[发明专利]一种基于SLAM的手术导航方法

说明书

本发明公开了一种基于SLAM的手术导航方法，系统包括医学图像扫描装置、双目内窥镜、计算机处理软件和显示装置。术前扫描手术部位获取扫描图像，并通过计算机软件进行三维重建；手术中通过双目内窥镜获取图像，使用双目SLAM进行实时建图；对于初始关键帧帧图像，先进行双目匹配，后通过标志点法与术前三维模型进行配准，建立世界坐标系；在内窥镜移动过程中，关键帧经过双目匹配后，根据SLAM提供的位姿信息，自动与三维模型配准，实时显示相机运动轨迹及当前镜头场景在手术部位的位置，并提供大视野拼接图像作为导航的有益信息，本发明设备简单，操作方便，为当前精准化与微创化的外科手术提供了新的技术方法。

技术领域

本发明涉及内窥镜技术领域，具体涉及一种基于SLAM的手术导航方法。

背景技术

在微创手术过程中，医生需要知道当前内窥镜头在手术部位的精确位置，以引导手术进行。一般的手术导航方法采用术中实时CT技术，这要求在手术过程中有专用的影像设备、无影床及较大的手术室环境配套，设备要求高，操作难度大。当前，也有很多定位跟踪技术应用于手术导航系统中。机械定位法需要医生人工调整，并在患者组织上钻孔、打钉、安装固定装置，给患者造成一定创伤。超声波定位跟踪操作简单，但其定位精度不稳定，易受环境影响。而电磁定位技术，对工作空间中的金属物体十分敏感，影响精度。

 基于计算机视觉的三维可视化导航，如SLAM技术，在一般场景中取得了重要成就。 而在微创手术这种微小场景下，需要保证建图的稠密度，依靠单目内窥镜SLAM建图得到的结果无法满足需求。3D内窥镜技术的发展为视觉SLAM在微创手术导航的应用提供了支持。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于SLAM的手术导航方法。

本发明的一种基于SLAM的手术导航方法，包括使用双目内窥镜进行手术操作，利用SLAM方法实时构建器官三维场景，并通过SLAM的视觉里程计，进行当前帧与术前三维结构的实时配准，实时显示当前三维场景；同时将当前三维场景与原先场景自动拼接，获取更大视场，该方法具体包括如下步骤：

S1：术前手术部位三维结构获取，包括在手术前，通过CT或MRI技术对手术部位进行扫描，获取手术部位的三维结构；

S2：双目内窥镜图像SLAM建图，包括在手术时，使用双目内窥镜进行操作，对双目图像进行SLAM实时建图，得到三维重建结构；

S3：首个关键帧初始配准，包括在三维结构和双目内窥镜图像SLAM建图首个关键帧的三维重建结构上选取若干个特征点，进行三维配准；

S4：世界坐标系的建立，包括对双目内窥镜三维重建所得的三维重建结构进行变换，同乘配准得到变换矩阵，使三维结构和三维重建结构在同一世界坐标系下；

S5：关键帧双目匹配，包括对双目内窥镜图像SLAM建图选取的关键帧，进行双目匹配；

S6：镜头场景在三维结构中实时显示，包括依靠ICP变换矩阵和SLAM计算的关键帧视觉里程计，自动将当前帧的三维重建结构与原始的三维结构自动配准；

S7：三维场景实时拼接，包括双目内窥镜移动时当前三维重建图与之前的三维重建图自动拼接，形成大视场全景图像。

作为优选，所述步骤S2中的双目内窥镜图像SLAM建图，包括以下子步骤：

S2.1：对左右图像分别提取ORB特征点，对左右图像进行立体匹配；

S2.2：进行地图初始化，进行局部地图跟踪；

S2.3：在局部建图时，判定当前图像帧是否为关键帧；若是关键帧，则记录帧信息以及经位姿计算得到的位姿信息；若不是关键帧则跳过当前图像帧；

S2.4：最后进行局部BA优化、闭环检测和全局BA优化。