志點通過立體視覺進行手術器械的三維重建并進行器械匹配，得到三維空間點齊次坐標；最后利用匹配成功的手術器械的器械結構和線性及非線性標志，對得到的三維空間點齊次坐標進行矯正。所述的單目攝相機標定得到左攝相機內參數(shù)矩陣A1,右攝相機內參數(shù)矩陣4，利用立體攝相機標定方法，計算出右攝相機相對于左攝相機的旋轉矩陣R0,平移矩陣Ttl，其中
權利要求
1.一種利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征在于，通過對左右攝相機分別進行單目攝相機標定并標定手術器械，然后利用標志點通過立體視覺進行手術器械的三維重建并進行器械匹配，得到三維空間點齊次坐標；最后利用匹配成功的手術器械的器械結構和線性及非線性標志，對得到的三維空間點齊次坐標進行矯正。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的單目攝相機標定得到左攝相機內參數(shù)矩陣A1,右攝相機內參數(shù)矩陣4，利用立體攝相機標定方法，計算出右攝相機相對于左攝相機的旋轉矩陣Rtl,平移矩陣Ttl，其中
3.根據(jù)權利要求1所述的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的標定手術器械，具體步驟如下·1.1)在手術器械上設置三個發(fā)光小球作為標志點，用于描述出手術器械的結構；·1.2)在雙目攝相機視野范圍內，移動手術器械，使其處于不同姿態(tài)并執(zhí)行步驟1.3)； ·1. 3)利用已經(jīng)標定完成的雙目攝相機拍攝得到手術器械的兩幅圖像；·1.4)對兩幅圖像上的標志點經(jīng)行聚類運算并分別得到圖像的標志點中心；·1.5)對手術器械的標志點經(jīng)行匹配當雙目攝相機水平放置時，利用垂直方向坐標Y 可以將標志點按照Y坐標相近分類，對于Y坐標相近的多個點，可以利用水平位置順序將標志點一一對應匹配，當是Y坐標相近的只有1組點，則將這組點對應匹配；當匹配點個數(shù)等于標志點個數(shù)三個，則進行下面的步驟，否則放棄此次結果返回步驟1. 2 ；·1.6)將對應標志點，利用雙目攝相機的標定結果進行三維重建；·1. 7)計算各個標志點兩兩之間距離，距離按從大到小判斷為dma!y.，dfflidJ, dfflinJ, j為此次操作序號，當測得至少兩組規(guī)定組數(shù)據(jù)則執(zhí)行步驟1. 8)，否則返回步驟1. 2)；·1.8)將測得數(shù)據(jù)中的各個距離取平均值，得到dmaxiS，dfflidtt, dminiS，并記錄，計算
4.根據(jù)權利要求3所述的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的聚類運算是指對圖像進行閾值分割后尋找連通域，得到所有可用區(qū)域后求出每個區(qū)域中心，并且記錄坐標值
5.根據(jù)權利要求1所述的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的器械匹配，具體步驟如下·2.1)采用與標定手術器械相同的方法得到發(fā)光小球球心的三維坐標Pi，i = 1,2,3； ·2.2)計算調整PiW順序，使得ι IP1-P2IK判斷為Cl1) > IIP1-P3II (判斷為d2) >IP2-P3II (判斷為 d3)；·2. 3)根據(jù)Cli的大小，搜索目前所有手術器械的器械結構，當^^ <0·05且
6.根據(jù)權利要求1所述的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的手術器械是指線性探針或非線性參考物體，當所述的手術器械為線性探針時，設置于線性探針上的標志點均位于同一條直線上。
7.根據(jù)權利要求1或3所述的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的三維重建包括三維空間點齊次坐標Pi =
8.根據(jù)權利要求1所述的利用手術器械機械結構提升器械維定位精度的方法，其特征是，所述的矯正是指采用如下矯正方程
全文摘要
一種圖像處理技術領域的利用手術器械機械結構提升器械三維定位精度的方法，通過對左右攝相機分別進行單目攝相機標定并標定手術器械，然后利用標志點通過立體視覺進行手術器械的三維重建并進行器械匹配，得到三維空間點齊次坐標；最后利用匹配成功的手術器械的器械結構和線性及非線性標志，對得到的三維空間點齊次坐標進行矯正。本發(fā)明通過利用手術器械上的標志點通過立體視覺確定標志點三維空間位置，利用標志點之間的相互關系匹配現(xiàn)有的手術器械，根據(jù)匹配的手術器械的結構，以及線性及非線性標志，標志點三維空間位置進行矯正，得到精度更高的位置信息；本發(fā)明能夠使得手術器械定位精度顯著提高。
文檔編號A61B19/00GK102319116SQ20111013824
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權日2011年5月26日
發(fā)明者劉允才, 厲鵬, 沈軼, 王宸昊, 趙志新 申請人:上海交通大學