[发明专利]采用红外反光球为标志点的手术器械定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用红外反光球为标志点的手术器械定位方法，可应用于手术导航仪中的手术器械跟踪定位系统，并可以扩展到所有采用红外反光球为标志点的光学定位系统中。本发明属于先进医疗装备与技术领域。

背景技术

到目前为止，外科手术主要依靠医生用肉眼来判断病灶的位置，从而进行手术切除等操作。这种方式的缺点是手术开口大，出血多，术后恢复时间长。随着计算机成像技术、虚拟现实技术以及计算机视觉理论的发展，手术导航系统(Surgical Navigation System)越来越受到人们的重视。手术导航系统可以给医生提供一个直观、可视化的手术操作平台，使微创手术成为现实，病人的痛苦大大减轻。在西方发达国家，在手术导航系统辅佐下的微创手术甚至远程手术逐渐推广。

为了实现手术导航，对手术器械进行准确的跟踪和定位是不可或缺的步骤。加拿大NDI公司生产的导航定位仪是目前国际市场上的主流产品。但由于现有定位算法的缺陷，几乎所有的导航定位设备的有效工作范围都较狭窄，往往无法满足手术过程中任意移动手术器械的要求。目前，人们常用红外反光标志球的椭圆投影中心代替反光球球心的投影点，但这一前提仅仅在手术器械处于摄像机视场中间区域时近似成立。但是，在手术过程中，很有可能需要对手术器械作比较大范围的移动。一旦手术器械偏离摄像机视场的中心区域，定位精度就会降低，那么很有可能导致风险操作甚至医疗事故。目前，常见导航产品通过提示用户超出使用范围来避免风险发生，但这往往造成使用不便。比如，NDI公司就对其产品使用有严格的规定(POLARIS User Manual，http://www.ndigital.com)。同时，现有技术要求尽量减小反光球的直径，但光斑很小时，光斑边界就容易受到图像上各种噪声的干扰，从而产生比较大的误差。

总之，为了扩大导航仪的有效工作范围，需要准确确定出红外反光球的球心投影点，进而确定反光球球心的空间坐标，而不是用反光球椭圆影像的中心代替球心的投影点。因此，一种能够以较小计算代价求取反光球球心投影点的算法具有较高的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种采用红外反光球为标志点的手术器械定位方法，扩大手术导航系统的有效工作范围，提高手术器械的定位精度。

本发明的上述目的是通过下述技术方案实现的：利用单摄像机标定方法，分别确定出左右摄像机的内参数和一阶径向畸变参数，利用立体摄像机标定方法，计算出表征左右摄像机相对位置关系的旋转矩阵和平移向量；用红外光源照射安装有3个不在同一直线上的红外反光球的手术器械导航支架，再利用左右摄像机同时拍摄导航支架，从而得到左右两幅包含3个反光球的椭圆影像的图像；对这两幅图像进行畸变校正，使其不含有畸变信息；在经过畸变校正的左右图像上分别检测出每个反光球椭圆影像的边界，利用边界像素点拟合出椭圆方程，从而在左右图像上分别得到3个椭圆影像的数学表示矩阵；分别求出每个矩阵的对偶矩阵，利用相应的约束关系计算出反光球球心投影点的位置；对左右图像分别得到的3个球心投影点进行点匹配，得到3个点对，再利用它们重建出3个反光球球心的空间坐标；最后进行一系列的坐标变换可以计算出手术器械尖端工作部位的空间方位。

本发明所涉及的定位方法包括以下具体步骤：

(1)摄像机标定：对左右摄像机分别利用单摄像机标定方法，确定出左摄像机的内参数矩阵A_l、左摄像机的一阶径向畸变参数S_l、右摄像机的内参数矩阵A_r、右摄像机的一阶径向畸变参数S_r；利用立体摄像机标定方法，计算出表征左右摄像机相对位置关系的旋转矩阵R₀和平移向量t₀；

(2)畸变校正：用红外光源照射安装有不在同一直线上的三个红外反光球的导航支架，并将左右摄像机放置在导航支架附近，确保该导航支架处在左右摄像机的公共视场范围内；利用左右摄像机同时拍摄导航支架，从而在左摄像机得到一幅包含三个红外反光球的椭圆影像的图像，同时，在右摄像机也得到一幅包含三个红外反光球的椭圆影像的图像；利用左摄像机的一阶径向畸变参数S_l对左边图像进行畸变校正，得到不含有畸变信息的左边图像；同时，利用右摄像机的一阶径向畸变参数S_r对右边图像进行畸变校正，得到不含有畸变信息的右边图像；