[发明专利]一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法

权利要求书

1.一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取四对3D-2D匹配点对，包括世界坐标系中的虚拟三维手术部位模型的四个三维坐标点以及图像坐标系中的实际场景手术部位目标的四个二维坐标点；

2)利用3D-2D匹配点对作为输入，求解PNP问题进行三维姿态估计，从而实现实际手术部位目标模型与虚拟手术部位目标模型的初配准；

3)在原有Powell算法上，改进其每一轮的搜索方向，确保各个搜索方向始终线性无关，并将初配准结果作为搜索的起始点,得到实现精配准的虚拟三维手术部位模型的位姿调整矩阵，包括以下步骤：

3.1)选取初始点x⁽⁰⁾＝(0,0,0,0,0,0)，即将经过求解PNP问题得到的三维姿态估计的结果作为初始状态，在此基础上进行精配准；

3.2)选取6个线性无关的搜索方向d^(1,1),d^(1,2)...d^(1,6)，并给定允许误差Err，设置初始迭代次数k＝1，且将参考图像与浮动图像的二值图像素差绝对值和误差作为匹配度量函数f(x)，f(x)如下式所示：

式中，m和n分别是视频帧图像的高度和宽度；为视频场景中手术部位目标模型的二值图中对应的二值像素值；为变换后的手术部位虚拟模型的二值图像中对应的二值像素值；

3.3)设置第k轮搜索的起始点x^(k,0)＝x^(k-¹⁾，并从x^(k,0)出发，依次沿着第k轮的d^(k,1),d^(k,2)...d^(k,6)这6个方向进行搜索，使用一维的黄金分割算法进行迭代寻优，得到各个搜索方向的极值点为x^(k,1),x^(k,2),...x^(k,6)，求使得匹配度量函数值下降最大的方向，即求max{f(x^(k,r-1))-f(x^(k,r))},r＝1,2...6，r表示方向组中第r个方向，然后令一个新的搜索方向d^(k,6+1)＝x^(k,6)-x^(k,0)，若||x^(k,6)-x^(k,0)||≤Err，则停止搜索计算，跳转步骤3.6)；否则，进行步骤3.4)；

3.4)求解搜索方向组线性无关的条件指标λ，即求min{f(x^(k,0)+λd^(k,6+1))}，得出条件指标λ值，然后令第k+1轮的搜索起始点x^(k+1,0)＝x^(k)＝x^(k,0)+λd^(k,6+1)，若||x^(k)-x^(k-1)||≤Err，则停止迭代计算，跳转步骤3.6)，得到结果点x^(k)，否则，进行步骤3.5)；

3.5)若新的搜索方向d^(k,6+1)与原搜索方向组线性无关，则更新搜索方向组，即令d^(k+1,j)＝d^(k,j),j＝1,..r-1；d^(k+1,j)＝d^(k,j+1),j＝r...6，并更新迭代次数k＝k+1,跳转到步骤3.3)；否则，不更新搜索方向组，即令d^(k+1,j)＝d^(k,j),j＝1,2...6,置k＝k+1，跳转步骤3.3)；

3.6)根据搜索的结果，并作用于虚拟三维手术部位模型完成误差调整，最终得到实际手术部位目标模型与虚拟手术部位目标模型的精确配准融合；

4)将位姿调整矩阵作用于虚拟三维手术导板模型，并将其与实际手术部位目标模型的匹配作为指导实际手术导板安放的金标准；

5)提取视频帧中放置的实际手术导板，并与金标准中的虚拟手术导板做匹配度计算，根据实际导板放置的不同位置得到不同的匹配度值，计算匹配度中最大值，得到最佳的手术导板安放的位置。