[发明专利]位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法，特别是用于手术导航的位置传感器与内窥镜摄像机标定的装置与方法，属于计算机手术导航技术领域。

背景技术

位置传感器与三维腹腔镜摄像机的标定是三维腹腔镜手术导航的首要问题，标定的精度是影响导航系统精度的关键因素。

光学传感器的跟踪精度非常高，但由于存在光学标记遮挡的问题，不能保证跟踪定位的连续性；另外，由于用来计算跟踪物体位置和姿态的光学标记必须和跟踪物体刚性接触，所以使光学跟踪系统的应用范围受到了一定的限制。

电磁位置传感器利用电磁波的穿透性，可以深入人体内，不用考虑标记遮挡的问题。但对于电磁位置传感器来说，同样存在一个自身无法克服的问题，就是磁场的形变问题。众所周知，如果在磁场周围存在铁磁物体或电磁物体，磁场就极易受到干扰而产生形变。这对于依靠磁场感应来获得位置信息的电磁位置传感器来说，直接导致的后果就是输出精度产生偏差。

文献“NakadaK,NakamotoM,SatoY,etal.ARapidMethodforMagneticTrackerCalibrationUsingaMagneto-opticHybridTrackers[C].NewYork:Springer(MICCAI2003),2003:285-293.”采用一个光学位置跟踪系统(OT:Opticaltrackingsystem)作为参照标准，并借助一个固定了电磁位置传感器和光学位置跟踪系统的磁-光数据采集工具。操作者在测量空间中移动这个数据采集工具并同时记录两种跟踪系统的输出，然后通过比较这两种输出的误差来构建一个电磁位置跟踪系统输出误差的多项式模型，从而推测出电磁位置跟踪系统的输出误差。但是，由于电磁位置跟踪系统和光学位置跟踪系统有着各自的测量频率和系统时钟，所以如何获得与电磁位置跟踪系统输出准确对应的光学位置跟踪系统输出是一个难题。文献“GregorySFischerandRussellHTaylor.ElectromagneticTrackerMeasurementErrorSimulationandToolDesign[C].NewYork:Springer(MICCAI2005),2005:73-80.”通过利用采集数据时固定采集工具的方法来获得准确的电磁位置跟踪系统和光学位置跟踪系统的对应输出，但是由于需要大量的时间来采集补偿模型所需要的样本数据，使之很难应用于实践。

发明内容

本发明的目的在于提供一种位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法，其克服了现有电磁位置传感器由于磁场形变产生的输出偏差缺陷，标定精确、实时性高；本发明操作简便，仅利用内窥镜摄像机前端固定的电磁位置传感器和标定网格，即可推定电磁位置传感器和内窥镜摄像机的位置关系。

本发明技术方案是这样实现的：位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法，首先利用高精度光学定位系统补偿电磁位置传感器输出误差，然后利用标定参考立方体计算三维腹腔镜摄像机位置和姿态，最后使用对偶四元数分析电磁位置传感器与三维腹腔镜摄像机的坐标关系；其特征在于具体步骤如下：

1.电磁位置传感器误差补偿

(1)建立光学位置跟踪系统坐标系、光学位置传感器坐标系、电磁位置跟踪系统坐标系、电磁位置传感器坐标系；

(2)计算电磁位置传感器在中的位置和姿态矩阵，记为：；

(3)根据从的位置关系转换，将电磁传感器的位置和姿态在光学位置跟踪系统坐标系中的坐标转换到电磁位置跟踪系统坐标系下，其位置和姿态矩阵记为：；

（4）比较和获得电磁位置传感器输出误差，建立误差补偿模型；

2.摄像机位置和姿态计算

(1)制作标定参考立方体

(2)获取欧氏坐标系下的坐标X

(3)获取图像坐标系下坐标

(4)建立X、之间坐标的对应关系

(5)根据建立摄像机矩阵约束方程组

(6)求解(5)中约束方程组最小二乘解得摄像机矩阵

3.位置传感器与内窥镜坐标关系分析

(1)对N个空间中的位置取电磁位置传感器和摄像机的位置和姿态

(2)计算表达传感器与摄像机之间变换关系的对偶四元数

(3)利用由奇异值分解(SVD)法求的对偶四元数所包含的变换，即位置传感器与内窥镜摄像机位置转换矩阵；