本发明涉及医疗设备控制，涉及一种口腔手术定位导航方法、系统和存储介质。
背景技术：
1、在实施口腔手术的过程中，通过口腔治疗设备对患者口腔进行钻孔、研磨等操作，需要依据口腔治疗设备和患者口腔之间的相对位置关系进行。以种植牙手术，在实施种植牙手术过程中，光学定位仪需要实时捕捉固定在患者口腔中的患者参考板和固定在种植手机上的手机参考板，对区分患者的移动和种植手机的移动进行实时定位。
2、在配置手术环境过程中，其一，需要通过夹持机构将患者参考板固定在患者口腔中，患者必须长时间保持嘴巴张开配合治疗，这会给患者带来较大不适感；其二，夹持机构通过夹持患者牙齿而实现固定，当夹持机构位置无法保持固定时，患者参考板与患者口腔之间不能保持相对固定状态，则无法通过患者参考板对患者口腔进行精准定位。其三，手术过程中操作人员需要凑近观察口内情况，这势必会阻挡光学定位仪和患者参考板之间的光线传播，导致手术过程断断续续。总的来说，在口腔手术中借助患者参考板进行定位的技术方案，存在操作繁琐、患者体验差、操作连续性不足、参考板易移位等问题。因此，开发一种无需参考板、直接通过患者天然牙齿进行手术定位导航的方案具有重要临床价值。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种口腔手术定位导航方法、系统和存储介质，通过患者天然牙齿上的特征点表征患者口腔的实时位姿，具有操作方便、定位精度高等优点，同时能够减轻患者口腔不适感。
2、保证导航精度和治疗效果。
3、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
4、一种口腔手术定位导航方法，包括：
5、s1.控制种植手机将其上的钻头安装套筒套接于标定板上的标定杆上，控制双目定位导航仪采集标定板上标定特征点的实时图像，根据标定板的三维数据模型和双目定位导航仪的光学三维坐标系，计算得到标定板在光学三维坐标系下的位姿；
6、s2.根据标定板在光学三维坐标系下的位姿获取标定杆的根部点在光学三维坐标系下的三维坐标和标定杆的顶部点在光学三维坐标系下的三维坐标，根据和计算得到种植手机中钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量，其中，；
7、s3.获取种植手机中钻头的旋转轴末端在光学三维坐标系下的三维坐标值和钻头长度，基于旋转轴末端在光学三维坐标系下的三维坐标值和钻头长度，结合钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量，计算得到钻头尖端在光学三维坐标系下的三维坐标值，其中，，；
8、s4.控制ct扫描设备扫描患者口腔，得到患者口腔的ct三维模型；
9、s5.将患者口腔的ct三维模型分割得到牙齿ct模型和牙槽骨ct模型；
10、s6.控制双目定位导航仪中的第一摄像头和第二摄像头配合各自散斑发射器发出散斑结构光，捕捉散斑结构光在患者牙齿上形成的实时图案，根据散斑结构光在患者牙齿上的实时图案生成牙齿三维点云；
11、s7.提取牙齿ct模型的牙齿ct特征点和牙齿三维点云的牙齿点云特征点，根据牙齿ct特征点和牙齿点云特征点对牙齿ct模型和牙齿三维点云进行配准，获取ct三维坐标系和光学三维坐标系之间的矩阵变换关系；
12、s8.在ct三维模型内植入种植体目标姿态，获取种植体在ct三维坐标系下目标位置和种植路径的方向向量；
13、s9.根据钻头尖端在光学三维坐标系下的三维坐标值，结合ct三维坐标系和光学三维坐标系的矩阵变换关系进行坐标转换，获取钻头尖端在ct三维坐标系下的三维坐标值，其中，；
14、s10.根据种植手机中钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量计算得到钻头的旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量；
15、s11.对比分析ct三维坐标系下种植体的目标位置和钻头尖端在ct三维坐标系下的三维坐标值，对比分析ct三维坐标系下种植路径的方向向量和钻头旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量，根据对比分析结果计算得到钻头的实时点位偏差和实时角度偏差；
16、s12.输出钻头的实时点位偏差和实时角度偏差，根据钻头的实时点位偏差和实时角度偏差对种植手机进行实时导航。
17、与现有技术相比，本技术方案的有益效果是：通过牙齿ct特征点和牙齿点云特征点计算得到ct三维坐标系和光学三维坐标系之间的矩阵变换关系，通过对比种植体的目标位置和钻头尖端的实时位姿、种植路径的方向向量和钻头旋转轴的单位向量进行辅助导航，具有操作方便、定位精度高等优点。
18、进一步的，所述步骤s6具体包括：
19、s601.基于第一摄像头和第二摄像头的相机参数对双目定位导航仪进行标定，得到双目定位导航仪的等效焦距f和基线长度b，并得到第二摄像头相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量；
20、s602.对散斑发射器进行标定，得到散斑发射器相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量；
21、s603.控制第一摄像头采集第一原始图像i1，控制第二摄像头采集第二原始图像i2，基于第二摄像头相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量、散斑发射器相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量，对i1和i2进行极线校正处理，得到极线校正后的第一校正图像和第二校正图像；
22、s604.在第一校正图像中选取第一匹配点中心和以第一匹配点中心为中心点的第一匹配范围，将第一校正图像中的第一匹配点中心和第一匹配范围映射至第二校正图像中得到第二校正图像中的第二匹配点中心和第二匹配范围，根据第二匹配点中心和第二匹配范围在第二校正图像中定义搜索范围；
23、s605.根据第一校正图像中的第一匹配范围对第二校正图像中的第二匹配范围进行零均值归一化互相关运算，确定第一校正图像上每个像素点在第二校正图像上对应的最佳匹配点p和最佳匹配点所对应的视差d；零均值归一化互相关运算过程为，当取值最大时，对应第二校正图像上的像素点为最佳匹配点p；其中，为第一校正图像上像素点的像素值，为第一校正图像中第一匹配范围上像素点的像素值的平均值，为第二校正图像上像素点的像素值，为第二校正图像中搜索范围上像素点的像素值的平均值；代表像素点在第一校正图像或者第二校正图像的坐标；
24、s606.根据第一校正图像上每个像素点对应的最佳匹配点和最佳匹配点所对应的视差d进行三维重建，计算像素点在三维点云模型中的三维数据，其中，像素点在三维点云模型中z轴的坐标值为，像素点在三维点云模型中x轴的坐标值为，像素点在三维点云模型中y轴的坐标值为，f为第一摄像头和第二摄像头的等效焦距，b为第一摄像头和第二摄像头的基线长度；
25、s607.根据像素点在三维点云模型中x轴、y轴和z轴的坐标值生成牙齿三维点云。
26、采用上述方案的有益效果是：通过对散斑结构光产生的原始图像进行校正处理后进行零均值归一化互相关运算，计算像素点在三维点云模型中的三维数据进而生成牙齿三维点云，为后续通过牙齿三维点云在牙齿ct模型和牙齿三维点云之间进行配准作准备。
27、进一步的，所述步骤s7具体包括以下步骤：
28、s701.基于fast算法从牙齿ct模型中提取牙齿ct特征点，得到牙齿ct特征点，基于fast算法从牙齿三维点云中提取牙齿点云特征点，得到牙齿点云特征点；其中，、为牙齿ct特征点，、为牙齿点云特征点；
29、s702.获取牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值，获取牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值；
30、s703.基于牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值或者牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值进行高斯平滑运算，得到尺度空间函数，运算过程为：
31、，其中，为尺度空间函数，g为三维高斯核函数，为高斯核标准差，为牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值或者牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值，为尺度倍增系数；
32、s704.计算牙齿ct特征点或者牙齿点云特征点的在邻域内点的梯度、模长、方向角和z轴夹角；其中，
33、，，，，在式中的t为矩阵转置；
34、s705.通过牙齿ct特征点的邻域内点的梯度、模长、方向角和z轴夹角表征牙齿ct特征点的特征描述子，通过牙齿点云特征点的邻域内点的梯度、模长、方向角和z轴夹角表征牙齿点云特征点的特征描述子和；
35、s706.通过判断牙齿ct特征点的特征描述子和牙齿点云特征点的特征描述子之间的最近邻距离比是否小于近邻距离阈值进行配对确认；当最近邻距离比小于近邻距离阈值则确认配对，当最近邻距离比大于等于近邻距离阈值则删除配对，得到初始配对组；
36、s707.通过迭代最近点算法对初始配对组进行优化，得到精确配对组；
37、s708.根据精确配对组，结合对应牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值、对应牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值，计算得到ct三维坐标系和光学三维坐标系之间的矩阵转换关系。
38、采用上述方案的有益效果是：根据牙齿ct特征点和牙齿点云特征点对牙齿ct模型和牙齿三维点云进行配准，通过高斯平滑运算进行粗配准、再通过迭代最近点算法进行粗配准，从而得到精确配对组，进而基于精确配对组得到ct三维坐标系和光学三维坐标系之间的矩阵转换关系。
39、进一步的，所述步骤s10中，根据种植手机中钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量计算得到旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量具体为：。
40、采用上述方案的有益效果是：获取旋转轴在ct三维坐标系下的实时位姿。
41、进一步的，步骤s11具体包括以下步骤：
42、s1101.对比分析ct三维坐标系下种植体的目标位置和钻头尖端在ct三维坐标系下的三维坐标值，得到钻头尖端和目标位置在ct三维坐标系下的实时点位偏差；
43、采用上述方案的有益效果是：将钻头尖端和目标位置在ct三维坐标系下的空间实时差值、钻头尖端和目标位置在ct三维坐标系下的空间实时差值进行参数化，为实时导航提供数据参考。
44、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
45、一种口腔手术定位导航系统，包括：
46、图像采集模块，用于控制种植手机将其上的钻头安装套筒套接于标定板上的标定杆上，控制双目定位导航仪采集标定板上标定特征点的实时图像，根据标定板的三维数据模型和双目定位导航仪的光学三维坐标系，计算得到标定板在光学三维坐标系下的位姿；
47、旋转轴标定模块，用于根据标定板在光学三维坐标系下的位姿获取标定杆的根部点在光学三维坐标系下的三维坐标和标定杆的顶部点在光学三维坐标系下的三维坐标，根据和计算得到种植手机中钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量，其中，；
48、单位向量标定模块，用于获取种植手机中钻头的旋转轴末端在光学三维坐标系下的三维坐标值和钻头长度，基于旋转轴末端在光学三维坐标系下的三维坐标值和钻头长度，结合钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量，计算得到钻头尖端在光学三维坐标系下的三维坐标值，其中，，；
49、ct扫描模块，用于控制ct扫描设备扫描患者口腔，得到患者口腔的ct三维模型；
50、模型分割模块，用于将患者口腔的ct三维模型分割得到牙齿ct模型和牙槽骨ct模型；
51、三维点云生成模块，用于控制双目定位导航仪中的第一摄像头和第二摄像头配合各自散斑发射器发出散斑结构光，捕捉散斑结构光在患者牙齿上形成的实时图案，根据散斑结构光在患者牙齿上的实时图案生成牙齿三维点云；
52、变换关系计算模块，用于提取牙齿ct模型的牙齿ct特征点和牙齿三维点云的牙齿点云特征点，根据牙齿ct特征点和牙齿点云特征点对牙齿ct模型和牙齿三维点云进行配准，获取ct三维坐标系和光学三维坐标系之间的矩阵变换关系；
53、目标姿态获取模块，用于在ct三维模型内植入种植体目标姿态，获取种植体在ct三维坐标系下目标位置和种植路径的方向向量；
54、尖端姿态获取模块，用于根据钻头尖端在光学三维坐标系下的三维坐标值，结合ct三维坐标系和光学三维坐标系的矩阵变换关系进行坐标转换，获取钻头尖端在ct三维坐标系下的三维坐标值，其中，；
55、旋转轴姿态获取模块，用于根据种植手机中钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量计算得到钻头的旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量；
56、对比分析模块，用于对比分析ct三维坐标系下种植体的目标位置和钻头尖端在ct三维坐标系下的三维坐标值，对比分析ct三维坐标系下种植路径的方向向量和钻头旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量，根据对比分析结果计算得到钻头的实时点位偏差和实时角度偏差；
57、实时导航模块，用于输出钻头的实时点位偏差和实时角度偏差，根据钻头的实时点位偏差和实时角度偏差对种植手机进行实时导航。
58、进一步的，所述三维点云生成模块具体包括：
59、摄像头标定单元，用于基于第一摄像头和第二摄像头的相机参数对双目定位导航仪进行标定，得到双目定位导航仪的等效焦距f和基线长度b，并得到第二摄像头相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量；
60、发射器标定单元，用于对散斑发射器进行标定，得到散斑发射器相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量；
61、极线校正单元，用于控制第一摄像头采集第一原始图像i1，控制第二摄像头采集第二原始图像i2，基于第二摄像头相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量、散斑发射器相对于第一摄像头的旋转矩阵和平移向量，对i1和i2进行极线校正处理，得到极线校正后的第一校正图像和第二校正图像；
62、匹配映射单元，用于在第一校正图像中选取第一匹配点中心和以第一匹配点中心为中心点的第一匹配范围，将第一校正图像中的第一匹配点中心和第一匹配范围映射至第二校正图像中得到第二校正图像中的第二匹配点中心和第二匹配范围，根据第二匹配点中心和第二匹配范围在第二校正图像中定义搜索范围；
63、零均值归一化互相关运算单元，用于根据第一校正图像中的第一匹配范围对第二校正图像中的第二匹配范围进行零均值归一化互相关运算，确定第一校正图像上每个像素点在第二校正图像上对应的最佳匹配点p和最佳匹配点所对应的视差d；零均值归一化互相关运算过程为，当取值最大时，对应第二校正图像上的像素点为最佳匹配点p；其中，为第一校正图像上像素点的像素值，为第一校正图像中第一匹配范围上像素点的像素值的平均值，为第二校正图像上像素点的像素值，为第二校正图像中搜索范围上像素点的像素值的平均值；代表像素点在第一校正图像或者第二校正图像的坐标；
64、像素点分析单元，用于根据第一校正图像上每个像素点对应的最佳匹配点和最佳匹配点所对应的视差d进行三维重建，计算像素点在三维点云模型中的三维数据，其中，像素点在三维点云模型中z轴的坐标值为，像素点在三维点云模型中x轴的坐标值为，像素点在三维点云模型中y轴的坐标值为，f为第一摄像头和第二摄像头的等效焦距，b为第一摄像头和第二摄像头的基线长度；
65、点云模型生成单元，用于根据像素点在三维点云模型中x轴、y轴和z轴的坐标值生成牙齿三维点云。
66、进一步的，所述变换关系计算模块具体包括：
67、特征点提取单元，用于基于fast算法从牙齿ct模型中提取牙齿ct特征点，得到牙齿ct特征点，基于fast算法从牙齿三维点云中提取牙齿点云特征点，得到牙齿点云特征点；其中，、为牙齿ct特征点，、为牙齿点云特征点；
68、三维坐标获取单元，用于获取牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值，获取牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值；
69、高斯平滑运算单元，用于基于牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值或者牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值进行高斯平滑运算，得到尺度空间函数，运算过程为：
70、，其中，为尺度空间函数，g为三维高斯核函数，为高斯核标准差，为牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值或者牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值，为尺度倍增系数；
71、特征点邻域参数计算单元，用于计算牙齿ct特征点或者牙齿点云特征点的在邻域内点的梯度、模长、方向角和z轴夹角；其中，
72、，，，，在式中的t为矩阵转置；
73、特征描述子计算单元，用于通过牙齿ct特征点的邻域内点的梯度、模长、方向角和z轴夹角表征牙齿ct特征点的特征描述子，通过牙齿点云特征点的邻域内点的梯度、模长、方向角和z轴夹角表征牙齿点云特征点的特征描述子和；
74、配对确认单元，用于通过判断牙齿ct特征点的特征描述子和牙齿点云特征点的特征描述子之间的最近邻距离比是否小于近邻距离阈值进行配对确认；当最近邻距离比小于近邻距离阈值则确认配对，当最近邻距离比大于等于近邻距离阈值则删除配对，得到初始配对组；
75、迭代优化单元，用于通过迭代最近点算法对初始配对组进行优化，得到精确配对组；
76、转换关系计算单元，用于根据精确配对组，结合对应牙齿点云特征点在光学三维坐标系下的三维坐标值、对应牙齿ct特征点在ct三维坐标系下的三维坐标值，计算得到ct三维坐标系和光学三维坐标系之间的矩阵转换关系。
77、进一步地，在所述旋转轴姿态获取模块中，根据种植手机中钻头的旋转轴在光学三维坐标系下的单位向量计算得到旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量具体为：；
78、所述对比分析模块具体包括：
79、点位偏差计算单元，用于对比分析ct三维坐标系下种植体的目标位置和钻头尖端在ct三维坐标系下的三维坐标值，得到钻头尖端和目标位置在ct三维坐标系下的实时点位偏差；
80、角度偏差计算单元，用于对比分析ct三维坐标系下种植路径的方向向量和钻头旋转轴在ct三维坐标系下的单位向量，得到钻头尖端和目标位置在ct三维坐标系下的实时角度偏差，其中，为向量点乘。
81、对应地，一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被处理器执行时，处理器执行如上所述的口腔手术定位导航方法。