本申請涉及手術(shù)導航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種手術(shù)導航方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

手術(shù)導航igs(imageguidedsurgery)是指醫(yī)生在術(shù)前利用醫(yī)學影像設(shè)備和計算機圖像學的方法，對患者多模式的圖像數(shù)據(jù)進行三維重建和可視化處理，獲得三維模型，制定合理、定量的手術(shù)計劃，開展術(shù)前模擬；在術(shù)中通過注冊操作，把三維模型與患者的實際體位、空間中手術(shù)器械的實時位置統(tǒng)一在一個坐標系下，并利用三維定位系統(tǒng)對手術(shù)器械在空間中的位置實時采集并顯示，醫(yī)生通過觀察三維模型中手術(shù)器械與病變部位的相對位置關(guān)系，對病人進行導航手術(shù)治療。

目前常用的手術(shù)導航有電磁導航和光學導航，其中，光學導航是主流的手術(shù)導航方法。光學導航利用三目或雙目立體視覺原理，使用可見光或近紅外光成像系統(tǒng)實現(xiàn)空間定位?，F(xiàn)有手術(shù)導航臨床操作流程如下：(1)術(shù)前在患者腦部粘貼頭皮標記物，進行ct或mri掃描，將影像數(shù)據(jù)輸入計算機工作站，進行人體三維模型重建，從而規(guī)劃手術(shù)路徑，制定合理準確的手術(shù)方案。(2)架設(shè)紅外定位儀及參考架并開始采集圖像，將手術(shù)器械點擊頭皮標記物進行注冊，完成手術(shù)空間坐標系和影像空間坐標系之間的配準，使手術(shù)器械能夠精確呈現(xiàn)在影像中。(3)在導航指導下對病灶進行手術(shù)，導航系統(tǒng)會實時顯示當前手術(shù)器械工作點(尖端探針)的位置及其周圍的圖像。

上述手術(shù)導航主要應(yīng)用在神經(jīng)外科手術(shù)中，如顱骨、脊髓等手術(shù)。手術(shù)導航應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)時，由于病人的頭部是固定不動的，可認為是剛體，因此可以利用貼在頭部的標記物有效地建立坐標系，完成坐標系配準。但是當手術(shù)導航應(yīng)用于呼吸運動病灶區(qū)時，如果仍使用上述方法，在病人胸腹處貼上標記物，病人自身的呼吸運動會導致標記物不斷移動，從而不能建立準確的坐標系，影響手術(shù)空間坐標系和影像坐標系之間的配準，無法實現(xiàn)精確的手術(shù)導航。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┝艘环N手術(shù)導航方法及系統(tǒng)，旨在至少在一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題之一。

為了解決上述問題，本申請?zhí)峁┝巳缦录夹g(shù)方案：

一種手術(shù)導航方法，包括：

步驟a：在檢測者的病變部位貼附柔性多特征點靶標；

步驟b：在檢測者屏氣狀態(tài)下，通過坐標定位系統(tǒng)采集所述柔性多特征點靶標的第一特征點坐標，并通過醫(yī)學影像設(shè)備采集檢測者的三維醫(yī)學影像；其中，所述第一特征點坐標為醫(yī)學影像采集階段所述柔性多特征點靶標的特征點坐標；

步驟c：通過手術(shù)導航服務(wù)器提取所述三維醫(yī)學影像中柔性多特征點靶標的第一特征點坐標，并在檢測者屏氣狀態(tài)下通過坐標定位系統(tǒng)采集所述柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，將所述當前特征點坐標與所述手術(shù)導航服務(wù)器提取的第一特征點坐標進行配準，根據(jù)配準結(jié)果進行手術(shù)導航；其中，所述當前特征點坐標為柔性多特征點靶標在手術(shù)導航階段的特征點坐標。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述步驟b還包括：根據(jù)采集的第一特征點坐標進行曲面擬合，得到第一擬合曲面。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述步驟b還包括：判斷所述第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值是否為零，如果第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值為零，通過所述醫(yī)學影像設(shè)備采集檢測者的三維醫(yī)學影像。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述步驟c還包括：通過采集的當前特征點坐標進行曲面擬合，得到第二擬合曲面。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述步驟c還包括：判斷所述第二擬合曲面與第一擬合曲面的相符程度是否≥90％，如果所述第二擬合曲面與第一擬合曲面的相符程度≥90％，通過所述坐標定位系統(tǒng)記錄柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，并將所述當前特征點坐標與第一特征點坐標進行配準。

本申請實施例采取的另一技術(shù)方案為：一種手術(shù)導航系統(tǒng)，包括柔性多特征點靶標、坐標定位系統(tǒng)、醫(yī)學影像設(shè)備和手術(shù)導航服務(wù)器；

所述柔性多特征點靶標貼附在檢測者的病變部位；

所述坐標定位系統(tǒng)用于在檢測者屏氣狀態(tài)時采集所述柔性多特征點靶標的第一特征點坐標，其中，所述第一特征點坐標為醫(yī)學影像采集階段所述柔性多特征點靶標的特征點坐標；

所述醫(yī)學影像設(shè)備用于采集檢測者的三維醫(yī)學影像；

所述手術(shù)導航服務(wù)器用于在手術(shù)導航時提取所述三維醫(yī)學影像中柔性多特征點靶標的第一特征點坐標；

所述坐標定位系統(tǒng)還用于在檢測者屏氣狀態(tài)時采集所述柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，將所述當前特征點坐標與所述手術(shù)導航服務(wù)器提取的第一特征點坐標進行配準，根據(jù)配準結(jié)果進行手術(shù)導航；其中，所述當前特征點坐標為柔性多特征點靶標在手術(shù)導航階段的特征點坐標。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述坐標定位系統(tǒng)還用于在醫(yī)學影像采集階段根據(jù)采集的第一特征點坐標進行曲面擬合，得到第一擬合曲面。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述坐標定位系統(tǒng)還用于在醫(yī)學影像采集階段判斷所述第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值是否為零，如果第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值為零，通過所述醫(yī)學影像設(shè)備采集檢測者的三維醫(yī)學影像。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述坐標定位系統(tǒng)還用于在手術(shù)導航階段通過采集的當前特征點坐標進行曲面擬合，得到第二擬合曲面。

本申請實施例采取的技術(shù)方案還包括：所述坐標定位系統(tǒng)還用于在手術(shù)導航階段判斷所述第二擬合曲面與第一擬合曲面的相符程度是否≥90％，如果所述第二擬合曲面與第一擬合曲面的相符程度≥90％，通過所述坐標定位系統(tǒng)記錄柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，并將所述當前特征點坐標與第一特征點坐標進行配準。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本申請實施例產(chǎn)生的有益效果在于：本申請實施例的手術(shù)導航方法及系統(tǒng)以柔性多特征點靶標為媒介，在醫(yī)學影像采集階段，采集靶標的特征點坐標，根據(jù)特征點坐標進行曲面擬合，并根據(jù)曲面形態(tài)采集病人的三維醫(yī)學影像；在手術(shù)導航階段，記錄當前靶標的特征點坐標，并與三維醫(yī)學影像中的特征點坐標進行坐標系配準，完成空間坐標系到影像坐標系的映射。本申請實施例兼顧呼吸狀態(tài)表征和坐標系配準，提高了呼吸運動病灶區(qū)的手術(shù)導航精度。

附圖說明

圖1是本申請實施例的醫(yī)學影像采集階段的方法流程圖；

圖2為柔性多特征點靶標示意圖；

圖3是本申請實施例的手術(shù)導航階段的方法流程圖；

圖4是手術(shù)導航系統(tǒng)示意圖；

圖5為電磁定位系統(tǒng)示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例的光學定位系統(tǒng)的空間坐標配準方法的流程圖；

圖7為深度測量原理圖；

圖8是本申請實施例的手術(shù)導航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本申請的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本申請進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本申請，并不用于限定本申請。

本申請實施例的手術(shù)導航方法及系統(tǒng)以柔性多特征點靶標為媒介，在醫(yī)學影像采集階段，采集靶標的特征點坐標，根據(jù)特征點坐標進行曲面擬合，并根據(jù)曲面形態(tài)采集病人的三維醫(yī)學影像；在手術(shù)導航階段，記錄當前靶標的特征點坐標，并與三維醫(yī)學影像中的特征點坐標進行坐標系配準，完成空間坐標系到影像坐標系的映射。

具體地，請參閱圖1，是本申請實施例的醫(yī)學影像采集階段的方法流程圖。本申請實施例的醫(yī)學影像采集方法包括以下步驟：

步驟100：使檢測者以自然姿態(tài)平躺，并在檢測者的病變部位貼附柔性多特征點靶標；

在步驟100中，柔性多特征點靶標由多個具有明顯特征點的物體(如發(fā)光二極管)構(gòu)成，其支撐結(jié)構(gòu)的底部具有容易支撐或者附著在檢測者身體表面的柔性結(jié)構(gòu)，當檢測者進行呼吸運動時，柔性多特征點靶標會隨著身體運動，并可以在醫(yī)學影像中顯像，具體如圖2所示，為柔性多特征點靶標示意圖。本申請實施例尤其適用于胸腹處的呼吸運動病灶區(qū)的手術(shù)導航，同樣的，本申請也適用于顱骨、脊髓等神經(jīng)外科手術(shù)的導航。

步驟110：架設(shè)并調(diào)節(jié)坐標定位系統(tǒng)，使得柔性多特征點靶標始終處于坐標定位系統(tǒng)的有效測量范圍內(nèi)；

步驟120：令檢測者在吸氣末期進行屏氣，通過坐標定位系統(tǒng)實時采集柔性多特征點靶標的第一特征點坐標，并根據(jù)采集的第一特征點坐標進行曲面擬合，得到第一擬合曲面；

在步驟120中，當檢測者屏氣時，第一擬合曲面就不再進行變化。此時，判定屏氣成功，并將第一擬合曲面作為狀態(tài)標記。

步驟130：觀察第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化情況，并判斷第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值是否為零，如果第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值為零，執(zhí)行步驟140；

在步驟130中，由于呼吸處于吸氣末期時，呼吸運動幅度變化率最小且檢測者最容易屏氣，因此，用于判斷第一擬合曲面形態(tài)的周期性變化值為零。

步驟140：在檢測者屏氣的情況下，通過坐標定位系統(tǒng)記錄當前的曲面形態(tài)，同時，通過醫(yī)學影像設(shè)備采集檢測者的三維醫(yī)學影像。

在步驟140中，醫(yī)學影像設(shè)備包括ct、mri等。

請參閱圖3，是本申請實施例的手術(shù)導航階段的方法流程圖。本申請實施例的手術(shù)導航方法包括以下步驟：

步驟200：將采集的三維醫(yī)學影像傳輸至手術(shù)導航服務(wù)器中；

步驟210：通過手術(shù)導航服務(wù)器顯示三維醫(yī)學影像，并提取三維醫(yī)學影像中柔性多特征點靶標的第一特征點坐標；

步驟220：令檢測者在吸氣末期進行屏氣，通過坐標定位系統(tǒng)實時采集柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，并通過采集的當前特征點坐標進行曲面擬合，得到第二擬合曲面；

步驟230：將第二擬合曲面與第一擬合曲面相比較，觀察兩個曲面的相符程度，并判斷兩個曲面的相符程度是否達到第二設(shè)定參數(shù)，如果兩個曲面的相符程度達到第二設(shè)定參數(shù)，執(zhí)行步驟240；

在步驟230中，用于判斷兩個曲面相符程度的第二設(shè)定參數(shù)為≥90％，從而保證特征點坐標的配準精度。

步驟240：在檢測者屏住呼吸的情況下，通過坐標定位系統(tǒng)記錄柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，并將當前特征點坐標與提取的第一特征點坐標進行配準，完成空間坐標系到影像坐標系的映射；

在步驟240中，第二擬合曲面與第一擬合曲面的相符程度≥90％時(說明呼吸深度已相符)，進行一次特征點坐標的配準，配準后手術(shù)器械就可以顯示在醫(yī)學影像坐標系中。完成特征點坐標配準后，每當?shù)诙M合曲面與第一擬合曲面的相符程度大于90％時，根據(jù)配準結(jié)果進行手術(shù)，而不需要再次配準。

步驟250：完成配準后，通過三維醫(yī)學影像顯示手術(shù)器械，根據(jù)手術(shù)器械顯示情況進行手術(shù)導航，在檢測者屏氣時進行手術(shù)操作，呼吸時暫停手術(shù)操作；

在步驟250中，醫(yī)生可通過觀察三維醫(yī)學影像中手術(shù)器械與病變部位的相對位置關(guān)系，對病人進行導航手術(shù)治療。

步驟260：重復(fù)執(zhí)行步驟230，直到完成手術(shù)操作。

在本申請上述實施例中，坐標定位系統(tǒng)包括光學定位系統(tǒng)或電磁定位系統(tǒng)，其中，光學定位系統(tǒng)由兩個或兩個以上的數(shù)字相機、計算機或單片機處理器、機械結(jié)構(gòu)等組成，光學導航系統(tǒng)利用三目或雙目立體視覺原理，使用可見光或近紅外光成像系統(tǒng)實現(xiàn)空間定位。具體如圖4所示，為手術(shù)導航系統(tǒng)示意圖。圖中的吊起部分即為光學定位系統(tǒng)。而電磁定位系統(tǒng)通常包括磁場發(fā)生器、系統(tǒng)控制單元和電磁感應(yīng)器械，電磁感應(yīng)器械在磁場會產(chǎn)生電信號，經(jīng)系統(tǒng)控制單元處理，可以計算得到空間位置；具體如圖5所示，為電磁定位系統(tǒng)示意圖。以下以光學定位系統(tǒng)為例對其工作原理進行具體說明，電磁定位系統(tǒng)的工作原理將不再贅述。

請參閱圖6，是本發(fā)明實施例的光學定位系統(tǒng)的空間坐標配準方法的流程圖。本發(fā)明實施例的光學定位系統(tǒng)的空間坐標配準方法包括以下步驟：

步驟300：標定板特征點提取；

在步驟300中，在進行數(shù)字相機標定時，需要用到高精度標定板。標定板有規(guī)則的圖案陣列(比如棋盤格、圓斑陣列)組成，具有明顯的特征點(比如角點、中心點)。特征點之間具有標準間距，選定某特征點作為世界坐標原點后，每一特征點的坐標也就確定下來了。由相機采集的標定板圖像稱為標定圖像，需要將每一特征點進行準確提取。將獲得的世界坐標序列和圖像坐標序列輸入到標定算法，就可以完成標定?？梢?，標定板特征點的提取精度直接影響到相機的標定精度。因此，本申請實施例的特征點提取精度達到亞像素級。

步驟310：相機高精度標定；

在步驟310中，數(shù)字相機標定的目的是獲取相機的內(nèi)、外參數(shù)，其中內(nèi)參數(shù)包括鏡頭焦距、主點坐標、傾斜因子、鏡頭畸變等，外參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。內(nèi)參數(shù)由數(shù)字相機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，而外參數(shù)由相機相對于世界坐標的方位決定。在本申請實施例中，相機標定算法是利用標定板特征點陣列的世界坐標和圖像坐標進行相機標定，準確估計出相機的內(nèi)、外參數(shù)。數(shù)字相機經(jīng)過標定之后，由內(nèi)、外參數(shù)可以計算得到相機矩陣，相機矩陣建立起了圖像坐標和世界坐標的關(guān)系。兩組或兩組以上相機經(jīng)同步標定獲得的相機矩陣，可用于實現(xiàn)對靶標的空間定位。因此，數(shù)字相機的標定精度在很大程度上決定了光學定位系統(tǒng)的定位精度。

步驟320：柔性多特征點靶標特征點的提?。?/p>

在步驟320中，柔性多特征點靶標一般具有方便提取的特征點，如角點、中心點，在進行柔性多特征點靶標空間定位時，需要對其進行準確提取。為了能實現(xiàn)實時跟蹤定位，相機的圖像采集頻率要達到幾十幀，因此，需要快速提取柔性多特征點靶標特征點。

步驟330：圖像快速匹配；

步驟330：每一個特征點在圖像序列中的每一幅圖像中均有一組坐標，建立圖像序列中每一特征點坐標關(guān)系的過程叫做匹配。匹配的目的是保證每組坐標序列對應(yīng)同一特征點，否則重建出的空間坐標會有較大誤差。根據(jù)極線約束理論，當特征點的坐標在圖像序列中的一幅圖像中確定后，可以在其他圖像所對應(yīng)的極線上進行搜索，快速獲取其他圖像中對應(yīng)同一特征點的坐標。

步驟340：空間坐標重建；

在步驟340中，在獲得一組圖像序列中的特征點坐標后，利用相機矩陣重建空間坐標；以雙目立體視覺為例，采用以下兩種空間坐標重建方法：

a：最小二乘重建法

設(shè)雙目立體視覺中，兩相機經(jīng)標定后，得到的投影矩陣分別是m1、m2：

提取立體圖像中柔性多特征點靶標的特征點坐標(ui,vi)(i＝1,2)，其中u是橫向坐標，v是縱向坐標，i表示第i個相機。將特征點坐標帶入重建方程：

在公式(3)～(6)中，(x,y,z)是世界坐標，三個未知數(shù)，四個方程，是一個超定方程組；通過矩陣理論中的最小二乘法，可以求出x,y,z。

b：深度測量重建法；

如圖7所示，為深度測量原理圖。假設(shè)兩幅圖像是行對準的，且一臺攝像機的像素行和另一臺完全對準，稱為攝像機前向平行排列。和是像平面的像主點，ol和or是投影中心，t是投影中心間距，f是兩個攝像頭的焦距，d＝x^l-x^r是兩幅圖像的視差，由三角形相似可得，

由公式(7)可以看出，可以將求視覺深度轉(zhuǎn)化為求兩幅圖像的視差。然而在實際情況中，兩個攝像頭不可能嚴格地向前平行對準，因此需要進行立體校正，把實際中非共面行對準的兩幅圖像，校正成共面行對準。立體校正分為兩步：(1)將兩個圖像平面拉回同一平面；(2)旋轉(zhuǎn)圖像使得同行對準。

上述中，深度測量重建法適用于雙目立體視覺，當應(yīng)用于多目立體視覺重建，由于兩兩重建缺乏共同的公共面，難以重建，因此，多目立體視覺采用最小二乘重建法。

步驟350：坐標系配準；

在步驟350中，坐標系配準即為手術(shù)空間上的每一個點尋找影像上的唯一個點與之相對應(yīng)，本質(zhì)上是求取手術(shù)空間坐標系到影像坐標系的一個映射關(guān)系t。映射關(guān)系t可看作一個剛體變換，可以分解為旋轉(zhuǎn)和平移，對手術(shù)空間中任意一點p和影像中唯一對應(yīng)的圖像點p可以用如下關(guān)系表示：

p＝rp+t(8)

在公式(8)中，r是一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t是一個3×1的平移向量。可以看出，最少需要四組一一對應(yīng)的點組可以求出旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量t，即映射關(guān)系t。當手術(shù)空間和影像一一對應(yīng)的點組大于四組時，可以用最優(yōu)化的思想求取最優(yōu)解，使配準更加精確。

在本申請另一實施例中，當坐標定位系統(tǒng)為電磁定位系統(tǒng)時，特征點坐標配準方式為：通過電磁定位系統(tǒng)的電磁感應(yīng)器械分別輕觸柔性多特征點靶標的各個特征點，以此得到多個特征點的空間坐標組，并利用空間坐標組進行配準；即：用于配準的空間坐標來自電磁定位系統(tǒng)，而非光學定位系統(tǒng)。

請參閱圖8，是本申請實施例的手術(shù)導航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本申請實施例的手術(shù)導航系統(tǒng)包括柔性多特征點靶標、坐標定位系統(tǒng)、醫(yī)學影像設(shè)備和手術(shù)導航服務(wù)器；具體地：

柔性多特征點靶標貼附在檢測者的病變部位，并處于坐標定位系統(tǒng)的有效測量范圍內(nèi)；柔性多特征點靶標由多個具有明顯特征點的物體構(gòu)成，其支撐結(jié)構(gòu)的底部具有容易支撐或者附著在檢測者身體表面的柔性結(jié)構(gòu)，當檢測者進行呼吸運動時，柔性多特征點靶標會隨著身體運動，并可以在醫(yī)學影像中顯像。

在醫(yī)學影像采集階段，坐標定位系統(tǒng)用于在檢測者屏氣狀態(tài)下(在吸氣末期進行屏氣)，實時采集柔性多特征點靶標的第一特征點坐標，根據(jù)采集的第一特征點坐標進行曲面擬合，得到第一擬合曲面；觀察第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化情況，并判斷第一擬合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值是否為零，當?shù)谝粩M合曲面形態(tài)隨檢測者呼吸的周期性變化值為零時，在檢測者屏氣的情況下，坐標定位系統(tǒng)記錄當前的曲面形態(tài)；同時，通過醫(yī)學影像設(shè)備采集檢測者的三維醫(yī)學影像，并將采集的三維醫(yī)學影像傳輸至手術(shù)導航服務(wù)器。

手術(shù)導航服務(wù)器用于顯示三維醫(yī)學影像，并提取三維醫(yī)學影像中柔性多特征點靶標的第一特征點坐標。

在手術(shù)導航階段，坐標定位系統(tǒng)用于在檢測者屏氣狀態(tài)(在吸氣末期進行屏氣)下，實時采集柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，并通過采集的當前特征點坐標進行曲面擬合，得到第二擬合曲面；將第二擬合曲面與第一擬合曲面相比較，觀察兩個曲面的相符程度，當兩個曲面的相符程度達到第二設(shè)定參數(shù)時，在檢測者屏住呼吸的情況下，記錄柔性多特征點靶標的當前特征點坐標，并將當前特征點坐標與手術(shù)導航服務(wù)器提取的第一特征點坐標進行配準，完成空間坐標系到影像坐標系的映射；完成配準后，通過三維醫(yī)學影像顯示手術(shù)器械，醫(yī)生可通過觀察三維醫(yī)學影像中手術(shù)器械與病變部位的相對位置關(guān)系，在檢測者屏氣時進行手術(shù)操作，呼吸時暫停手術(shù)操作，直到完成手術(shù)操作。

在本申請上述實施例中，坐標定位系統(tǒng)包括光學定位系統(tǒng)或電磁定位系統(tǒng)，其中，光學定位系統(tǒng)的空間坐標配準方式具體為：

1、標定板特征點提取；在進行數(shù)字相機標定時，需要用到高精度標定板。標定板有規(guī)則的圖案陣列(比如棋盤格、圓斑陣列)組成，具有明顯的特征點(比如角點、中心點)。特征點之間具有標準間距，選定某特征點作為世界坐標原點后，每一特征點的坐標也就確定下來了。由相機采集的標定板圖像稱為標定圖像，需要將每一特征點進行準確提取。將獲得的世界坐標序列和圖像坐標序列輸入到標定算法，就可以完成標定。可見，標定板特征點的提取精度直接影響到相機的標定精度。因此，本申請實施例的特征點提取精度達到亞像素級。

2、相機高精度標定；數(shù)字相機標定的目的是獲取相機的內(nèi)、外參數(shù)，其中內(nèi)參數(shù)包括鏡頭焦距、主點坐標、傾斜因子、鏡頭畸變等，外參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。內(nèi)參數(shù)由數(shù)字相機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，而外參數(shù)由相機相對于世界坐標的方位決定。在本申請實施例中，相機標定算法是利用標定板特征點陣列的世界坐標和圖像坐標進行相機標定，準確估計出相機的內(nèi)、外參數(shù)。數(shù)字相機經(jīng)過標定之后，由內(nèi)、外參數(shù)可以計算得到相機矩陣，相機矩陣建立起了圖像坐標和世界坐標的關(guān)系。兩組或兩組以上相機經(jīng)同步標定獲得的相機矩陣，可用于實現(xiàn)對靶標的空間定位。因此，數(shù)字相機的標定精度在很大程度上決定了光學定位系統(tǒng)的定位精度。

3、柔性多特征點靶標特征點的提??；柔性多特征點靶標一般具有方便提取的特征點，如角點、中心點，在進行柔性多特征點靶標空間定位時，需要對其進行準確提取。為了能實現(xiàn)實時跟蹤定位，相機的圖像采集頻率要達到幾十幀，因此，需要快速提取柔性多特征點靶標特征點。

4、圖像快速匹配；

5、每一個特征點在圖像序列中的每一幅圖像中均有一組坐標，建立圖像序列中每一特征點坐標關(guān)系的過程叫做匹配。匹配的目的是保證每組坐標序列對應(yīng)同一特征點，否則重建出的空間坐標會有較大誤差。根據(jù)極線約束理論，當特征點的坐標在圖像序列中的一幅圖像中確定后，可以在其他圖像所對應(yīng)的極線上進行搜索，快速獲取其他圖像中對應(yīng)同一特征點的坐標。

6、空間坐標重建；在獲得一組圖像序列中的特征點坐標后，利用相機矩陣重建空間坐標；以雙目立體視覺為例，采用以下兩種空間坐標重建方法：

a：最小二乘重建法

設(shè)雙目立體視覺中，兩相機經(jīng)標定后，得到的投影矩陣分別是m1、m2：

提取立體圖像中柔性多特征點靶標的特征點坐標(ui,vi)(i＝1,2)，其中u是橫向坐標，v是縱向坐標，i表示第i個相機。將特征點坐標帶入重建方程：

在公式(3)～(6)中，(x,y,z)是世界坐標，三個未知數(shù)，四個方程，是一個超定方程組；通過矩陣理論中的最小二乘法，可以求出x,y,z。

b：深度測量重建法；

如圖7所示，為深度測量原理圖。假設(shè)兩幅圖像是行對準的，且一臺攝像機的像素行和另一臺完全對準，稱為攝像機前向平行排列。和是像平面的像主點，ol和or是投影中心，t是投影中心間距，f是兩個攝像頭的焦距，d＝x^l-x^r是兩幅圖像的視差，由三角形相似可得，

由公式(7)可以看出，可以將求視覺深度轉(zhuǎn)化為求兩幅圖像的視差。然而在實際情況中，兩個攝像頭不可能嚴格地向前平行對準，因此需要進行立體校正，把實際中非共面行對準的兩幅圖像，校正成共面行對準。立體校正分為兩步：(1)將兩個圖像平面拉回同一平面；(2)旋轉(zhuǎn)圖像使得同行對準。

上述中，深度測量重建法適用于雙目立體視覺，當應(yīng)用于多目立體視覺重建，由于兩兩重建缺乏共同的公共面，難以重建，因此，多目立體視覺采用最小二乘重建法。

7、坐標系配準；坐標系配準即為手術(shù)空間上的每一個點尋找影像上的唯一個點與之相對應(yīng)，本質(zhì)上是求取手術(shù)空間坐標系到影像坐標系的一個映射關(guān)系t。映射關(guān)系t可看作一個剛體變換，可以分解為旋轉(zhuǎn)和平移，對手術(shù)空間中任意一點p和影像中唯一對應(yīng)的圖像點p可以用如下關(guān)系表示：

p＝rp+t(8)

在公式(8)中，r是一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t是一個3×1的平移向量。可以看出，最少需要四組一一對應(yīng)的點組可以求出旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移向量t，即映射關(guān)系t。當手術(shù)空間和影像一一對應(yīng)的點組大于四組時，可以用最優(yōu)化的思想求取最優(yōu)解，使配準更加精確。

在本申請另一實施例中，當坐標定位系統(tǒng)為電磁定位系統(tǒng)時，特征點坐標配準方式為：通過電磁定位系統(tǒng)的電磁感應(yīng)器械分別輕觸柔性多特征點靶標的各個特征點，以此得到多個特征點的空間坐標組，并利用空間坐標組進行配準；即：用于配準的空間坐標來自電磁定位系統(tǒng)，而非光學定位系統(tǒng)。

本申請實施例的手術(shù)導航方法及系統(tǒng)以柔性多特征點靶標為媒介，在醫(yī)學影像采集階段，采集靶標的特征點坐標，根據(jù)特征點坐標進行曲面擬合，并根據(jù)曲面形態(tài)采集病人的三維醫(yī)學影像；在手術(shù)導航階段，記錄當前靶標的特征點坐標，并與三維醫(yī)學影像中的特征點坐標進行坐標系配準，完成空間坐標系到影像坐標系的映射。本申請實施例兼顧呼吸狀態(tài)表征和坐標系配準，提高了呼吸運動病灶區(qū)的手術(shù)導航精度。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本申請。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本申請的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本申請將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。