本發(fā)明屬于光學(xué)定位的手術(shù)導(dǎo)航
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及非高斯噪聲下一種雙目視覺的手術(shù)器械尖端點(diǎn)標(biāo)定方法,特別是涉及到一種基于最大相關(guān)熵的手術(shù)器械尖端點(diǎn)的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
：手術(shù)導(dǎo)航的核心工作就是跟蹤術(shù)中各種器械的位置和方向，針對(duì)介入式手術(shù)需要跟蹤手術(shù)器械的尖端點(diǎn)，常用的方法是在手術(shù)器械上面設(shè)置三個(gè)或三個(gè)以上不共線的標(biāo)志點(diǎn)，利用光學(xué)跟蹤系統(tǒng)定位三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的位置，術(shù)前標(biāo)定手術(shù)器械尖端點(diǎn)，計(jì)算出尖端點(diǎn)在手術(shù)器械中的位置。當(dāng)標(biāo)志點(diǎn)的位置無法準(zhǔn)確識(shí)別時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)“抖動(dòng)”的情況，可以用脈沖性的噪聲對(duì)其進(jìn)行刻畫。現(xiàn)有的通過雙目視覺標(biāo)定手術(shù)器械尖端點(diǎn)的方法主要是基于最小二乘準(zhǔn)則的，此類方法在脈沖性噪聲下性能迅速退化，故還需要對(duì)此問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于最大相關(guān)熵準(zhǔn)則的手術(shù)器械尖端點(diǎn)標(biāo)定方法,該方法是一種對(duì)非高斯噪聲具有較強(qiáng)抑制能力標(biāo)定方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手術(shù)器械尖端點(diǎn)較為準(zhǔn)確的標(biāo)定。為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于最大相關(guān)熵的手術(shù)器械尖端點(diǎn)標(biāo)定方法,包括以下步驟：第一步,基于雙目視覺的光學(xué)系統(tǒng)，獲取待標(biāo)定手術(shù)器械的旋轉(zhuǎn)圖像。1)將手術(shù)器械尖端點(diǎn)進(jìn)行固定，并將手術(shù)器械圍繞此尖端點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；2)利用雙目視覺光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集。第二步，獲取手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)的平面圖像坐標(biāo)和空間坐標(biāo)。1)利用圖像識(shí)別方法對(duì)雙目視覺光學(xué)系統(tǒng)獲取圖像中的手術(shù)器械上標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；2)利用三維重建算法計(jì)算標(biāo)志點(diǎn)的空間坐標(biāo)。第三步，對(duì)手術(shù)器械尖端點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。1)建立標(biāo)定方程組；2)基于最大相關(guān)熵準(zhǔn)則求取手術(shù)器械尖端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，通過完成手術(shù)器械間斷點(diǎn)的標(biāo)定。本發(fā)明的有益效果為：該方法能夠在非高斯噪聲條件下，克服由于手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別不準(zhǔn)確所引入的脈沖性噪聲，在雙目識(shí)別手術(shù)導(dǎo)航實(shí)踐中具有較好的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是手術(shù)器械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中m1、m2、m3、m4為四個(gè)反射紅外光的小球；Tip為手術(shù)器械的尖端點(diǎn)；XN軸、YN軸、ZN軸為手術(shù)器械坐標(biāo)系N的三個(gè)坐標(biāo)軸；圖2是圍繞尖端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)手術(shù)器械的示意圖；圖3是基于雙目視覺系統(tǒng)的手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)獲取圖；圖4是手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)和尖端點(diǎn)的三維重建圖；圖5是本發(fā)明具體流程圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案及其優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚完整的描述，具體流程圖如圖5所示：第一步，基于雙目視覺的光學(xué)系統(tǒng)，獲取待標(biāo)定手術(shù)器械的旋轉(zhuǎn)圖像。1)將手術(shù)器械的尖端點(diǎn)進(jìn)行固定。參見圖1，圖中m1,m2,m3,m4為四個(gè)反射紅外光的小球，小球的球心為手術(shù)器械的標(biāo)志點(diǎn)；手術(shù)器械坐標(biāo)系N的三個(gè)坐標(biāo)軸具體為：為XN軸，過點(diǎn)m1垂直于XN軸的直線為YN軸，原點(diǎn)ON為XN軸與YN軸的交點(diǎn)，過原點(diǎn)ON垂直于平面ONXNYN的直線為ZN軸。2)將手術(shù)器械圍繞其尖端點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，參見圖2，并使用雙目視覺光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集，并對(duì)每幅圖像按照采集的順序進(jìn)行編號(hào)，左面相機(jī)采集的圖片編號(hào)為L(zhǎng)1，L2，…，LN，右面相機(jī)采集的圖片編號(hào)為R1，R2，…，RN，共為2N幅圖片。參見圖2。第二步，獲取手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)的平面圖像坐標(biāo)和空間坐標(biāo)1)利用圖像識(shí)別方法對(duì)第一步2)獲取的雙目視覺光學(xué)系統(tǒng)獲取圖像中的手術(shù)器械上標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；并將其圖像坐標(biāo)分別記為,pLn,m＝[uLn,m,vL,nm]T和pRn,m＝[uRn,m,vRn,m]T(1)其中，下標(biāo)中的L和R分別表示左相機(jī)和右相機(jī)，n(n＝1,…,N)表示圖像采集的順序，m(m＝1,2,3,4)表示標(biāo)志點(diǎn)的順序；u、v為標(biāo)志點(diǎn)像素圖像坐標(biāo)。參見圖3。2)利用三維重建公式以及第二步(1)中得到的手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)，得到手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)xn,m＝[xn,m,yn,m,zn,m]T。三維重建公式如下：zL,n,muLn,mvLn,m1=M3×4Lxn,myn,mzn,m1=m11Lm12Lm13Lm14Lm21Lm22Lm23Lm24Lm31Lm32Lm33Lm34Lxn,myn,mzn,m1---(2)]]>zRn,muRn,mvRn,m1=M3×4Rxn,myn,mzn,m1=m11Rm12Rm13Rm14Rm21Rm22Rm23Rm24Rm31Rm32Rm33Rm34Rxn,myn,mzn,m1---(3)]]>其中,和分別表示左側(cè)和右側(cè)攝像機(jī)標(biāo)定的投影矩陣；zLn,m和zRn,m分別為在左側(cè)和右側(cè)攝像機(jī)Z軸中的三維坐標(biāo)點(diǎn)；[uLn.m,vLn,m,1]T和[uRn,m,vRn,m,1]T是pLn,m和pRn,m在像素坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；[xn,m,yn,m,zn,m,1]T為標(biāo)志點(diǎn)點(diǎn)xn,m在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)；聯(lián)立公式(2)和公式(3)，得到：(uLn,mm31L-m11L)xn,m+(uLn,mm32L-m12L)yn,m+(uLn,mm33L-m13L)zn,m=m14L-uLn,mm34L(vLn,mm31L-m21L)xn,m+(vLn,mm32L-m22L)yn,m+(uLn,mm33L-m13L)zn,m=m24L-vLn,mm34L(uRn,mm31R-m11R)xn,m+(uRn,mm32R-m12R)yn,m+(uLn,mm33R-m13R)zn,m=m14R-uRn,mm34R(vRn,mm31R-m21R)xn,m+(vRn,mm32R-m22R)yn,m+(vLn,mm33R-m23R)zn,m=m24R-vRn,mm34R---(4)]]>采用最小二乘法求出公式(4)，得出的最優(yōu)解即為手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)的空間坐標(biāo)。第三步，對(duì)手術(shù)器械尖端點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。1)建立標(biāo)定方程組，如下所示：第m個(gè)標(biāo)志點(diǎn)所在球面的半徑公式如下(xn,m-xtip)2+(yn,m-ytip)2+(zn,m-ztip)2＝r2(5)其中，手術(shù)器械尖端點(diǎn)的坐標(biāo)為xtip＝[xtip,ytip,ztip]T；r為手術(shù)器械繞尖端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)其標(biāo)志點(diǎn)所在球的半徑；xn,m、yn,m、zn,m為手術(shù)器械上標(biāo)志點(diǎn)的空間坐標(biāo)；上式共有n×m個(gè)方程，依此減去第一行的式子，可得：(x2m-x1m)xtip+(y2m-y1m)ytip+(z2m-z1m)ztip=(x2m2+y2m2+z2m2-x1m2-y1m2-z1m2)/2···(xnm-x1m)xtip+(ynm-y1m)ytip+(znm-z1m)ztip=(xnm2+ynm2+znm2-x1m2-y1m2-z1m2)/2---(6)]]>2)以xtip＝[xtip,ytip,ztip]T作為待估計(jì)的FIR濾波器的系數(shù)，以標(biāo)定方程組(6)中每個(gè)方程的等號(hào)左面的系數(shù)為濾波器輸入，記作u(l)＝[xlm-x1m,ylm-y1m,zlm-z1m]T(l＝2,3,..,n)，等號(hào)右面的常數(shù)項(xiàng)作為期望的輸出，記作：以遞歸最大相關(guān)熵為自適應(yīng)濾波算法對(duì)FIR濾波器的系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，迭代公式如下：e(l)＝d(l)-uT(l)w(l-1)(7)k(l)=Pσ(l-1)u(l)/[λκσ-1(e(l))+uT(l)Pσ(l-1)u(l)]---(8)]]>w(l)＝w(l-1)+e(l)k(l)(9)Pσ(l)=1λ[Pσ(l-1)-k(l)uT(l)Pσ(l-1)]---(10)]]>其中，u(l)為濾波器輸入序列；d(l)為期望輸出序列；l表示為數(shù)據(jù)的序列；e(l)為觀測(cè)誤差；w(l)為濾波器權(quán)值，w(1)＝0；λ＝0.99是遺忘因子；k(l)為增益向量；Pσ為自相關(guān)矩陣的逆矩陣，P(1)＝λ-1I；κσ(·)＝exp(-(·)2/σ2)表示高斯核函數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械尖端點(diǎn)的標(biāo)定。參見圖4。當(dāng)前第1頁1 2 3