[發明專利]一種基于徑向樣條插值的軟組織三維視覺跟蹤方法

有效

• 申請號: 201510982502.3
• 申請日: 2015-12-24
• 公開（公告）號: CN105616003B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 楊波;鄭文鋒;劉珊
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: A61B34/10
• 分類號: A61B34/10;A61B34/20
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙)51220
• 代理人: 溫利平

技術領域

本發明屬于視覺跟蹤技術領域，更為具體地講，涉及一種基于徑向樣條插值的軟組織三維視覺跟蹤方法。

背景技術

近年來，以內窺鏡手術為代表的微創手術越來越多的用于臨床醫療。在這類手術中，醫生通過觀察探入內窺鏡反饋回的實時影像，操控微創手術器械完成復雜的心臟外科手術。

以脫泵冠脈搭橋術(off pump CABG)為例，這種心臟不停跳的手術可使患者擺脫人工心肺機，降低體外循環對患者身體的損害，降低并發癥的風險，縮短患者的康復時間。但是由于直接視覺的缺失，手術醫生無法準確、直觀的感知跳動心臟表面手術區域的三維運動，這給完成復雜精細的手術操作帶來困難。

為了給手術醫生提供實時、準確的軟組織三維運動信息，國外學者嘗試利用各種傳感器跟蹤軟組織的三維運動。由于微創手術空間狹小，無法植入大型三維掃描設備，人體軟組織結構復雜又含較多的非線性形變，軟組織三維跟蹤成為醫學工程領域中的難點。在不需要額外測量設備，基于立體內窺鏡的軟組織三維視覺跟蹤逐漸受到科研和臨床界的重視。W.Lau等在文獻《Stereo-based endoscopic tracking of cardiac surface deformation》中利用B樣條模型基于立體內窺鏡影像對心臟表面形變進行三維跟蹤，D.Stoyanov等在文獻《A practical approach towards accurate dense 3-D depth recovery for robotic laparoscopic surgery》中則使用分片雙線性映射模型在機器人輔助內窺鏡手術中對心臟表面進行三維重構和跟蹤，R.Richa等在文獻《Three-dimensional motion tracking for beating heart surgery using a thin-plate spline deformable model》中使用薄板樣條模型跟蹤跳動心臟表面的運動。

然而，上述方法中所采用的形變模型通常較為復雜，很難實時應用；同時由于模型較復雜，在每一幀模型參數求解時，往往無法獲得最優的參數解，甚至導致迭代求優算法無法收斂，最終導致跟蹤失敗。而現有的簡單形變模型，如線性仿射變換模型，在用于跟蹤時通常可以滿足實時性要求，但由于無法準確描述軟組織表面的非線性形變，因而無法獲得精確的三維跟蹤結果。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于徑向樣條插值的軟組織三維視覺跟蹤方法，通過構造了一種低復雜度的非線性空間形變模型，可以在每一幀快速的求解出模型參數，實現對軟組織目標區域實時、準確的三維視覺跟蹤。

為實現上述發明目的，本發明一種基于徑向樣條插值的軟組織三維視覺跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、將立體內窺鏡獲取的首幀k＝1左圖像記為I_L1；

(2)、確定三角形目標區

在左圖像I_L1中，確定需要跟蹤的三角形目標區，其三個頂點的像素坐標分別用二維列向量表示為：m_a，m_b和m_c；在三角形目標區內包含的N個像素點，其坐標分別記為：m₁,m₂,...,m_N；

(3)、保存跟蹤模板

從左圖像I_L1中提取目標區內N個點的像素值，按順序排列并保存為N維行向量，記為：

T＝[I_L1(m₁) I_L1(m₂) ... I_L1(m_N)]

其中，I_L1(m_n)為左圖像I_L1中像素點m_n(n＝1,2,…,N)的像素值；

(4)、根據步驟(2)確定的三角形目標區，構造徑向樣條插值三維形變模型；

(4.1)、構造模型的設計矩陣

其中，三維列向量λ_n(n＝1,2,...,N)為m_n在三角形目標區中的重心坐標，由下式獲得：

λ_o為三角形目標區外接圓圓心的重心坐標，由下式獲得：