[發(fā)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

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• 申請日: 2015-12-24
• 公開（公告）號: CN105616003B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊波;鄭文鋒;劉珊
• 申請（專利權(quán)）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(wù)所(普通合伙)51220
• 代理人: 溫利平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于視覺跟蹤技術(shù)領(lǐng)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(shù)

近年來，以內(nèi)窺鏡手術(shù)為代表的微創(chuàng)手術(shù)越來越多的用于臨床醫(yī)療。在這類手術(shù)中，醫(yī)生通過觀察探入內(nèi)窺鏡反饋回的實時影像，操控微創(chuàng)手術(shù)器械完成復(fù)雜的心臟外科手術(shù)。

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

為了給手術(shù)醫(yī)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(chuàng)手術(shù)空間狹小，無法植入大型三維掃描設(shè)備，人體軟組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜又含較多的非線性形變，軟組織三維跟蹤成為醫(yī)學工程領(lǐng)域中的難點。在不需要額外測量設(shè)備，基于立體內(nèi)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(nèi)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(nèi)窺鏡手術(shù)中對心臟表面進行三維重構(gòu)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(fù)雜，很難實時應(yīng)用；同時由于模型較復(fù)雜，在每一幀模型參數(shù)求解時，往往無法獲得最優(yōu)的參數(shù)解，甚至導(dǎo)致迭代求優(yōu)算法無法收斂，最終導(dǎo)致跟蹤失敗。而現(xiàn)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(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(gòu)造了一種低復(fù)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(shù)，實現(xiàn)對軟組織目標區(qū)域?qū)崟r、準確的三維視覺跟蹤。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)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(nèi)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(qū)

在左圖像I_L1中，確定需要跟蹤的三角形目標區(qū)，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(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)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(jù)步驟(2)確定的三角形目標區(qū)，構(gòu)造徑向樣條插值三維形變模型；

(4.1)、構(gòu)造模型的設(shè)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(qū)中的重心坐標，由下式獲得：

λ_o為三角形目標區(qū)外接圓圓心的重心坐標，由下式獲得：