[实用新型]一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统

说明书

技术领域

 本实用新型涉及电子技术领域，特别涉及一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统。 

背景技术

公知的手术工具实时检测装置，传统的采用机械定位方式，机械结构的刚体特性的主要缺点是体积大，重量重，安装和操作比较复杂。另外一个比较大的问题是，由于导航装置是一个悬臂，手术工具与机械导航装置的定位孔发生接触时，会造成机械导航工具的较大形变误差。而且随着使用过程，由于机械磨损导致精度降低而不能使用。

近年还出现了采用电磁方式和双目视觉进行定位。电磁感应则存在精度有限，而且易于受到环境干扰；双目视觉则由于必须配置至少两个图像传感器，处理计算能力要求高，因而体积和成本都不能得到有效降低。而且这些定位装置，都必须有专用的导航系统软件和计算机，同时必须事先对手术环境的坐标系与定位装置的坐标系、医学图像坐标系三者进行配准，体积庞大，成本高昂，用户的使用必须经过专业的学习。在中小型手术时，劣势尤其明显。

本实用新型基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其操作步骤与定位原理都与原有的机械定位导航装置类似。但是采用光学定位取代了机械定位，第一使得手术工具与导航装置的基准没有物理接触，因为不会因为机械力造成形变误差；第二可以采用计算机图像数据记录手术规划路径，比使用机械刻度存储灵活性大，存储空间丰富。第三，由于现在SOC应用处理器的小型化和普及化，其成本和体积、重量也比上述基准导航装置具有较大的优势。

同时因为基准标志单元的标志图形支持编码，因而即使存在多个手术工具同时使用，并存在多个不同的基准标志单元时，也可以正常工作而互不干扰。需要多个工具协同时，也可以通过WIFI互通信息。每个图像采集及人机交互单元的体积和重量都和普通的手机或者MP4播放器相当，根据手术行程，用户可以灵活选择不同大小的基准标志单元。因而，其完全可以胜任大型手术导航系统完成的工作，但是由于其体积小巧，操作简单，成本也低廉许多，必将逐渐取代大型导航系统。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统。以解决现有技术中的导航装置成本高，使用步骤繁琐的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，使用光学定位原理进行手术工具的位姿实时检测，其中，所述单目视觉手术工具位姿实时检测系统包括：

用于确定一基于患者身体的基准坐标系的基准标志单元；

用于进行图像采集，获取手术工具相对基准坐标系的旋转姿态和平移位置的图像采集及人机交互单元；

所述基准标志单元与患者身体刚性连接，所述图像采集及人机交互单元刚性固着于手术工具上。

所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其中，所述基准标志单元的个数为一个或多个，所述基准标志单元由至少两个互不平行的平面构成，两个平面共一条边，每个平面印刷有特征点图形。

所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其中，所述图像采集及人机交互单元进一步包括：嵌入式处理系统、显示面板和图像采集单元；所述嵌入式处理系统连接显示面板和图像采集单元。

所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其中，所述显示面板为带触摸屏的液晶显示屏；所述图像采集单元为CMOS图像采集单元；所述嵌入式处理系统进一步包括一图像应用处理器， RAM芯片，用于存放程序固件的FLASH和一WIFI网络接口卡。

一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测方法，使用光学定位原理进行手术工具的位姿实时检测，其中，所述单目视觉手术工具位姿实时检测方法包括以下步骤：

S1、将基准标志单元与患者身体的待手术处刚性连接，并将图像采集及人机交互单元固着到手术工具上；

S2、图像采集及人机交互单元采集带有标准标识单元的患者身体的待手术处的图像信息，获取手术工具相对世界坐标系的旋转姿态和平移位置；

S3、图像采集及人机交互单元引导手术工具到达目标手术位姿，并进行手术导航，指引手术工具逐一进行手术实施，完成手术的全部操作。

所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测方法，其中，所述步骤S2中图像采集及人机交互单元在获取手术工具相对世界坐标系的旋转姿态和平移位置时，包括：

使用数字图像传感器检测基准标志单元的特征点位置，利用投影关系解算出数字图像传感器相对于基准标志单元的位姿。

所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测方法，其中，所述步骤S3中进一步包括：