[发明专利]一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法

说明书

本发明公开了一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法，包括：1)获取四对3D‑2D匹配点对；2)求解PNP问题进行三维姿态估计，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；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，得到最佳的手术导板安放的位置。本发明可达到渲染的虚拟数字模型与视频目标的实际模型精确配准融合。

技术领域

本发明涉及计算机图形学以及计算机辅助手术导航的技术领域，尤其是指一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法。

背景技术

近年来，随着精准医疗相关技术成熟度的不断提升，计算机辅助医疗手术导航引起了人们的广泛关注，医疗行业开始进入数字化，智能化转型升级的新阶段，且增强现实技术(Augmented Reality，AR)具有非常高的临床应用价值。在传统的骨科螺钉植入手术中，只能依靠专业医生的经验和技巧来确定植入螺钉的位置，存在对位置的定位判断不准，增大手术创伤面积等问题，致使手术的难度和风险性较大。而增强现实技术的与周围环境实时渲染的特点，能够将术前设计的手术方案以及三维虚拟手术导板渲染到手术视野中，从而能够为医生放置3D打印手术导板提供指导，提高手术的准确性与安全性。

增强现实中的精确虚实融合一直是一个具有挑战性的问题，在现有的增强现实配准多采用基于特征的配准方法，该方法分为基于人工标记的图像配准方法和基于自然特征无标记的图像配准方法，然而基于人工标记的图像配准方法会增加手术方案的额外工作；基于无标记的图像配准方法有效的避免了此类问题。

多数情况下，增强现实是利用求解PNP问题来进行三维姿态估计，虽然该方法能够较好的实现虚实配准融合，但是这完全依赖于特征点的选取以及算法求解的计算误差，特征点的选取不当将会造成配准的结果存在较大的差距，这对我们实现真实场景目标与虚拟场景目标精确配准造成了阻碍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的求解PNP问题进行三维姿态估计的虚实匹配融合不准问题，以及降低了对实现增强现实技术选取特征点要求过高的问题，提出了一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法，该方法不仅降低了对医学仪器的人工使用成本，且由于AR的实时性减少了手术时间以及提供了更加准确的手术导板安放位置。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种术中AR辅助引导手术导板安放的方法，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；

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。

在步骤1中，获取四对3D-2D匹配点对，包括以下步骤：