專利名稱：利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體涉及一種利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的外科手術(shù)，無(wú)論是書前規(guī)劃還是術(shù)中決定手術(shù)進(jìn)程都依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)。 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(jìn)行手術(shù)，往往會(huì)造成手術(shù)開口大，術(shù)后恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等問題。隨著社會(huì)的進(jìn)步和醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，外科手術(shù)越來(lái)越注重精細(xì)化和微創(chuàng)化。在計(jì)算機(jī)、精密制造、醫(yī)學(xué)成像、圖像處理等技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，人們嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，形成了一個(gè)新的研究及臨床應(yīng)用熱點(diǎn)計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)(computer aided surgery，CAQ，類似的名稱還有計(jì)算機(jī)集成手術(shù) (computer integratedsurgery，CIS)。CAS是將傳統(tǒng)醫(yī)療器械與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物， 是數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、網(wǎng)絡(luò)通訊和外科學(xué)等多學(xué)科交叉的新型研究領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)通過(guò)各種成像設(shè)備獲得病灶部位的多模態(tài)圖像，對(duì)這些圖像進(jìn)行配準(zhǔn)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(shù)方案和手術(shù)模擬；在手術(shù)中將手術(shù)空間和術(shù)前重建的三維圖形空間進(jìn)行配準(zhǔn)后實(shí)時(shí)顯示手術(shù)進(jìn)程，并按照預(yù)定的手術(shù)方案進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。紅外手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，其充當(dāng)醫(yī)生的眼睛，為醫(yī)生實(shí)時(shí)顯示手術(shù)器械相對(duì)于病灶部位解剖的位置和方向。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)也被稱為圖像引導(dǎo)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(image—guided surgical navigation system)。它包括手術(shù)器械、定位足艮蹤儀、圖形工作站和顯示設(shè)備。紅外手術(shù)導(dǎo)航儀涉及到的關(guān)鍵技術(shù)包括攝相機(jī)標(biāo)定，三維重建，手術(shù)器械標(biāo)定，多體分割，估算手術(shù)器械的針尖點(diǎn)位置及器械方向，立體圖像配準(zhǔn)和圖像變換。由于手術(shù)器械針尖點(diǎn)的位置直接影響到手術(shù)的精度，所以對(duì)其誤差分析及提高精度顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101099673A，
公開日2008. 1. 9， 記載了一種采用紅外反光球?yàn)闃?biāo)志點(diǎn)的手術(shù)器械定位方法，該技術(shù)在手術(shù)器械三維重建時(shí)孤立地將手術(shù)器械每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)重建，這樣由于標(biāo)定，投影，量化等誤差導(dǎo)致的標(biāo)志點(diǎn)累計(jì)三維位置信息誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法，通過(guò)利用手術(shù)器械上的標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)立體視覺確定標(biāo)志點(diǎn)三維空間位置，利用標(biāo)志點(diǎn)之間的相互關(guān)系匹配現(xiàn)有的手術(shù)器械，根據(jù)匹配的手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)，以及線性及非線性標(biāo)志，標(biāo)志點(diǎn)三維空間位置進(jìn)行矯正，得到精度更高的位置信息；本發(fā)明能夠使得手術(shù)器械定位精度顯著提高。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過(guò)對(duì)左右攝相機(jī)分別進(jìn)行單目攝相機(jī)標(biāo)定并標(biāo)定手術(shù)器械，然后利用標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)立體視覺進(jìn)行手術(shù)器械的三維重建并進(jìn)行器械匹配，得到三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)；最后利用匹配成功的手術(shù)器械的器械結(jié)構(gòu)和線性及非線性標(biāo)志，對(duì)得到的三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)進(jìn)行矯正。和現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明通過(guò)加入手術(shù)器械的固有結(jié)構(gòu)特性，能有效提高器械定位精度。


圖1為手術(shù)器械線性探針示意圖；圖中標(biāo)注的1，2，3三個(gè)球是三個(gè)紅外反光球，作為標(biāo)志點(diǎn)使用示意圖。圖2為線性探針在雙目攝相機(jī)下的圖像示意圖；圖中左邊圖像為做攝像機(jī)下拍攝到的圖像，右邊圖像為右攝相機(jī)下拍攝到的圖像示意圖。圖上顯著的亮斑為手術(shù)器械上的發(fā)光小球示意圖。圖3為手術(shù)器械非線性探針示意圖；圖中標(biāo)注的1，2，3三個(gè)球是三個(gè)紅外反光球，作為標(biāo)志點(diǎn)使用示意圖。圖4為非線性參考物在雙目攝相機(jī)下的圖像示意圖；圖中左邊圖像為做攝像機(jī)下拍攝到的圖像，右邊圖像為右攝相機(jī)下拍攝到的圖像。圖上顯著的亮斑為手術(shù)器械上的發(fā)光小球。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1本實(shí)施例選用紅外手術(shù)導(dǎo)航儀中線性探針及非線性參考物的三維重建，通過(guò)對(duì)左右攝相機(jī)分別進(jìn)行單目攝相機(jī)標(biāo)定并標(biāo)定手術(shù)器械，然后利用標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)立體視覺進(jìn)行手術(shù)器械的三維重建并進(jìn)行器械匹配，得到三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)；最后利用匹配成功的手術(shù)器械的器械結(jié)構(gòu)和線性及非線性標(biāo)志，對(duì)得到的三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)進(jìn)行矯正。所述的單目攝相機(jī)標(biāo)定得到左攝相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣A1,右攝相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣4，利用立體攝相機(jī)標(biāo)定方法，計(jì)算出右攝相機(jī)相對(duì)于左攝相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣R0,平移矩陣Ttl，其中
權(quán)利要求
1.一種利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法，其特征在于，通過(guò)對(duì)左右攝相機(jī)分別進(jìn)行單目攝相機(jī)標(biāo)定并標(biāo)定手術(shù)器械，然后利用標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)立體視覺進(jìn)行手術(shù)器械的三維重建并進(jìn)行器械匹配，得到三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)；最后利用匹配成功的手術(shù)器械的器械結(jié)構(gòu)和線性及非線性標(biāo)志，對(duì)得到的三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)進(jìn)行矯正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)標(biāo)定得到左攝相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣A1,右攝相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣4，利用立體攝相機(jī)標(biāo)定方法，計(jì)算出右攝相機(jī)相對(duì)于左攝相機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣Rtl,平移矩陣Ttl，其中
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的標(biāo)定手術(shù)器械，具體步驟如下·1.1)在手術(shù)器械上設(shè)置三個(gè)發(fā)光小球作為標(biāo)志點(diǎn)，用于描述出手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)；·1.2)在雙目攝相機(jī)視野范圍內(nèi)，移動(dòng)手術(shù)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(biāo)定完成的雙目攝相機(jī)拍攝得到手術(shù)器械的兩幅圖像；·1.4)對(duì)兩幅圖像上的標(biāo)志點(diǎn)經(jīng)行聚類運(yùn)算并分別得到圖像的標(biāo)志點(diǎn)中心；·1.5)對(duì)手術(shù)器械的標(biāo)志點(diǎn)經(jīng)行匹配當(dāng)雙目攝相機(jī)水平放置時(shí)，利用垂直方向坐標(biāo)Y 可以將標(biāo)志點(diǎn)按照Y坐標(biāo)相近分類，對(duì)于Y坐標(biāo)相近的多個(gè)點(diǎn)，可以利用水平位置順序?qū)?biāo)志點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)匹配，當(dāng)是Y坐標(biāo)相近的只有1組點(diǎn)，則將這組點(diǎn)對(duì)應(yīng)匹配；當(dāng)匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)等于標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù)三個(gè)，則進(jìn)行下面的步驟，否則放棄此次結(jié)果返回步驟1. 2 ；·1.6)將對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)，利用雙目攝相機(jī)的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行三維重建；·1. 7)計(jì)算各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)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(hào)，當(dāng)測(cè)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(cè)得數(shù)據(jù)中的各個(gè)距離取平均值，得到dmaxiS，dfflidtt, dminiS，并記錄，計(jì)算
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的聚類運(yùn)算是指對(duì)圖像進(jìn)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(gè)區(qū)域中心，并且記錄坐標(biāo)值
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)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(biāo)定手術(shù)器械相同的方法得到發(fā)光小球球心的三維坐標(biāo)Pi，i = 1,2,3； ·2.2)計(jì)算調(diào)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(shù)器械的器械結(jié)構(gòu)，當(dāng)^^ <0·05且
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法，其特征是，所述的手術(shù)器械是指線性探針或非線性參考物體，當(dāng)所述的手術(shù)器械為線性探針時(shí)，設(shè)置于線性探針上的標(biāo)志點(diǎn)均位于同一條直線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)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(diǎn)齊次坐標(biāo)Pi =
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shù)領(lǐng)域的利用手術(shù)器械機(jī)械結(jié)構(gòu)提升器械三維定位精度的方法，通過(guò)對(duì)左右攝相機(jī)分別進(jìn)行單目攝相機(jī)標(biāo)定并標(biāo)定手術(shù)器械，然后利用標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)立體視覺進(jìn)行手術(shù)器械的三維重建并進(jìn)行器械匹配，得到三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)；最后利用匹配成功的手術(shù)器械的器械結(jié)構(gòu)和線性及非線性標(biāo)志，對(duì)得到的三維空間點(diǎn)齊次坐標(biāo)進(jìn)行矯正。本發(fā)明通過(guò)利用手術(shù)器械上的標(biāo)志點(diǎn)通過(guò)立體視覺確定標(biāo)志點(diǎn)三維空間位置，利用標(biāo)志點(diǎn)之間的相互關(guān)系匹配現(xiàn)有的手術(shù)器械，根據(jù)匹配的手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)，以及線性及非線性標(biāo)志，標(biāo)志點(diǎn)三維空間位置進(jìn)行矯正，得到精度更高的位置信息；本發(fā)明能夠使得手術(shù)器械定位精度顯著提高。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102319116SQ20111013824
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:上海交通大學(xué)