一种用于手术导航的高精度光学定位系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于手术导航的光学定位系统，具体为一种用于手术导航的高精 度光学定位系统，属于医疗设备领域。
【背景技术】
[0002] 手术导航是现代影像技术、立体定向技术与先进的计算机技术有机结合的成果。 手术导航系统是用于神经外科、耳鼻喉科、矫形科等微创手术的辅助设备。它对于提高手术 定位精度、减少手术损伤、优化手术路径W及提高手术成功率等都具有十分重要的意义。通 常，手术导航整个系统包括医学影像工作站，W及一套与之相连的空间定位装置。目前，医 学影像的采集和处理部分在我国国内能够进行自主研发，而空间定位系统则完全依赖国外 进口。由于进口空间定位设备的价格高居不下，严重阻碍了手术导航技术在我国的发展。本 文的目的是研发一种定位精确、性能稳定、价格适中的光学=维定位系统，发展适合中国国 情的手术导航产品，让国内大多数医院能拥有此项先进技术。
[0003] 光学空间定位系统通过摄像机观察目标，获取目标图像，在此基础之上根据立体 视觉原理重建出目标的=维空间位置。根据被观察目标是否有源，可大致分为被动式和主 动式。被动光学定位系统使用反射标记物作目标点。目标点反射光线并成像到传感器。将几 个此类标记物安装在手术器械上，便可推算出手术器械的位置和方向。运种典型系统的定 位精度可达1mm，它主要受限于光学镜头的成像质量和视频图像的分辨率。运种定位系统安 装和操作灵活方便，被观察的对象无须导线的连接，更换手术器械方便。但是相对来说追踪 能力不及主动工具，另外被动工具需要配置昂贵的反射球。目前国外已开发出的系统有 RokeManor Research公司的VI化AN系统、Bioengineering Technology&System公司的 ELITE系统、Oxford Metrics公司的VICON系统和德国化ainLab公司的Vector Vision系统 等。
[0004] 主动光学定位系统通常将一组发光二极管安装在刚体上，发光二极管按特定的顺 序发射红外光，摄像机接受信号，根据发光二极管的发光顺序和在摄像机敏感元件上的成 像位置可W确定发光二极管的空间位置。确定了发光二极管的空间位置后就可W推知刚体 的空间位置和运动情况。由于它主动发射信号，因而精确度相对较高，追踪过程较稳定。最 大的缺点就是带有供电电缆，操作不便。目前国外的NDI公司的化totrak 3020系统是经典 代表，精度最高可达0.1mm。为了使医生操作更加方便，不少国外厂家已经开始通过在工具 中安装电池供电使其变为主动工具。例如Stryker公司的InstaTrak3500 Plus系统等。而对 于红外线光学定位系统，主要的产品有NDI公司的Polar is定位跟踪系统和化to化ack定位 器，Image Guided Technology公司的Flashpoint 5000，Sulzer Medical公司的 Navitrackr电磁和光学结合的系统等。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于为了解决上述问题而提供一种用于手术导航的高精度光学定 位系统。
[0006] 本发明通过W下技术方案来实现上述目的：一种用于手术导航的高精度光学定位 系统，包括高精度光学定位系统平台W及驱动高精度光学定位系统平台的软件模块;所述 高精度光学定位系统平台包括带有两个摄像头的双目视觉系统、主动或被动式定位器、标 记物和医学影像工作台；
[0007] 在所述高精度光学定位系统平台上还安装有四个发光彩灯作为标记点;所述双目 视觉系统的摄像头采用PAL信号输出，并通过视频端口与医学影像工作站相连；
[0008] 所述软件模块是基于所述高精度光学定位系统平台，并且W计算机为载体的软件 驱动。
[0009] -种基于高精度光学定位系统平台的操作方法，包括如下步骤：
[0010] 1)、点击手术导航术中处理菜单，会弹出两个选项:标定W及匹配和反投影，它们 分别对应两个对话框，用于进行标定和立体匹配的界面操作；
[0011] 2)、点击按钮"角点检测"，对标定板进行角点检测，当两个显示框中都能完全检测 到标定板的角点时，点击按钮"保存图像和标定"；
[0012] 3)、点击"Loadlmage"和"LoacLri曲t"按钮，分别装载左右两幅待匹配的图像，图 像显示在对话框上方的两个图像控件中
[0013] 4)、点击按钮"Img_stack"将两幅图像按从左到右的顺序组成一幅图像并且显示 在对话框中间的图像控件中；
[0014] 5)、点击按钮"Initialize Ml M2"用来将标定得到的标定参数导入，用于求标记 点的空间坐标；
[0015] 6)、点击按钮"Match_image"用来对两幅图像中的标记点进行匹配并求出其在控 件中的坐标，标记点的在左右两幅图中的质屯、坐标W及在控件中的坐标显示在对话框的下 方。
[0016] 进一步，重复2)的步骤，当保存10张图片后，系统将会对所拍摄到得图片进行标定 操作，得到标定的参数，同时在对话框中的左下角部分显示标定参数。
[0017] 本发明的有益效果是：W自主研制的可见光双目视觉系统为平台，采用基于变换 的脊检测方法进行角点亚像素提取，同时采用极线约束的绝对灰度差分和匹配算法进行立 体匹配;该系统具有稳定、可靠、成本低、标定方法简单、匹配准确和定位精度高等特点，能 够满足外科手术导航的要求;成像使可W直接从视频端口看到形象的图形，直观的反映出 来，使手术导航定位简单化，插孔和插头之间能够进行简单的拆卸和安装，运种定位系统安 装和操作灵活方便，被观察的对象无须导线的连接，更换手术器械方便。
【附图说明】
[0018] 下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的 任何限制。
[0019] 图1为本发明所述整体安装结构示意图；
[0020] 图2为本发明所述主动式定位器；
[0021] 图3为本发明所述被动式定位器；
[0022] 图4为本发明所述第一安装孔和第二安装孔结构；
[0023] 图5为本发明所述插头结构示意图；
[0024] 图6为本发明所述插孔结构示意图；
[0025] 图7为本发明软件平台主操作界面；
[0026] 图8为本发明软件平台标定操作用户界面；
[0027] 图9为本发明软件平台立体匹配操作界面；
[00%]图10为本发明双目视觉系统的标定结果；
[0029] 图11为本发明双目立体视觉的匹配结果；
[0030] 图中：1、医学影像工作站，2、第一摄像头，3、第二摄像头，4、传输线，5、电脑处理 器，6、视频端口，7、主动式定位器，8、标记点a，9、被动式定位器，10、标记点b，11、第一安装 孔，12、束^安装孔，13、插孔，14、插头。
【具体实施方式】
[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032] 如图1至图6,一种用于手术导航的高精度光学定位系统，包括医学影像工作站1、 第一摄像头2、第二摄像头3、传输线4、电脑处理器5、视频端口 6、主动式定位器7、标记点曰8、 被动式定位器9、标记点blO、第一安装孔11、第二安装孔12、插孔13和插头14;所述医学影像 工作站1侧壁设置有第一安装孔11和第二安装孔12,并且所述第一安装孔11位于第二安装 孔12-侧;所述医学影像工作站1侧壁设置有插孔13且所述插孔13和与传输线4连接的插头 14紧密连接;所述传输线4 一端与电脑处理器5紧密连接且所述电脑处理器5通过传输线4与 视频端口 6相连;所述医学影像工作站1通过光源和主动式定位器7、被动式定位器9连接，并 且所述主动式定位器7内部设置有标记点a8;所述被动式处理器9表面设置有标记点b 10;所 述第一安装孔11和第二安装孔12内部分别安装有第一摄像头2和第二摄像头3。
[0033] 作为本发明的一种技术优化方案:所述医学影像工作站为长方体结构，并且所述 医学影像工作站底端设置有四个支脚;所述第一摄像头2位于第二摄像头3-侧;所述插头 14为圆柱形结构，并且所述插头14 一端设置有连接头;所述主动式定位器7内部设置有若干 个有序排列的标记点曰8,并且所述主动式定位器7为多段结构安装组成;所述被动式定位器 9表面设置有支架，并且若干个所述标记点blO设置于支架顶端;所述第一摄像头2和第二摄 像头摄像头3采用PAL信号输出，输出信号的分辨率可达640*48