[發明專利]一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法

有效

• 申請號: 201811500979.3
• 申請日: 2018-12-10
• 公開（公告）號: CN109620408B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 莊建;戴知宇;林欽永;楊榮騫;杭飛
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

1.一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法，其特征在于：該方法需用到電磁導航儀、磁場發射器、傳感器、單目相機和標定板，所述磁場發射器用于構建電磁空間，所述傳感器有三個，其一安裝在單目相機上，命名為相機位置傳感器，其二固定在增強現實的實驗對象背部，命名為對象位置傳感器，其三用于獲取標定板上各點的坐標，命名為標定傳感器，三個傳感器基于磁場發射器獲得當前坐標與偏轉角度，并由電磁導航儀輸出，所述標定板由網格狀的50個圓形凹槽構成，傳感器置入其中獲取各凹槽中心坐標，且凹槽之間的相對位置已知；通過利用上述電磁導航儀、磁場發射器、傳感器和標定板完成單目相機與實驗對象的坐標變換關系的標定，進而傳輸至虛擬空間下，實現增強現實的功能；其包括以下步驟：

1)根據磁場發射器為原點建立系統的世界坐標系S_w(x_w，y_w，z_w)，對象位置傳感器根據其中心為原點建立對象坐標系S_o(x_o，y_o，z_o)，對象位置傳感器在世界坐標系S_w下的坐標為p_w，在對象坐標系S_o下的坐標為p_o，兩者坐標變換關系滿足：p_w＝R_owp_o+T_ow，式中，R_ow為旋轉矩陣，T_ow為平移向量；

2)根據電磁導航儀輸出的對象位置傳感器坐標與坐標軸偏轉角，求取R_ow和T_ow；

3)根據相機位置傳感器的中心建立相機坐標系S_c(x_c，y_c，z_c)，同理，得到世界坐標系S_w與相機坐標系S_c之間的旋轉矩陣R_cw和平移向量T_cw；最終確定對象位置傳感器至相機位置傳感器的坐標變換關系：式中，p_c為相機坐標系S_c下相機位置傳感器的坐標，p_o為對象坐標系S_o下對象位置傳感器的坐標；

4)利用標定傳感器作為探針獲取標定板的各點坐標，而后構建標定板的坐標系S_t(x_t，y_t，z_t)，求取相機坐標系到標定板坐標系的旋轉矩陣R_ct和平移向量T_ct；

5)利用單目相機從不同角度拍攝多幅標定板圖像，由于標定板各凹槽中心的相對位置是已知的，因此根據標定板各點坐標與屏幕中標定板各點的圖像坐標，可得標定板坐標系S_t(x_t，y_t，z_t)到相機屏幕坐標系S_d(x_d，y_d，z_d)的旋轉矩陣R_td和平移向量T_td；最終確定相機位置傳感器與相機屏幕之間的坐標變換關系：p_d＝R_td(R_ctp_c+T_ct)+T_td，式中，p_c為相機坐標系S_c下相機位置傳感器的坐標，p_d為屏幕坐標系S_d下相機屏幕的坐標；

6)結合以上的變換關系得到對象位置坐標系S_o與相機屏幕坐標系S_d的坐標變換關系：式中，p_o為對象坐標系S_o下對象位置傳感器的坐標，p_d為屏幕坐標系S_d下相機屏幕的坐標；至此，完成系統的整體標定。

2.根據權利要求1所述的一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法，其特征在于，所述步驟2)包括以下步驟：

2.1)設電磁導航儀輸出對象位置傳感器在世界坐標系S_w下的坐標為p_w(t_x，t_y，t_z)，與X，Y，Z三軸的夾角分別為θ_x，θ_y，θ_z；

2.2)平移向量T_ow為對象位置傳感器在世界坐標系下的三個方向的平移量，寫成向量形式為T_ow＝[t_x t_y t_z]^T；

2.3)對象位置傳感器與Z軸正方向的夾角為θ_z，則繞Z軸旋轉的旋轉矩陣R_{ow_z}為：

對象位置傳感器與Y軸正方向的夾角為θ_y，則繞Y軸旋轉的旋轉矩陣R_{ow_y}為：

對象位置傳感器與X軸正方向的夾角為θ_x，則繞X軸旋轉的旋轉矩陣R_{ow_x}為：

最后，求得旋轉矩陣R_ow＝R_{ow_z}·R_{ow_y}·R_{ow_x}，相機位置傳感器的旋轉矩陣R_cw與平移向量T_cw求解方式與上述過程相同。