[發明專利]一種具有器具位姿導航的三維內窺鏡及其導航方法

在審

• 申請號: 202010739975.1
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111870211A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 龍忠杰;張勤儉;郭恒冰;左云波;劉寶國;蘇鵬
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學;北京腫瘤醫院(北京大學腫瘤醫院)
• 主分類號: A61B1/045
• 分類號: A61B1/045;A61B1/07;G06T7/246;G06T7/80
• 代理公司: 北京遠創理想知識產權代理事務所(普通合伙) 11513
• 代理人: 張素妍

1.一種具有器具位姿導航的三維內窺鏡導航方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、將三維內窺鏡的前端放置在距被測量表面一定距離處投射線激光，采集被測量表面的結構光，并分別對相機平面上的結構點進行提取和計算，獲取曲面點云在內窺鏡坐標系下的三維坐標值其中，c表示內窺鏡坐標系，i表示激光點的個數索引；

S2、將被測量表面在內窺鏡坐標系上的坐標值轉換到電磁傳感器坐標系；

S3、將電磁坐標系下的曲面點云渲染生成實體曲面；

S4、計算生成實體曲面的所有曲面點云三維坐標的加權平均值，得到曲面的重心G的空間坐標值；

S5、根據重心G的空間坐標值獲取器具在當前曲面的實時姿態向量，完成導航。

2.如權利要求1所述導航方法，其特征在于：所述步驟S1中，一定距離為3-10mm。

3.如權利要求1所述導航方法，其特征在于：所述步驟S1中，被測量表面的結構光采用攝像頭進行采集。

4.如權利要求1所述導航方法，其特征在于：所述步驟S1中，將相機的光軸定義為Z軸，即深度方向，相機上側定義為X軸，右側即為Y軸；則每個被檢測出來的激光點在內窺鏡坐標系下的三維坐標值為：

式中，B為基線長度，即光纖先端與相機先端的距離值；f為相機焦距；(x,y)為激光點在相機平面上的二維坐標值；(c_x,c_y)為相機平面的投影中心坐標。

5.如權利要求1所述導航方法，其特征在于：所述步驟S2中，轉換公式為：

式中，R_s為電磁傳感器三維旋轉矩陣，且有R_s＝R_zR_yR_x，R_z、R_y、R_x分別是繞Z軸、Y軸、X軸的旋轉，均為3*3的矩陣；為相機與電磁傳感器之間的位移矩陣；s表示電磁傳感器坐標系。

6.如權利要求1所述導航方法，其特征在于：所述步驟S3中，采用Marching Cubes優化方法，在OpenGL下將電磁坐標系下的曲面點云渲染生成實體曲面。

7.如權利要求6所述導航方法，其特征在于，所述實體曲面的生成方法具體步驟如下：

S31、設相鄰兩個格子頂點分別是C_i和C_i-1，則點云格子的間隔參數t＝C_i-C_i-1；

S32、計算以C_iC_i-1為邊長的正方體內每一個點云在邊長C_iC_i-1上的投影，如果投影點d_i在邊長中點的左側，則該點云配置給頂點C_i，否則配置給C_i-1；

S33、根據頂點的分布狀態，提取符合預設條件的三角形曲面，根據提取的三角形曲面生成8位二維數值的索引；

S34、根據8位二維數值的索引獲得曲面抽取的類型，完成曲面渲染，生成可視化曲面。

8.如權利要求1所述導航方法，其特征在于，所述步驟S5中，具體導航方法包括以下步驟：

S51、在以重心G為圓心，r為半徑的圓上搜索三個點云，當且僅當能夠組成一個等邊三角形時，存儲這三個點云的三維坐標，記三角形的頂點分別為P₁，P₂，P₃；

S52、計算獲得的等邊三角形任意兩邊的向量積，求得等邊三角形極小鄰域內的法向量，則過重心G的法向量即為器具在當前曲面的實時姿態向量，此時重心G的坐標即為器具的當前位置；

S53、把步驟S52的法向量，以及器具實時姿態向量，通過OpenGL圖像顯示再現在顯示屏上，完成導航。