一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，包括：獲取雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的內(nèi)外部參數(shù)及確定系統(tǒng)坐標(biāo)系；定義一離散空間點(diǎn)集合；依據(jù)小孔成像原理，將空間離散點(diǎn)投射到左右攝像機(jī)的成像面上，計算出理論亞像素點(diǎn)坐標(biāo)；以理論亞像素點(diǎn)為中心，確定一誤差范圍，在左右攝像機(jī)成像面上各隨機(jī)取上述誤差范圍內(nèi)的點(diǎn)若干個，根據(jù)雙目視覺的對極幾何原理重建這些配對像素點(diǎn)的空間點(diǎn)坐標(biāo)，并計算這些空間點(diǎn)與原空間點(diǎn)的距離，將這些距離的均值作為原空間點(diǎn)的空間相對誤差值；將手術(shù)器械所在位置的空間相對誤差分布可視化。本發(fā)明可指導(dǎo)外科醫(yī)生在空間相對誤差較小的區(qū)域內(nèi)操作手術(shù)器械進(jìn)行導(dǎo)航，以提高手術(shù)導(dǎo)航的精度。
【專利說明】一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助手術(shù)研究領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)得到了快速的推廣，逐漸用于神經(jīng)外科、口腔頜面外科、骨科等手術(shù)中。在光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，標(biāo)記點(diǎn)跟蹤定位是手術(shù)導(dǎo)航的核心內(nèi)容，其跟蹤定位方法與精度直接決定手術(shù)導(dǎo)航的精度、應(yīng)用范圍與實用性。
[0003]手術(shù)導(dǎo)航的精度不僅跟標(biāo)記點(diǎn)跟蹤方法的精度相關(guān)，還與光學(xué)定位系統(tǒng)擺放的位置有關(guān)，盡管標(biāo)記點(diǎn)跟蹤方法的精度較高，但如手術(shù)器械與光學(xué)定位系統(tǒng)的相對位置不是處于最佳跟蹤區(qū)域內(nèi)，則會大大降低最終的導(dǎo)航精度，使得手術(shù)效果與術(shù)前規(guī)劃偏差較大，甚至導(dǎo)致手術(shù)失敗。其原因在于標(biāo)記點(diǎn)在有效視場內(nèi)誤差分布是不均勻的，與定位系統(tǒng)等距離的不同位置，誤差分布也是不同的，這主要決定于攝像機(jī)拍攝標(biāo)記點(diǎn)的方位以及標(biāo)記點(diǎn)在圖像上的分辨率。因此，需分析定位系統(tǒng)誤差分布，并使其可視化。術(shù)前根據(jù)誤差分布圖譜，調(diào)整光學(xué)定位系統(tǒng)位置，使手術(shù)工具的活動區(qū)域位于誤差較小區(qū)域內(nèi)，以提高手術(shù)導(dǎo)航的精度。
[0004]因此，設(shè)計 一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法對于提高導(dǎo)航的精度有很大的必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對標(biāo)記點(diǎn)在有效視場內(nèi)誤差分布是不均勻的，與定位系統(tǒng)等距離的不同位置，誤差分布也是不同的這一問題，提供一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，該方法可以定位系統(tǒng)誤差分布，并使其可視化，從而指導(dǎo)醫(yī)生操作手術(shù)器械在空間誤差較小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航，提高手術(shù)導(dǎo)航的精度。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，該方法是計算手術(shù)導(dǎo)航雙目光學(xué)定位系統(tǒng)有效視場的空間相對誤差分布，然后將手術(shù)器械所在位置的空間相對誤差分布可視化。
[0007]具體的，所述計算手術(shù)導(dǎo)航雙目光學(xué)定位系統(tǒng)有效視場的空間相對誤差分布的方法是:
[0008](I)獲取雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的內(nèi)外部參數(shù)；
[0009](2)確定雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)坐標(biāo)系；
[0010](3)定義一個呈長方體分布的離散空間點(diǎn)集合；
[0011](4)依據(jù)小孔成像原理，將空間離散點(diǎn)投射到左右攝像機(jī)的成像面上，計算出理論亞像素點(diǎn)坐標(biāo)；
[0012](5)以理論亞像素點(diǎn)為中心，確定一圓形或方形誤差范圍，在左右攝像機(jī)成像面上各隨機(jī)取上述誤差范圍內(nèi)的點(diǎn)若干個，其中左右攝像機(jī)的取點(diǎn)數(shù)相同，根據(jù)雙目視覺的對極幾何原理重建這些配對像素點(diǎn)的空間點(diǎn)坐標(biāo)，并計算這些空間點(diǎn)與原空間點(diǎn)的距離，將這些距離的均值作為原空間點(diǎn)的空間相對誤差值。
[0013]具體的，所述步驟(1)中，雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的內(nèi)外部參數(shù)通過標(biāo)定左右攝像機(jī)得到，或者由制造商給定。
[0014]具體的，所述步驟(2)中，雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)坐標(biāo)系定義如下:以兩個攝像機(jī)光心的連線為X軸，它們的中點(diǎn)為原點(diǎn)，原點(diǎn)指向右攝像機(jī)光心為X軸正方向；Y軸定義為過原點(diǎn)且垂直于左右攝像機(jī)坐標(biāo)系的Z軸，原點(diǎn)指向空間上方為正方向；使用右手定則確定Z軸，指向左右攝像機(jī)的拍攝方向為Z軸正方向。
[0015]具體的，所述步驟(3)中，所述長方體的寬高長分別與系統(tǒng)坐標(biāo)系的X、Y、Z軸平行，系統(tǒng)Z軸過長方體前后兩面的中心點(diǎn)。
[0016]具體的，所述步驟(4)中，計算理論亞像素點(diǎn)坐標(biāo)的步驟是:
[0017](4-1)設(shè)系統(tǒng)坐標(biāo)系下，P點(diǎn)坐標(biāo)為(Xw，Yw, Zw)，該點(diǎn)坐標(biāo)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的實際坐標(biāo)為(X。，Y。，Z。)，對應(yīng)的亞像素點(diǎn)坐標(biāo)即在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(U，V)，P點(diǎn)從系統(tǒng)坐標(biāo)系變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系的公式:
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，該方法是計算手術(shù)導(dǎo)航雙目光學(xué)定位系統(tǒng)有效視場的空間相對誤差分布，然后將手術(shù)器械所在位置的空間相對誤差分布可視化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述計算手術(shù)導(dǎo)航雙目光學(xué)定位系統(tǒng)有效視場的空間相對誤差分布的方法是: (1)獲取雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的內(nèi)外部參數(shù)； (2)確定雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)坐標(biāo)系； (3)定義一個呈長方體分布的離散空間點(diǎn)集合； (4)依據(jù)小孔成像原理，將空間離散點(diǎn)投射到左右攝像機(jī)的成像面上，計算出理論亞像素點(diǎn)坐標(biāo)； (5)以理論亞像素點(diǎn)為中心，確定一圓形或方形誤差范圍，在左右攝像機(jī)成像面上各隨機(jī)取上述誤差范圍內(nèi) 的點(diǎn)若干個，其中左右攝像機(jī)的取點(diǎn)數(shù)相同，根據(jù)雙目視覺的對極幾何原理重建這些配對像素點(diǎn)的空間點(diǎn)坐標(biāo)，并計算這些空間點(diǎn)與原空間點(diǎn)的距離，將這些距離的均值作為原空間點(diǎn)的空間相對誤差值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(1)中，雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的內(nèi)外部參數(shù)通過標(biāo)定左右攝像機(jī)得到，或者由制造商給定。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(2)中，雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)坐標(biāo)系定義如下:以兩個攝像機(jī)光心的連線為X軸，它們的中點(diǎn)為原點(diǎn)，原點(diǎn)指向右攝像機(jī)光心為X軸正方向；Y軸定義為過原點(diǎn)且垂直于左右攝像機(jī)坐標(biāo)系的Z軸,原點(diǎn)指向空間上方為正方向；使用右手定則確定Z軸,指向左右攝像機(jī)的拍攝方向為Z軸正方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述長方體的寬高長分別與系統(tǒng)坐標(biāo)系的X、Y、Z軸平行，系統(tǒng)Z軸過長方體前后兩面的中心點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(4)中，計算理論亞像素點(diǎn)坐標(biāo)的步驟是: (4-1)設(shè)系統(tǒng)坐標(biāo)系下，P點(diǎn)坐標(biāo)為(Xw，Yw, Zw)，該點(diǎn)坐標(biāo)在攝像機(jī)坐標(biāo)系中的實際坐標(biāo)為(X。，Y。, Z。)，對應(yīng)的亞像素點(diǎn)坐標(biāo)即在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u, V), P點(diǎn)從系統(tǒng)坐標(biāo)系變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系的公式:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟(5)中，空間相對誤差值的計算過程如下: (5-1)以理論亞像素點(diǎn)為中心，確定一圓形或方形誤差范圍，在左右攝像機(jī)成像面上各隨機(jī)取上述誤差范圍內(nèi)的點(diǎn)Pli (i=l, 2，...，N),Pri (i=l, 2，...，N)，將Pli和Pri進(jìn)行一對一配對，形成N2種組合； (5-2)根據(jù)步驟(4-2)、(4-3)中的公式，得到步驟(5-1)所述的每個像素點(diǎn)對應(yīng)的實際攝像機(jī)坐標(biāo)(xyz。，Yyz。，i):Pi點(diǎn)在左攝像機(jī)坐標(biāo)系下的ο廣向量滿足如下關(guān)系:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航標(biāo)記點(diǎn)誤差指示的示蹤器設(shè)計方法，其特征在于，所述將手術(shù)器械所在位置的空間相對誤差分布可視化的方法是:定義一灰度或彩色條，為每個誤差值賦予一種灰度或彩色，構(gòu)建三維相對誤差分布灰度或彩色圖譜，根據(jù)發(fā)光點(diǎn)與雙目光學(xué)定位系統(tǒng)的距離將二維灰度或彩色圖譜及手術(shù)器械發(fā)光點(diǎn)位置顯示出來。
【文檔編號】A61B19/00GK103948431SQ201410149067
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】楊榮騫, 林欽永, 吳效明, 司璇 申請人:華南理工大學(xué)