[發明專利]一種應用于手術導航標記點誤差指示的示蹤器設計方法

有效

• 申請號: 201410149067.1
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN103948431A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 楊榮騫;林欽永;吳效明;司璇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及計算機輔助手術研究領域，具體是一種應用于手術導航標記點誤差指示的示蹤器設計方法。

背景技術

近年來，光學手術導航技術得到了快速的推廣，逐漸用于神經外科、口腔頜面外科、骨科等手術中。在光學手術導航系統中，標記點跟蹤定位是手術導航的核心內容，其跟蹤定位方法與精度直接決定手術導航的精度、應用范圍與實用性。

手術導航的精度不僅跟標記點跟蹤方法的精度相關，還與光學定位系統擺放的位置有關，盡管標記點跟蹤方法的精度較高，但如手術器械與光學定位系統的相對位置不是處于最佳跟蹤區域內，則會大大降低最終的導航精度，使得手術效果與術前規劃偏差較大，甚至導致手術失敗。其原因在于標記點在有效視場內誤差分布是不均勻的，與定位系統等距離的不同位置，誤差分布也是不同的，這主要決定于攝像機拍攝標記點的方位以及標記點在圖像上的分辨率。因此，需分析定位系統誤差分布，并使其可視化。術前根據誤差分布圖譜，調整光學定位系統位置，使手術工具的活動區域位于誤差較小區域內，以提高手術導航的精度。

因此，設計一種應用于手術導航標記點誤差指示的示蹤器設計方法對于提高導航的精度有很大的必要。

發明內容

本發明針對標記點在有效視場內誤差分布是不均勻的，與定位系統等距離的不同位置，誤差分布也是不同的這一問題，提供一種應用于手術導航標記點誤差指示的示蹤器設計方法，該方法可以定位系統誤差分布，并使其可視化，從而指導醫生操作手術器械在空間誤差較小區域內進行導航，提高手術導航的精度。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：一種應用于手術導航標記點誤差指示的示蹤器設計方法，該方法是計算手術導航雙目光學定位系統有效視場的空間相對誤差分布，然后將手術器械所在位置的空間相對誤差分布可視化。

具體的，所述計算手術導航雙目光學定位系統有效視場的空間相對誤差分布的方法是：

（1）獲取雙目光學定位系統的內外部參數；

（2）確定雙目光學定位系統的系統坐標系；

（3）定義一個呈長方體分布的離散空間點集合；

（4）依據小孔成像原理，將空間離散點投射到左右攝像機的成像面上，計算出理論亞像素點坐標；

（5）以理論亞像素點為中心，確定一圓形或方形誤差范圍，在左右攝像機成像面上各隨機取上述誤差范圍內的點若干個，其中左右攝像機的取點數相同，根據雙目視覺的對極幾何原理重建這些配對像素點的空間點坐標，并計算這些空間點與原空間點的距離，將這些距離的均值作為原空間點的空間相對誤差值。

具體的，所述步驟（1）中，雙目光學定位系統的內外部參數通過標定左右攝像機得到，或者由制造商給定。

具體的，所述步驟（2）中，雙目光學定位系統的系統坐標系定義如下：以兩個攝像機光心的連線為X軸，它們的中點為原點，原點指向右攝像機光心為X軸正方向；Y軸定義為過原點且垂直于左右攝像機坐標系的Z軸，原點指向空間上方為正方向；使用右手定則確定Z軸，指向左右攝像機的拍攝方向為Z軸正方向。

具體的，所述步驟（3）中，所述長方體的寬高長分別與系統坐標系的X、Y、Z軸平行，系統Z軸過長方體前后兩面的中心點。

具體的，所述步驟（4）中，計算理論亞像素點坐標的步驟是：

（4-1）設系統坐標系下，P點坐標為(X_w,Y_w,Z_w)，該點坐標在攝像機坐標系中的實際坐標為(X_c,Y_c,Z_c)，對應的亞像素點坐標即在圖像坐標系中的坐標為（u，v），P點從系統坐標系變換到攝像機坐標系的公式：