[发明专利]一种手术导航中骨锯标定方法及系统

说明书

本发明实施例公开了一种手术导航中骨锯标定方法及系统，将骨锯的锯片尖端点坐标固定在空间中的某一点，然后使骨锯绕所述锯片尖端点进行旋转，在旋转骨锯过程中采集N帧手术器械标定图像，根据采集的N帧手术器械标定图像，采用基于最大关联熵准则的共轭梯度算法计算锯片尖端点在骨锯坐标系下的三维坐标P_NTip。通过将共轭梯度算法与关联熵相结合，共轭梯度算法具有收敛速度快的特点，而关联熵可以抑制脉冲噪声，使得该标定方法具有收敛速度快、标定精度高的特点。

技术领域

本发明实施例涉及手术导航技术领域，具体涉及一种手术导航中骨锯标定 方法及系统。

背景技术

骨科手术中的骨锯标定是手术导航术前重要的工作之一。为了能在手术中 精确地跟踪到骨锯，尤其是锯片的尖端点位置，骨锯标定的精度就显得尤为重 要。骨锯标定的实质就是确定骨锯在骨锯坐标系下的三维坐标，可以通过骨锯 上面设置的不共线的标志点来确定器械的坐标。

近年来，很多学者和研究人员对于骨锯在骨锯坐标系下的三维坐标P_NTip的 求解采用LMS算法。但是在实际中，标记点的识别会受到光照、背景等因素 的干扰，尤其是对于本发明所研究的可见光定位，经常会出现坐标抖动的情况， 导致计算结果引入误差，进一步导致精度下降。标志点坐标的抖动可以看作是 脉冲噪声干扰，而对于标志点坐标的计算一般是通过LMS算法进行求解。但 是LMS算法求解骨锯在骨锯坐标系下的三维坐标P_NTip存在精度低，收敛速度 慢的问题，代价函数并不能保证达到要求的精度的问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种手术导航中骨锯标定方法及系统，以解决现 有的LMS算法求解骨锯在骨锯坐标系下的三维坐标P_NTip存在精度低、收敛速 度慢的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提出了一种手术导航中骨锯标定方法，所 述方法包括：

将骨锯的锯片尖端点坐标固定在空间中的某一点，然后使骨锯绕所述锯片 尖端点进行旋转；

在旋转骨锯过程中采集N帧手术器械标定图像，N为大于或等于1的正 整数；

根据采集的N帧手术器械标定图像，采用基于最大关联熵准则的共轭梯 度算法计算锯片尖端点在骨锯坐标系下的三维坐标P_NTip。

进一步地，根据采集的N帧手术器械标定图像，采用基于最大关联熵准 则的共轭梯度算法计算锯片尖端点在骨锯坐标系下的三维坐标P_NTip，具体包 括：

假设第n帧图像(n＝1,2,…,N)所对应的锯片尖端点在摄像机坐标系下的 坐标为其为三维列向量，和分别代表在 x轴、y轴和z轴的坐标值；

骨锯坐标系和摄像机坐标系之间的旋转矩阵A_n和平移向量T_n分别为和其中，A_n为3×3的矩阵，T_n为三维列向 量；

锯片尖端点在骨锯坐标系下的三维坐标为P_NTip＝[X_NTip Y_NTip Z_NTip]^T，其为 三维列向量，则有下列公式成立：

其中，为三维列向量，表示矩阵H_n中的第i 个元素，代表由于光照、针尖抖动以及背景环境等因素引入的噪声，对上式进 行如下处理：

令其为三维输出列向量，表示第n帧图 像求出的输出列向量中的第i个元素，其中， 表示第n帧图像求出的旋转矩阵A_n的第i行转置；