[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

本發明公開了一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法，需用到電磁導航儀、磁場發射器、傳感器、單目相機和標定板，磁場發射器用于構建電磁空間，傳感器有三個，其一安裝在單目相機上，其二固定在增強現實的實驗對象背部，其三用于獲取標定板上各點的坐標，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，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，凹槽之間的相對位置已知；通過利用上述部件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。本發明能夠完成手術現場的快速標定，提高虛實融合的精度。

技術領域

本發明涉及增強現實技術及計算機輔助手術的技術領域，尤其是指一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法。

背景技術

近年來，基于光學定位和頭戴式顯示器的增強現實手術導航系統逐步應用于神經外科、骨外科、腫瘤放射治療等手術。現有的手術導航系統建立在虛實分離的原理上，它采用三維可視化技術生成導航影像顯示在屏幕上。醫生在術中需要不停地在導航屏幕與手術部位之間來回切換視野，這會干擾醫生的手術進程。增強現實技術有利于解決傳統導航系統中導航影像與手術場景分離的問題，結合光學定位系統可以將攝像頭采集到的圖像與虛擬的導航影像進行精確的疊加，以視頻或圖像流的方式在頭戴式顯示器中顯示，使醫生直接透過顯示器既觀察到病人實際體表，同時了解到體內病灶的情況。

雖然基于光學定位的增強現實手術導航系統給外科手術帶來了極大的便利，但是目前光學定位系統容易受障礙物遮擋和反光物反射光線干擾，對定位的效果產生影響。同時頭戴式的顯示器使用起來并不方便，需要醫生佩戴后結合光學定位進行標定，以獲取頭戴式顯示器前端相機與病人空間的坐標系變換關系，而且容易產生眩暈感，對醫生的手術過程不利。電磁定位與光學定位相比，具有造價低、使用方便，且不容易受到障礙物遮擋干擾等優勢，有利于對伸入體內的器械進行引導。而單目相機與頭戴式顯示器相比，使用更為便利，無需醫生佩戴，減少對手術過程的不利影響。為了保證電磁定位下的單目相機增強現實手術導航系統能夠正常工作，需要對系統進行標定，獲取相機與病人空間的坐標系變換關系，以確保相機拍攝的手術視野與虛擬的導航影像完成吻合的虛實融合。因此，設計一種魯棒，且有效的系統標定方法對于提高電磁定位增強現實手術導航的穩定性和虛實融合精度具有重大意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提出了一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法，能夠完成手術現場的快速標定，提高虛實融合的精度，具有較高的臨床應用價值。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種基于電磁定位的增強現實手術導航系統標定方法，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：