[发明专利]一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法

权利要求书

1.一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，该方法是计算手术导航双目光学定位系统有效视场的空间相对误差分布，然后将手术器械所在位置的空间相对误差分布可视化。

2.根据权利要求1所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述计算手术导航双目光学定位系统有效视场的空间相对误差分布的方法是：

（1）获取双目光学定位系统的内外部参数；

（2）确定双目光学定位系统的系统坐标系；

（3）定义一个呈长方体分布的离散空间点集合；

（4）依据小孔成像原理，将空间离散点投射到左右摄像机的成像面上，计算出理论亚像素点坐标；

（5）以理论亚像素点为中心，确定一圆形或方形误差范围，在左右摄像机成像面上各随机取上述误差范围内的点若干个，其中左右摄像机的取点数相同，根据双目视觉的对极几何原理重建这些配对像素点的空间点坐标，并计算这些空间点与原空间点的距离，将这些距离的均值作为原空间点的空间相对误差值。

3.根据权利要求2所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中，双目光学定位系统的内外部参数通过标定左右摄像机得到，或者由制造商给定。

4.根据权利要求2所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中，双目光学定位系统的系统坐标系定义如下：以两个摄像机光心的连线为X轴，它们的中点为原点，原点指向右摄像机光心为X轴正方向；Y轴定义为过原点且垂直于左右摄像机坐标系的Z轴，原点指向空间上方为正方向；使用右手定则确定Z轴，指向左右摄像机的拍摄方向为Z轴正方向。

5.根据权利要求2所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述长方体的宽高长分别与系统坐标系的X、Y、Z轴平行，系统Z轴过长方体前后两面的中心点。

6.根据权利要求4所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤（4）中，计算理论亚像素点坐标的步骤是：

（4-1）设系统坐标系下，P点坐标为(X_w,Y_w,Z_w)，该点坐标在摄像机坐标系中的实际坐标为(X_c,Y_c,Z_c)，对应的亚像素点坐标即在图像坐标系中的坐标为（u，v），P点从系统坐标系变换到摄像机坐标系的公式：

XcYcZc=RXwYwZw+T]]>

这里R是3×3的正交矩阵，T是3×1的矢量，R、T均为摄像机的外部参数；

（4-2）将坐标(X_c,Y_c,Z_c)归一化为(X_c/Z_c,Y_c/Z_c,1)，(X_c/Z_c,Y_c/Z_c,1)与理论的线性模型的坐标(X′_c/Z′_c,Y′_c/Z′_c,1)具有以下的关系：

Xc′/Zc′Yc′/Zc′1=(1+k1r2+k2r4+k5r6)Xc/ZcYc/Zc1+2k3xy+k4(r2+2x2)k3(r2+2y2)+2k4xy1;]]>

其中x=X_c/Z_c,y=Y_c/Z_c，r²=x²+y²，k₁,k₂,k₃,k₄,k₅为摄像机镜头畸变系数矩阵k的5个分量；

（4-3）由小孔成像线性模型得到P点从摄像机坐标系变换到图像坐标系的坐标变换公式：

uv1=AXc′/Zc′Yc′/Zc′1;]]>

这里A=fxsu00fyv0001]]>为摄像机的内部矩阵，s为摄像机的倾斜因子，即成像平面两垂直轴的夹角，f_x=f/d_x，f_y=f/d_y，f是摄像机的焦距，d_x、d_y分别是图像上每个像素在x轴、y轴方向上的物理尺寸，都是已知参数，由摄像机厂家提供；u₀、v₀是以物理长度为单位的图像坐标系原点o_i在以像素为单位的图像坐标系下的坐标。