专利名称：手术刀跟踪方法与装置及数字立体显微镜系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及手术导航技术领域，特别是涉及一种手术刀跟踪方法与装置及数字立体显微镜系统。
背景技术：
数字显微镜，将CXD或者CMOS等成像元器件内置到显微镜内部，再通过USB、1394接口或视频接口将图像导入到PC内或显示在监视器上。采用高分辨率的成像元器件，可以获得更高的放大倍数，从而摆脱了光学目镜对观察者的束缚。
在众多的手术器械当中，手术刀是应用最为广泛的一种，它是外科手术操作过程中，在组织或器官上造成切口的唯一工具。如果采用数字显微镜对手术刀进行跟踪，获取手术刀在当前手术区域的各种位置和深度信息，提供有价值的数据，有利于医生对手术的远程遥控。由于普通的数字显微镜所拍摄的图像是平面的，对图像进行分析所提取的手术刀的位置和深度信息与实际位置和深度仍有差距，而差距将增加手术风险，不利于提高手术操作的质量。
发明内容
基于上述情况，本发明提出了一种手术刀跟踪方法与装置及数字立体显微镜系统，以提闻手术刀跟踪的精确度。一种手术刀跟踪方法，包括步骤采用数字立体显微镜系统获取手术区域的左右双目视频图像；在其中一目视频图像中，以预定大小的宏块为单位，采用帧差法确定图像中的运动区域，根据手术刀与机体组织的色彩差，从所述运动区域中定位出手术刀区域；在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域，将该区域作为所述另一目视频图像的手术刀区域，所述其中一目为左右双目中的任意一目。一种手术刀跟踪装置，包括视频图像获取模块，用于采用数字立体显微镜系统获取手术区域的左右双目视频图像；手术刀区域单目定位模块，用于在其中一目视频图像中，以预定大小的宏块为单位，采用帧差法确定图像中的运动区域，根据手术刀与机体组织的色彩差，从所述运动区域中定位出手术刀区域；手术刀区域对应搜索模块，用于在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域，将该区域作为所述另一目视频图像的手术刀区域，
所述其中一目为左右双目中的任意一目。本发明手术刀跟踪方法与装置及数字立体显微镜系统，由于采用了前述基于宏块的帧差法，解决了区域检测容易受背景干扰的问题，提高了手术刀定位的准确度，又由于采用了基于色彩差异的对比分析法，并利用左右目图像对应关系，参考其中一目手术刀区域确定另一目手术刀区域，能够快速准确地对手术刀进行定位，提高了跟踪效率。从所定位出的左右两目视频图像中的手术刀区域中提取的位置和深度信息更为精确，经过后续叠加处理，得到三维显示效果，为医生提供具有立体感的手术环境。
图1为为本发明手术刀跟踪方法的流程示意图；
图2为采用本发明手术刀跟踪方法定位出的左右双目视频图像中手术刀区域的示意图；图3为本发明手术刀跟踪装置的结构示意图。
具体实施例方式数字立体显微系统，具有两个并排的成像元器件，在不同的视角实时采集被观察物体，对得到的双目图像经过处理后，可以形成立体视觉。在很多专业领域，如手术操作过程、对空间探索机器人的远程操控等领域，需要为操作者提供实时的带有立体感的视觉感受，通过立体显示技术，被观察的物体的第三维信息得以被探知，从而实现精确控制工作过程、减少误判断的目的，数字立体显微显示系统既可以满足这种需求。本发明借助上述数字立体显微镜系统实现对手术刀的跟踪，下面结合附图与实施例详细解释本发明。本发明手术刀跟踪方法，如图1所示，包括步骤步骤S101、采用数字立体显微镜系统获取手术区域的左右双目视频图像；步骤S102、在其中一目视频图像中，以预定大小的宏块为单位，采用帧差法确定图像中的运动区域，根据手术刀与机体组织的色彩差，从所述运动区域中定位出手术刀区域；步骤S103、在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域，将该区域作为所述另一目视频图像的手术刀区域。所述其中一目为左右双目中的任意一目。如上述步骤所述，本方法利用数字立体显微镜系统的双目摄像头来获取手术现场的视频，视频分为左目视频和右目视频，对两类视频中的每帧图像进行分析，分别定位出左右两目视频图像中的手术刀区域，实现手术刀跟踪。本方法先确定出左右双目中任意一目视频图像的手术刀区域，再据此找出另一目视频的手术刀区域，省去了重复检测的过程，节省了跟踪定位的时间。在寻找其中一目视频图像的手术刀区域时，如步骤S102所述，先在图像中检测运动区域，再对运动区域进一步分析，从中抠取手术刀区域。在检测运动区域时可以采用帧差法，帧差法是一种简单的背景减除算法，其对前后帧图像对应像素点相减，由于是以像素点为单位的，本算法对运动特别敏感，很细微的运动都能被检测出来，在进行定位跟踪时，检测结果容易受背景的干扰。为此，本方法对传统的帧差法作了改进，将图像划分为若干宏块，即邻近的像素点构成一个宏块，该宏块取代像素点成为每帧图像的基本单元。以宏块为单位进行帧差检测，减轻了对运动的敏感度，消除了背景的干扰，有利于提高手术刀定位的准确度。宏块的确定方法是在原巾贞中选取大小为size*size的正方形,将该正方形中所有像素点的色彩均值作为该宏块的色彩值，该正方形的中心点表征宏块的位置。size的大小可以任意选取，但size过大将降低定位的精确度，过小则难以解决背景的干扰，且降低了定位的速度，因此，可以根据具体情况选择合适的大小。在实际手术过程中，手术刀对应的前景与机体组织对应的背景的色彩差异较大，因此可以对初步确定的运动区域中每个像素点的色彩值进行统计，找出色彩值剧烈变化的边界，再根据已知的手术刀的色彩值的范围，将手术刀区域从运动区域中抠取出来。由于前 景与背景的色彩对比强烈，因此这种方法准确而高效。数字立体显微显示系统中，用于双目采集的双目摄像头是经过几何校正的，左右视场内的图像是没有垂直视差的。如果已知左目中手术刀的未知区域，即可通过在水平方向上进行一维搜索的方式找出右目中同样的手术刀区域，而不用再对右目进行帧差分析和色彩统计来获取相应的手术刀区域。例如先确定了左目视频图像的手术刀区域，以该手术刀区域作为参考，得出其区域的大小和位置信息，大小包括该区域的长度和宽度，位置信息可以用区域中心点的坐标来表示。在同时被采集的右目视频图像中，与左目手术刀区域中心点在同一纵坐标的像素行上寻找对应的手术刀区域中心。具体做法是，从最左边像素点开始，以该像素点为中心，建立与左目手术刀区域大小相同的区域，计算两个区域的相似度。相似度用两个区域对应像素点的色彩差异之和来表示，色彩差异即是对应像素点的RGB三通道分量的差值。这个和越大，表示两个区域色彩差异越大，反之表示两个区域越相近。根据个原则，找出与左目手术刀区域相似度最高或者说色彩值差异最小的区域，将该区域作为右目视频图像的手术刀区域。如图2所示，为立体显微显示系统中，双目跟踪手术刀的画面，画面由左目视频图像和右目视频图像组成。图中的两个方框即为左右目实时跟踪到的手术刀区域。本发明手术刀跟踪装置与上述手术刀跟踪方法相对应，如图3所示，包括视频图像获取模块，用于采用数字立体显微镜系统获取手术区域的左右双目视频图像；手术刀区域单目定位模块，用于在其中一目视频图像中，以预定大小的宏块为单位，采用帧差法确定图像中的运动区域，根据手术刀与机体组织的色彩差，从所述运动区域中定位出手术刀区域；手术刀区域对应搜索模块，用于在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域，将该区域作为所述另一目视频图像的手术刀区域，所述其中一目为左右双目中的任意一目。作为一个优选地实施例，所述手术刀区域对应搜索模块用于在所述其中一目视频图像中，确定手术刀区域中心点的水平位置，在所述另一目视频图像中同一水平方向上搜索手术刀区域，所搜索的手术刀区域的中心点在所述水平方向上，区域大小与所述其中一目视频图像的手术刀区域大小一致，区域中像素点的色彩值与所述其中一目视频图像的手术刀区域中对应像素点的色彩值差异最小。作为一个优选地实施例，所述手术刀区域对应搜索模块用于采用RGB三通道分量的差值表征像素点与像素点的色彩值差异。作为一个优选地实施例，所述预定大小的宏块的大小与本装置的跟踪精确度和跟踪效率相适应。本发明数字立体显微镜系统，包括手术刀跟踪装置，所述手术刀跟踪装置与上述的手术刀跟踪装置具有同样的技术特征，在此不予赘述。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种手术刀跟踪方法，其特征在于，包括步骤采用数字立体显微镜系统获取手术区域的左右双目视频图像；在其中一目视频图像中，以预定大小的宏块为单位，采用帧差法确定图像中的运动区域，根据手术刀与机体组织的色彩差，从所述运动区域中定位出手术刀区域；在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域，将该区域作为所述另一目视频图像的手术刀区域，所述其中一目为左右双目中的任意一目。
2.根据权利要求1所述的手术刀跟踪方法，其特征在于，所述步骤在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域具体包括在所述其中一目视频图像中，确定手术刀区域中心点的水平位置，在所述另一目视频图像中同一水平方向上搜索手术刀区域，所搜索的手术刀区域的中心点在所述水平方向上，区域大小与所述其中一目视频图像的手术刀区域大小一致，区域中像素点的色彩值与所述其中一目视频图像的手术刀区域中对应像素点的色彩值差异最小。
3.根据权利要求2所述的手术刀跟踪方法，其特征在于，采用RGB三通道分量的差值表征像素点与像素点的色彩值差异。
4.根据权利要求1或2或3所述的手术刀跟踪方法，其特征在于，所述预定大小的宏块的大小与本方法的跟踪精确度和跟踪效率相适应。
5.一种手术刀跟踪装置，其特征在于，包括视频图像获取模块，用于采用数字立体显微镜系统获取手术区域的左右双目视频图手术刀区域单目定位模块，用于在其中一目视频图像中，以预定大小的宏块为单位，采用帧差法确定图像中的运动区域，根据手术刀与机体组织的色彩差，从所述运动区域中定位出手术刀区域；手术刀区域对应搜索模块，用于在另一目视频图像中，按照左右目视频图像的位置对应关系，寻找色彩值与所述其中一目视频图像的所述手术刀区域的色彩值差异最小的区域，将该区域作为所述另一目视频图像的手术刀区域，所述其中一目为左右双目中的任意一目。
6.根据权利要求5所述的手术刀跟踪装置，其特征在于，所述手术刀区域对应搜索模块用于在所述其中一目视频图像中，确定手术刀区域中心点的水平位置，在所述另一目视频图像中同一水平方向上搜索手术刀区域，所搜索的手术刀区域的中心点在所述水平方向上，区域大小与所述其中一目视频图像的手术刀区域大小一致，区域中像素点的色彩值与所述其中一目视频图像的手术刀区域中对应像素点的色彩值差异最小。
7.根据权利要求6所述的手术刀跟踪装置，其特征在于，所述手术刀区域对应搜索模块用于采用RGB三通道分量的差值表征像素点与像素点的色彩值差异。
8.根据权利要求5或6或7所述的手术刀跟踪装置，其特征在于，所述预定大小的宏块的大小与本装置的跟踪精确度和跟踪效率相适应。
9.一种数字立体显微镜系统，其特征在于，包括手术刀跟踪装置，所述手术刀跟踪装置为 5-8项任意一项所述的手术刀跟踪装置。
全文摘要
本发明公开了一种手术刀跟踪方法与装置及数字立体显微镜系统，采用数字立体显微镜系统获取双目视频图像，先对其中一目视频图像进行分析，利用基于宏块的帧差法及基于色彩差异的对比分析法来确定手术刀区域，再以该手术刀区域为参照，按照左右目视频图像的位置对应关系，确定另一目视频图像的手术刀区域。由于采用了基于宏块的帧差法，解决了区域检测容易受背景干扰的问题，又由于采用了基于色彩差异的对比分析法，并利用其中一目的手术刀区域确定另一目的手术刀区域，能够快速准确地对手术刀进行定位。从所得的左右两目视频图像的手术刀区域中提取的位置和深度信息更为精确，经过后续叠加处理，获得三维显示效果，为医生提供立体手术环境。
文档编号A61B19/00GK103006332SQ20121057961
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者邵航, 吴勉, 叶斌, 朱春兴 申请人:广东圣洋信息科技实业有限公司