[发明专利]使用单目定位跟踪器的手术导航系统

权利要求书

1.一种手术导航系统，其特征在于包括：

单目定位跟踪器，其仅包含一个摄像机和光源；

被跟踪目标，其包含四个及以上单目定位跟踪器可识别的反光标记；

特征平面指示装置，其包含若干反光标记，以及一个方向指示装置，用于在单目定位跟踪器下确定一个人体特征参考平面；

支撑支架，其包含与手术部位组织固定连接的支撑件，至少两个旋转关节，以及快速拆卸装置；用于将单目定位跟踪器固定并支撑在手术部位，以及调整单目定位跟踪器的视野方向；

计算单元，计算并记录特征平面指示装置确定的参考平面；实时计算并记录单目定位跟踪器的姿态变化；从单目定位跟踪器获得影像并计算被跟踪目标的位置与姿态；实时计算被跟踪目标相对于水平面及参考平面的角度。

2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于所述的单目定位跟踪器还具备光源亮度调整模块，其接受计算单元指令，动态调整光源亮度，从而控制光源形成的光场强度。

3.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于所述的单目定位跟踪器还包括加速度传感器和陀螺仪和磁力计，对被跟踪目标进行光学跟踪，同时测量定位跟踪器自身姿态变化和重力方向；所述的加速度计用于测量三个垂直方向的加速度，所述的陀螺仪用于测量三个方向的旋转分量。

4.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于还包括无菌隔离装置，其具有被光线穿透的窗口，安装在所述的单目定位跟踪器的前端，用以对单目定位跟踪器的前端进行无菌隔离，并保持单目定位跟踪器精度不降低。

5.根据权利要求4所述的手术导航系统，其特征在于还在所述的无菌隔离装置与所述的单目定位跟踪器的装配处设置锁定机构，以将所述的无菌隔离装置锁定安装在跟踪器前端，不发生松动。

6.根据权利要求4所述的手术导航系统，其特征在于还将针对安装所述无菌隔离装置的所述单目定位跟踪器进行摄像机标定，以确定摄像机成像时的内部参数。

7.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于所述的计算单元根据单目定位跟踪器计算时的伪标记点数量和计算代价，实时通过光源功率调整模块调节光场强度，保证单目定位跟踪器对被跟踪目标识别的成功率。

8.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于所述的支撑件与患者手术部位组织实现刚性连接，还用于对单目定位跟踪器的支架实施支撑。

9.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于两个所述的旋转关节各对应一个方向的旋转自由度调整，以保证对单目定位跟踪器视野方向的调整。

10.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于所述的支撑支架还包括快速拆卸与重复定位装置，设置于所述的单目定位跟踪器与所述的支架连接处，实现在不需要时可快速移除所述的单目定位跟踪器，所述的支架用于支撑所述的单目定位跟踪器。

11.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于所述的单目定位跟踪器对所述的被跟踪目标定位的方法包括：

1)标定摄像机，获取其内参和镜头畸变参数；

2)采集图像，对每一个连通区域进行标记，并计算所标记区域的中心，作为一个标记点；

3)去除环境中的伪标记点；

4)依次任取四个或以上的标记点形成标记组合，与所述的被跟踪目标实际几何特征进行二维与三维匹配，并利用匹配结果、摄像机内参和畸变参数对各个标记点做重投影，将重投影结果与标记组合中各标记点的坐标进行对比，计算重投影误差；遍历所有标记组合，并相应获得各个重投影误差；

5)取步骤4)所有标记组合中重投影误差最小的匹配结果计算所述的被跟踪目标在单目定位跟踪器坐标系中的位置与姿态。