位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法，特别是用于手 术导航的位置传感器与内窥镜摄像机标定的装置与方法，属于计算机手术导航技术领域。
【背景技术】
[0002] 位置传感器与三维腹腔镜摄像机的标定是三维腹腔镜手术导航的首要问题，标定 的精度是影响导航系统精度的关键因素。
[0003] 光学传感器的跟踪精度非常高，但由于存在光学标记遮挡的问题，不能保证跟踪 定位的连续性；另外，由于用来计算跟踪物体位置和姿态的光学标记必须和跟踪物体刚性 接触，所以使光学跟踪系统的应用范围受到了一定的限制。
[0004] 电磁位置传感器利用电磁波的穿透性，可以深入人体内，不用考虑标记遮挡的问 题。但对于电磁位置传感器来说，同样存在一个自身无法克服的问题，就是磁场的形变问 题。众所周知，如果在磁场周围存在铁磁物体或电磁物体，磁场就极易受到干扰而产生形 变。这对于依靠磁场感应来获得位置信息的电磁位置传感器来说，直接导致的后果就是输 出精度产生偏差。
[0005]文献"NakadaK，NakamotoM，SatoY，etal.ARapidMethodforMagnetic TrackerCalibrationUsingaMagneto-opticHybridTrackers[C].NewYork: Springer(MICCAI2003)，2003: 285-293." 采用一个光学位置跟踪系统（0T:Optical trackingsystem)作为参照标准，并借助一个固定了电磁位置传感器和光学位置跟踪系 统的磁-光数据采集工具。操作者在测量空间中移动这个数据采集工具并同时记录两种跟 踪系统的输出，然后通过比较这两种输出的误差来构建一个电磁位置跟踪系统输出误差的 多项式模型，从而推测出电磁位置跟踪系统的输出误差。但是，由于电磁位置跟踪系统和光 学位置跟踪系统有着各自的测量频率和系统时钟，所以如何获得与电磁位置跟踪系统输出 准确对应的光学位置跟踪系统输出是一个难题。文献"GregorySFischerandRussell HTaylor.ElectromagneticTrackerMeasurementErrorSimulationandToolDesign [C].NewYork:Springer(MICCAI2005)，2005: 73-80." 通过利用采集数据时固定采 集工具的方法来获得准确的电磁位置跟踪系统和光学位置跟踪系统的对应输出，但是由于 需要大量的时间来采集补偿模型所需要的样本数据，使之很难应用于实践。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方法，其 克服了现有电磁位置传感器由于磁场形变产生的输出偏差缺陷，标定精确、实时性高；本发 明操作简便，仅利用内窥镜摄像机前端固定的电磁位置传感器和标定网格，即可推定电磁 位置传感器和内窥镜摄像机的位置关系。
[0007] 本发明技术方案是这样实现的：位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定装置及方 法，首先利用高精度光学定位系统补偿电磁位置传感器输出误差，然后利用标定参考立方 体计算三维腹腔镜摄像机位置和姿态，最后使用对偶四元数分析电磁位置传感器与三维腹 腔镜摄像机的坐标关系；其特征在于具体步骤如下： 1. 电磁位置传感器误差补偿 (1) 建立光学位置跟踪系统坐标系光学位置传感器坐标系'、电磁位置跟踪系统 坐标系Il、电磁位置传感器坐标系; (2) 计算电磁位置传感器在_中的位置和姿态矩阵，记为; (3) 根据从美、:的位置关系转换，将电磁传感器的位置和姿态 在光学位置跟踪系统坐标系中的坐标转换到电磁位置跟踪系统坐标系下，其位置和姿态矩 阵记为：t; (4) 比较和获得电磁位置传感器输出误差，建立误差补偿模型； 2. 摄像机位置和姿态计算 (1) 制作标定参考立方体 (2) 获取欧氏坐标系下的坐标X (3) 获取图像坐标系下坐标w (4) 建立X、::_之间坐标的对应关系 (5) 根据建立摄像机矩阵约束方程组 (6) 求解（5)中约束方程组最小二乘解得摄像机矩阵逆 3. 位置传感器与内窥镜坐标关系分析 (1) 对N个空间中的位置取电磁位置传感器和摄像机的位置和姿态 (2) 计算表达传感器与摄像机之间变换关系的对偶四元数 (3) 利用由奇异值分解（SVD)法求的对偶四元数所包含的变换，即位置传感器与内窥 镜摄像机位置转换矩阵； 在三维腹腔镜导航系统中，将内窥镜摄像机、EMT传感器、磁场发生器以及MR图像的坐 标系分别定义为C，S，M和I。摄像机坐标系C下点化.和图像上点祕:的对应关系可以表示 为：
表不电磁位置传感器的输出； 本发明旨在标定电磁位置传感器和内窥镜摄像机的位置关系，即C到S的转换矩阵。
[0008] 本发明的积极效果是针对电磁位置传感器受环境干扰产生磁场形变而引起的输 出偏差缺陷，提出一种固定有光学位置传感器和电磁位置传感器的磁-光数据采集装置， 通过建立电磁位置传感器输出误差的补偿模型，利用光学传感器高精度特性，补偿电磁传 感器输出误差，提高了电磁定位精度；利用标定立方体计算摄像机的位置和姿态，并用最小 二乘解作为最终计算结果；用对偶四元数计算传感器和摄像机的位置和姿态矩阵，节省了 计算时间。
【附图说明】
[0009] 图1三维腹腔镜导航系统中各个坐标空间的对应关系。
[0010] 图2磁-光数据采集工具。
[0011] 图3光学位置传感器和电磁位置传感器的位置关系。
[0012] 图4用于求解摄像机矩阵的立方体。
[0013] 图5传感器和摄像机的坐标关系。
[0014] 图6棋盘格标定模型。
[0015] 图7获取不同姿态下标定模型的图像，并抽取特征点。
[0016] 图8通过标定模型的图像来估计摄像机的位置和姿态。
[0017] 图9传感器对于摄像机坐标系的位移及旋转角的计算结果1。
[0018] 图10传感器对于摄像机坐标系的位移及旋转角的计算结果2。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述：如图1所示，位置传感器与三 维腹腔镜摄像机标定装置，其特征在于：在三维腹腔镜导航系统中，将内窥镜摄像机、EMT 传感器、磁场发生器以及MR图像的坐标系分别定义为C，S，M和I。摄像机坐标系C下点 Pc和图像上点的对应关系可以表不为：
表不电磁位置传感器的输出。
[0020] 本发明旨在标定电磁位置传感器和内窥镜摄像机的位置关系，即C到S的转换矩 阵'!_r。
[0021] 位置传感器与三维腹腔镜摄像机标定方法，首先利用高精度光学定位系统补偿电 磁位置传感器输出误差，然后利用标定参考立方体计算三维腹腔镜摄像机位置和姿态，最 后使用对偶四元数分析电磁位置传感器与三维腹腔镜摄像机的坐标关系；其特征在于具体 步骤如下： 1.电磁位置传感器误差补偿 如图2所示，本发明设计一个固定有光学位置传感器和电磁位置传感器的磁-光数据 采集装置来采集两种传感器的输出。目标是通过光学位置传感器的输出来校正电磁位置传 感器的输出误差。因此首先需要保证两个传感器的测量点以及测量空间的坐标是一致的。 从图1中给定的测量工具和图2所描述的