[发明专利]采用红外反光球为标志点的手术器械定位方法

摘要

本发明涉及一种采用红外反光球为标志点的手术器械定位方法，分别确定左右摄像机的内参数和一阶径向畸变参数，计算出表征左右摄像机相对位置关系的旋转矩阵和平移向量，再用红外光源照射装有3个红外反光球的导航支架，拍摄得到左右两幅包含红外反光球的椭圆影像的图像并进行畸变校正；通过拟合经畸变校正后的左右图像平面的椭圆影像，直接线性地计算出3个红外反光球球心的投影点；对左右图像上的3个球心投影点进行点匹配，再重建出3个红外反光球的球心坐标；最后经坐标变换得到手术器械尖端工作部位的坐标。本发明精确确定出红外反光球球心的投影点，使得手术器械的定位精度不随其位置的改变而不同，同时扩大了手术器械的有效工作范围。

主权项

1、一种采用红外反光球为标志点的手术器械定位方法，其特征在于包含如下步骤：(1)摄像机标定：对左右摄像机分别利用单摄像机标定方法，确定出左摄像机的内参数矩阵Al、左摄像机的一阶径向畸变参数Sl、右摄像机的内参数矩阵Ar、右摄像机的一阶径向畸变参数Sr；利用立体摄像机标定方法，计算出表征左右摄像机相对位置关系的旋转矩阵R0和平移向量t0；(2)畸变校正：用红外光源照射安装有不在同一直线上的三个红外反光球的导航支架，并将左右摄像机放置在导航支架附近，确保该导航支架处在左右摄像机的公共视场范围内；利用左右摄像机同时拍摄导航支架，从而在左摄像机得到一幅包含三个红外反光球的椭圆影像的图像，同时，在右摄像机也得到一幅包含三个红外反光球的椭圆影像的图像；利用左摄像机的一阶径向畸变参数Sl对左边图像进行畸变校正，得到不含有畸变信息的左边图像；同时，利用右摄像机的一阶径向畸变参数Sr对右边图像进行畸变校正，得到不含有畸变信息的右边图像；(3)边界检测和椭圆拟合：利用canny算子，分别检测出经畸变校正后的两幅图像平面上反光球的椭圆影像的边界，从而在左右两边的图像上分别得到3组由椭圆影像边界像素点的坐标构成的点对；分别利用左边图像的3组点对，拟合出表示左边三个椭圆影像的矩阵Cl1、Cl2、Cl3，再分别利用右边图像的3组点对，拟合出表示右边三个椭圆影像的矩阵Cr1、Cr2、Cr3；(4)计算球心投影点：分别计算出Cli的对偶矩阵Cli *，Cri的对偶矩阵Cri *，其中i＝1，2，3；利用下式：$k_{\mathrm{li}}{C}_{\mathrm{li}}^{*}=A_l{A_l}^T-v_{\mathrm{li}}{v_{\mathrm{li}}}^T$ $k_{\mathrm{ri}}{C}_{\mathrm{ri}}^{*}=A_r{A_r}^T-v_{\mathrm{ri}}{v_{\mathrm{ri}}}^T,$ 求解出kli、kri、vli、vri；其中kli、kri是尺度因子，i＝1，2，3；三维列向量vli表示与椭圆Cli对应的红外反光球球心在左边图像上的投影点的齐次坐标，三维列向量vri表示与椭圆Cri对应的红外反光球球心在右边图像上的投影点的齐次坐标；从而在左右图像上分别得到三个红外反光球球心的投影点的齐次坐标；(5)点匹配和重建：对左边图像上的三个球心投影点和右边图像上的三个球心投影点进行点匹配，得到3组对应点；利用左右摄像机的内参数矩阵Al、Ar以及旋转矩阵R0和平移向量t0进行点重建，得到三个红外反光球球心在左边摄像机坐标系下的空间坐标；(6)坐标转换：在手术器械上安装导航支架时，任意选取2个红外反光球的球心连线作为X轴，第3个红外反光球的球心到X轴的垂线为Y轴，垂点为坐标原点，根据右手法则建立导航支架坐标系，同时确定手术器械尖端工作部位在该坐标系下的坐标；利用得到的三个红外反光球球心在左边摄像机坐标系下的空间坐标，计算出导航支架坐标系与左边摄像机坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t；利用旋转矩阵R和平移向量t，计算出手术器械尖端工作部位在左摄像机坐标系下的坐标，由此完成对手术器械的定位。