[發明專利]手術機器人定位標志點自動識別方法

有效

• 申請號: 201410335122.6
• 申請日: 2014-07-15
• 公開（公告）號: CN104123540A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: 張送根;王彬彬;張維軍;李曉蕓;魯通
• 申請（專利權）人: 北京天智航醫療科技股份有限公司
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 高麗萍

技術領域

本發明涉及圖像處理技術領域，特別是一種對手術機器人拍攝的X線透視圖像中用來定位的標志點進行自動識別的方法。

背景技術

標志點圖像定位是數字圖像處理中的一種關鍵處理技術。標志點作為重要的圖像特征，廣泛應用于醫療圖像定位、目標圖像檢索、相機標定、三維重建、深度圖像匹配等二維或三維應用的重要領域。例如，地圖掃描圖像處理涉及到的各種獨立符號的定位問題；航空數字影像處理涉及到的航片框標點、地面標志點精確定位問題；醫療X射線圖像處理涉及到的手術機器人定位標志點問題。其中，圓形標志點以其定位精度高、易于識別的優點得到了廣泛的應用。并且，標志點定位精度在很大程度上決定著應用系統的精度。標志點的定位一般采用人工導引的方法，或利用已知的粗略位置數據，先在圖像上確定其大致位置，再利用算法進行精確定位。這里主要對精確定位的算法進行探討，數字圖像上標志點精確定位的方法有很多種，如基于圖像灰度值方差加權和最小算法、基于最小二乘匹配法、基于霍夫(Hough)變換法等，結合Canny邊緣檢測、目標識別、亞像素邊緣檢測等技術。

其中，醫療X射線圖像處理涉及到的手術機器人定位標志點問題是醫療圖像處理的核心技術之一。隨著機器人技術與醫學科學交叉應用的快速發展，各種醫用機器人的研究也成為熱點，并在醫學領域中得到越來越廣泛的應用。目前手術機器人已在神經外科、人工關節置換、泌尿科、膽囊摘除等方面取得了廣泛的應用。在手術機器人的導航定位過程中，一般利用C型臂透過設定有標志點的標定標尺來拍攝病人的X線透視圖像，通過圖像處理手段進行標定標尺上的特定標志點的識別，然后根據標志點特征建立機器人坐標系與手術空間坐標系之間的映射關系，在此基礎上進行手術路徑規劃和定位。利用機器人進行手術操作的定位更為準確、機械臂的抓取更為穩定且有力，可以避免外科醫生長時間手術而帶來的疲勞，提高了手術的精度、穩定性以及安全性；但是，由于這種手術決定了很多工作要暴露在X光下完成，在手術過程中輻射出的大量X射線容易對患者和手術醫生的健康造成嚴重的威脅甚至傷害，尤其是對于手術醫生，長時間的X射線輻射會造成免疫力低下等一系列健康問題，手術機器人技術和手術機器人定位圖像標志點技術，可以大大縮短手術時間，減少病人和醫生在手術過程中受到的X射線損傷，保護病人和醫生的身體健康，但是在算法精度和處理時間等方面，仍然有很大的發展空間。現有的手術機器人無法完成單純的定位標志點的識別，而是采用標志點和標記線聯合定位及其識別的方式完成，標志點+標記線識別算法的缺陷是：標記線容易受到骨邊緣或其它類似影響影像的干擾出現識別錯誤，造成標志點的順序識別錯誤，這就使得手術路徑存在偏差，降低了手術機器人的精度；并且在缺少任意標志點時均無法進行正確的識別。目前世界上很多國家都致力于開發各種新型的導航定位技術和定位圖像標志點技術，以提高機器人手術的精度，并盡可能減少手術醫生和患者在手術中所受到的X射線輻射。

發明內容

本發明針對現有技術中在算法精度和處理時間等方面存在的缺陷或不足，提供一種手術機器人定位標志點自動識別方法，通過自動識別圖像標志點索引進行手術導航定位，實現對X線透視圖像中多個標志點準確、高效地自動識別，為提高手術路徑的準確度、顯著縮短手術時間以及提高手術效率提供了前提。

本發明的技術方案如下：

一種手術機器人定位標志點自動識別方法，用于對手術機器人拍攝的X線透視圖像中用來定位的標志點的識別，其特征在于，所述方法是在獲取X線透視圖像中的標志點后提取兩兩標志點的距離在第一閾值允許的范圍內的標志點；再計算標志點的夾角，檢測出構成兩個向量的預設夾角的三個標志點；根據檢測的所述三個標志點的位置采用預估算法得到第四個標志點的位置，然后對識別的各標志點進行排序和編號。

當X線透視圖像中用來定位的標志點數多于四個時，根據檢測的所述三個標志點的位置采用預估算法得到其它標志點的位置，然后對識別的所有標志點統一進行排序和編號。

所述預設夾角為90°且標志點數為九個時，所述標志點包括構成正方形的八個標志點和作為輔助標記的一個輔助標志點，檢測的所述三個標志點中的斜邊的兩個標志點分別對應正方形邊長的中點位置，根據預估算法得到作為正方形頂點的四個標志點和作為正方形邊長中點的四個標志點，根據所述八個標志點搜索輔助標志點，再根據輔助標志點與作為正方形頂點的四個標志點的距離關系，對識別的構成正方形的八個標志點進行排序和編號。

所述提取兩兩標志點的距離在第一閾值允許的范圍內的標志點為標志點的初步提取，還包括在初步提取的各標志點中再次計算兩兩標志點的距離，二次提取兩兩標志點的距離在第二閾值允許的范圍內的標志點。