基于消除红外滤光片折射效应的手术导航仪定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学手术导航，具体地，涉及基于消除红外滤光片折射效应的手术导 航仪定位方法。
【背景技术】
[0002] 光学导航是目前手术导航中的主流方法，具有精度高、应用灵活方便、无侵入伤害 等优点，因而在神经外科、脊柱外科(骨科）、耳鼻喉科、整形外科等领域有着广泛的应用。目 前光学导航产品几乎被国外垄断，国内应用的产品有加拿大NDI公司的Polaris系统，美国 Medtronic公司的Stealthstation系统，德国Stryker公司的Stryke Navigation System系 统和BrainLab公司的3D VectorVision导航系统等，为了打破垄断，降低医疗成本，国内一 些高校和公司竞相开展了对光学手术导航系统的研究，但距离国外得最高水平还有很长的 一段距离要走。
[0003] 光学手术导航系统其核心为基于近红外光的立体视觉定位仪，其由一对灰度相机 和镜头前加装的红外滤光片构成。红外滤光片能够剔除环境光的干扰，快速准确地分割出 手术器械上的标志点，使用红外滤光片提取红外标志点的位置具有设计简单、成本低廉、易 于实现等优点，因此获得了广泛的应用。根据手术器械标志点是否发光，立体视觉定位仪分 为主动式和被动式两种：主动式立体视觉定位仪是在手术器械上安装数个红外发光二极 管;被动式立体视觉定位仪是在手术器械上安装数个红外反光小球，在相机周围安装红外 光源，然后使用相机透过红外滤光片采集红外反光小球的位置。
[0004] 在立体视觉定位仪定位过程中，其两个相机分别透过红外滤光片对红外标志点进 行成像，在两视图中分别提取到红外标志点的中心后，使用传统的三角测量法计算红外标 志点的空间位置，在此过程中并没有考虑红外滤光片对定位精度的影响。通过分析发现，当 相机通过红外滤光片对目标进行成像时，光线从目标点出发穿过红外滤光片，由于光的折 射作用，光线在红外滤光片的表面发生两次折射，改变光线的传播方向。由于红外滤光片折 射的影响，传统的针孔相机成像模型以及相关的理论方法将不再适用，此时使用传统的三 角测量法对空间点进行定位，将引进系统定位误差。
[0005] 目前，由于红外滤光片的折射对成像影响的复杂性，国内所研发的光学手术导航 仪均没有考虑红外滤光片的折射对空间定位的影响。由于光学手术导航仪对精度的要求非 常高，可谓精度越高越好，因此有必要考虑红外滤光片的折射效应对空间定位的影响，消除 红外滤光片折射带来的定位误差对于提高手术导航仪的空间定位精度具有重要的实用价 值。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供基于消除红外滤光片折射效应的手 术导航仪定位方法。
[0007] 根据本发明提供的基于消除红外滤光片折射效应的手术导航仪定位方法，包括如 下步骤：
[0008] 步骤1:标定在无红外滤光片时左右两侧相机的内参数矩阵、镜头畸变参数以及左 右两侧相机之间的相对位置关系；
[0009] 步骤2:测量红外滤光片的厚度、折射率，然后将红外滤光片分别安装在左右两侧 相机的镜头前；
[0010]步骤3:使用光学导航仪采集手术器械图像，利用相机内参矩阵和镜头畸变参数对 手术器械图像进行镜头畸变校正，得到镜头畸变校正后的图像；
[0011] 步骤4:将镜头畸变校正后的图像进行二值处理，提取所述镜头畸变校正后的图像 中每个红外标志点的成像区域，得到每个红外标志点在图像中对应的中心点图像坐标，然 后左右两幅图像匹配得到红外标志点对应的图像点对；
[0012] 步骤5:根据相机的内参矩阵、红外滤光片的厚度和折射率得到相机透过红外滤光 片成像的相机成像模型，然后根据该相机成像模型、左右两侧相机之间的相对位置关系以 及红外标志点对应的图像点对，计算红外标志点的空间位置。
[0013] 优选地，所述步骤1包括：
[0014] 步骤1.1:使用单摄像机标定算法对左右两侧相机分别进行摄像机标定，得到摄像 机内参矩阵和镜头畸变参数，得到相机内参矩阵(Al ,Ar)和镜头畸变参数(Si, Sr)，计算公式 如下：
[0019] 式中，其中下标l、r分别表示左右相机对应的相关参数,A1表示左侧相机内参矩 阵，Ar表示右侧相机内参矩阵，S 1表示左侧相机畸变参数，Sr表示右侧相机畸变参数，flx表示 左侧相机在像素量纲下关于X轴方向上的焦距，f rx表示右侧相机在像素量纲下关于X轴方向 上的焦距，fly表示左侧相机在像素量纲下关于y轴方向上的焦距，fry表示右侧相机在像素 量纲下关于y轴方向上的焦距，C lx表示左侧相机主点关于X轴的值，Cly表示左侧相机主点关 于y轴的值，Crx表示右侧相机主点关于X轴的值， Cry表示右侧相机主点关于y轴的值，kn表示 左侧相机镜头2阶径向畸变参数，k12表示左侧相机镜头4阶径向畸变参数，k rl表示右侧相机 镜头2阶径向畸变参数，kr2表示右侧相机镜头4阶径向畸变参数，Pn表示左侧相机镜头离心 畸变参数，Pl 2表示左侧相机镜头离心畸变参数，Pr1表示右侧相机镜头离心畸变参数，？^表 示右侧相机镜头离心畸变参数；
[0020] 步骤1.2:使用双目相机标定算法得到左右两侧相机之间的相对旋转矩阵和平移 向量(R，t)，R表示右侧相机坐标系相对于左侧相机坐标系的旋转矩阵，t表示右侧相机坐标 系相对于左侧相机坐标系的平移向量。
[0021] 优选地，所述步骤2包括：
[0022] 步骤2.1:使用游标卡尺或螺旋测微器测量红外滤光片的厚度，多次测量后取均 值，记所述左右两侧相机所用的红外滤光片的厚度分别为cU、d r;
[0023] 步骤2.2:使用折射率测量仪测量红外滤光片的折射率为η;
[0024] 步骤2.3:将红外滤光片安装在左右两侧相机的镜头前。
[0025]优选地，所述步骤3包括：
[0026] 步骤3.1:使用光学导航仪采集手术器械图像，即安装红外滤光片后相机采集到的 包含红外标志点的图像，其中，将左侧相机采集到的图像记为I 1;将右侧相机采集到的图像 记为Ir;
[0027] 步骤3.2 :利用相机内参矩阵(Al，Ar)和镜头畸变参数(Si，Sr)对图像II、Ir进行镜头 畸变矫正，在此只考率径向畸变和离心畸变，对左右两幅图像分别采用如下畸变校正方法 进行校正，校正公式如下：
[0029] 式中，Sudr表示观测到的图像点(Ud，Vd)在X方向上的径向畸变的畸变量，δ Vdr分别表 示观测到的图像点（Ud，Vd)在y方向上的径向畸变的畸变量，Sudd表示观测到的图像点（Ud， Vd)在X方向上的离心畸变的畸变量，δ vdd分别表示观测到的图像点(Ud，Vd)在y方向上的离心 畸变的畸变量，Ud为观测到的图像点在X方向上的图像坐标，Vd为观测到的图像点在y方向上 的图像坐标，U表示观测到的图像坐标(Ud，Vd)在经过畸变校正后在X方向上的图像坐标，V分 别表示观测到的图像坐标(Ud，Vd)在经过畸变校正后在y方向上的图像坐标，其中：
[0032]式中，rd是从图像主点至畸变图像点（Ud，Vd)的距离，h表示二阶径向畸变参数，k2 表示四阶径向畸变参数。
[0033] 优选地，所述步骤4包括：
[0034]步骤4.1:对镜头畸变校正后的图像In、Irl进行二值处理，得到左侧相机的二值图 像112和右侧相机的二值图像Ir2 ;
[0035] 步骤4.2:利用区域提取算法对左侧相机的二值图像112和右侧相机的二值图像Ir2 进行处理，得到左侧相机和右侧相机采集到的图像中每个红外标志点的成像区域；
[0036] 步骤4.3:使用重心法或者任何区域中心提取算法，计算红外标志点对应区域的中 心，并把该中心作为红外标志点的中心在图像中对应的位置；
[0037] 步骤4.4:使用对极约束法快速匹配左侧相机和右侧相机采集到的图像中的红外 标志点，得到红外标志点对应的图像点对(XI，Xr )，其中X1表示红外标志点的中心在左图像 中对应的图像点，Xr表示同一个红外标志点的中心在右图像中对应的图像点。
[0038] 优选地，所述步骤5包括：
[0039]步骤5.1:根据相机的内参矩阵、红外滤光片的厚度和折射率得到相机透过红外滤 光片的相机成像模型；
[0040] 当以左侧相机坐标系作为世界坐标系时，即令相机坐标系的原点位于相机中心， 则对于每一个图像点对(xi，xr)，其中
表示左图像点的图像坐标，
表示右 图像点的图像坐标，Ul表示左图像中的图像点在X方向上的坐标值，Vl表示左图像中的图像 点在y方向上的坐标值，Ur表示右图像中的图像点在X方向上的坐标值，Vr表示左图像中的图 像点在y方向上的坐标值；
[0041] 左相机投影矩阵?1为?1=厶1[1 tdl]，右相机投影矩阵Pr为Pr = Ar[R t-tdr]，其中： 左侧相机虚拟视点在左相机坐标系中的位置为tdl=(0 0 dQ1)T;右侧相机虚拟视点在右相 机坐标系中的位置为tdr = (0 0 dQr )T ; Cb1表示左相机对应于图像点对(X1，Xr )的相机虚拟视 点在左相机光轴上的平移距离;Cbr表示右两侧相机对应于图像点对(X1，Xr)的相机虚拟视 点在右相机光轴上的平移距离;C