一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，包括：获取双目光学定位系统的内外部参数及确定系统坐标系；定义一离散空间点集合；依据小孔成像原理，将空间离散点投射到左右摄像机的成像面上，计算出理论亚像素点坐标；以理论亚像素点为中心，确定一误差范围，在左右摄像机成像面上各随机取上述误差范围内的点若干个，根据双目视觉的对极几何原理重建这些配对像素点的空间点坐标，并计算这些空间点与原空间点的距离，将这些距离的均值作为原空间点的空间相对误差值；将手术器械所在位置的空间相对误差分布可视化。本发明可指导外科医生在空间相对误差较小的区域内操作手术器械进行导航，以提高手术导航的精度。
【专利说明】一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机辅助手术研究领域，具体是一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法。
【背景技术】
[0002]近年来，光学手术导航技术得到了快速的推广，逐渐用于神经外科、口腔颌面外科、骨科等手术中。在光学手术导航系统中，标记点跟踪定位是手术导航的核心内容，其跟踪定位方法与精度直接决定手术导航的精度、应用范围与实用性。
[0003]手术导航的精度不仅跟标记点跟踪方法的精度相关，还与光学定位系统摆放的位置有关，尽管标记点跟踪方法的精度较高，但如手术器械与光学定位系统的相对位置不是处于最佳跟踪区域内，则会大大降低最终的导航精度，使得手术效果与术前规划偏差较大，甚至导致手术失败。其原因在于标记点在有效视场内误差分布是不均匀的，与定位系统等距离的不同位置，误差分布也是不同的，这主要决定于摄像机拍摄标记点的方位以及标记点在图像上的分辨率。因此，需分析定位系统误差分布，并使其可视化。术前根据误差分布图谱，调整光学定位系统位置，使手术工具的活动区域位于误差较小区域内，以提高手术导航的精度。
[0004]因此，设计 一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法对于提高导航的精度有很大的必要。
【发明内容】
[0005]本发明针对标记点在有效视场内误差分布是不均匀的，与定位系统等距离的不同位置，误差分布也是不同的这一问题，提供一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，该方法可以定位系统误差分布，并使其可视化，从而指导医生操作手术器械在空间误差较小区域内进行导航，提高手术导航的精度。
[0006]本发明的目的通过以下的技术方案实现:一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，该方法是计算手术导航双目光学定位系统有效视场的空间相对误差分布，然后将手术器械所在位置的空间相对误差分布可视化。
[0007]具体的，所述计算手术导航双目光学定位系统有效视场的空间相对误差分布的方法是:
[0008](I)获取双目光学定位系统的内外部参数；
[0009](2)确定双目光学定位系统的系统坐标系；
[0010](3)定义一个呈长方体分布的离散空间点集合；
[0011](4)依据小孔成像原理，将空间离散点投射到左右摄像机的成像面上，计算出理论亚像素点坐标；
[0012](5)以理论亚像素点为中心，确定一圆形或方形误差范围，在左右摄像机成像面上各随机取上述误差范围内的点若干个，其中左右摄像机的取点数相同，根据双目视觉的对极几何原理重建这些配对像素点的空间点坐标，并计算这些空间点与原空间点的距离，将这些距离的均值作为原空间点的空间相对误差值。
[0013]具体的，所述步骤(1)中，双目光学定位系统的内外部参数通过标定左右摄像机得到，或者由制造商给定。
[0014]具体的，所述步骤(2)中，双目光学定位系统的系统坐标系定义如下:以两个摄像机光心的连线为X轴，它们的中点为原点，原点指向右摄像机光心为X轴正方向；Y轴定义为过原点且垂直于左右摄像机坐标系的Z轴，原点指向空间上方为正方向；使用右手定则确定Z轴，指向左右摄像机的拍摄方向为Z轴正方向。
[0015]具体的，所述步骤(3)中，所述长方体的宽高长分别与系统坐标系的X、Y、Z轴平行，系统Z轴过长方体前后两面的中心点。
[0016]具体的，所述步骤(4)中，计算理论亚像素点坐标的步骤是:
[0017](4-1)设系统坐标系下，P点坐标为(Xw，Yw, Zw)，该点坐标在摄像机坐标系中的实际坐标为(X。，Y。，Z。)，对应的亚像素点坐标即在图像坐标系中的坐标为(U，V)，P点从系统坐标系变换到摄像机坐标系的公式:
【权利要求】
1.一种应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，该方法是计算手术导航双目光学定位系统有效视场的空间相对误差分布，然后将手术器械所在位置的空间相对误差分布可视化。
2.根据权利要求1所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述计算手术导航双目光学定位系统有效视场的空间相对误差分布的方法是: (1)获取双目光学定位系统的内外部参数； (2)确定双目光学定位系统的系统坐标系； (3)定义一个呈长方体分布的离散空间点集合； (4)依据小孔成像原理，将空间离散点投射到左右摄像机的成像面上，计算出理论亚像素点坐标； (5)以理论亚像素点为中心，确定一圆形或方形误差范围，在左右摄像机成像面上各随机取上述误差范围内 的点若干个，其中左右摄像机的取点数相同，根据双目视觉的对极几何原理重建这些配对像素点的空间点坐标，并计算这些空间点与原空间点的距离，将这些距离的均值作为原空间点的空间相对误差值。
3.根据权利要求2所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，双目光学定位系统的内外部参数通过标定左右摄像机得到，或者由制造商给定。
4.根据权利要求2所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，双目光学定位系统的系统坐标系定义如下:以两个摄像机光心的连线为X轴，它们的中点为原点，原点指向右摄像机光心为X轴正方向；Y轴定义为过原点且垂直于左右摄像机坐标系的Z轴,原点指向空间上方为正方向；使用右手定则确定Z轴,指向左右摄像机的拍摄方向为Z轴正方向。
5.根据权利要求2所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述长方体的宽高长分别与系统坐标系的X、Y、Z轴平行，系统Z轴过长方体前后两面的中心点。
6.根据权利要求4所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算理论亚像素点坐标的步骤是: (4-1)设系统坐标系下，P点坐标为(Xw，Yw, Zw)，该点坐标在摄像机坐标系中的实际坐标为(X。，Y。, Z。)，对应的亚像素点坐标即在图像坐标系中的坐标为(u, V), P点从系统坐标系变换到摄像机坐标系的公式:
7.根据权利要求6所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，空间相对误差值的计算过程如下: (5-1)以理论亚像素点为中心，确定一圆形或方形误差范围，在左右摄像机成像面上各随机取上述误差范围内的点Pli (i=l, 2，...，N),Pri (i=l, 2，...，N)，将Pli和Pri进行一对一配对，形成N2种组合； (5-2)根据步骤(4-2)、(4-3)中的公式，得到步骤(5-1)所述的每个像素点对应的实际摄像机坐标(xyz。，Yyz。，i):Pi点在左摄像机坐标系下的ο广向量满足如下关系:
8.根据权利要求1所述的应用于手术导航标记点误差指示的示踪器设计方法，其特征在于，所述将手术器械所在位置的空间相对误差分布可视化的方法是:定义一灰度或彩色条，为每个误差值赋予一种灰度或彩色，构建三维相对误差分布灰度或彩色图谱，根据发光点与双目光学定位系统的距离将二维灰度或彩色图谱及手术器械发光点位置显示出来。
【文档编号】A61B19/00GK103948431SQ201410149067
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】杨荣骞, 林钦永, 吴效明, 司璇 申请人:华南理工大学