[發明專利]一種手術導航中骨鋸標定方法及系統

在審

• 申請號: 202011546715.9
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN113313754A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 蘆穎僖;張岳;吳瓊;高強
• 申請（專利權）人: 南京凌華微電子科技有限公司
• 主分類號: G06T7/70
• 分類號: G06T7/70;A61B34/20;A61B34/10
• 代理公司: 北京知呱呱知識產權代理有限公司 11577
• 代理人: 孫志一

本發明實施例公開了一種手術導航中骨鋸標定方法及系統，將骨鋸的鋸片尖端點坐標固定在空間中的某一點，然后使骨鋸繞所述鋸片尖端點進行旋轉，在旋轉骨鋸過程中采集N幀手術器械標定圖像，根據采集的N幀手術器械標定圖像，采用基于最大關聯熵準則的共軛梯度算法計算鋸片尖端點在骨鋸坐標系下的三維坐標P_NTip。通過將共軛梯度算法與關聯熵相結合，共軛梯度算法具有收斂速度快的特點，而關聯熵可以抑制脈沖噪聲，使得該標定方法具有收斂速度快、標定精度高的特點。

技術領域

本發明實施例涉及手術導航技術領域，具體涉及一種手術導航中骨鋸標定 方法及系統。

背景技術

骨科手術中的骨鋸標定是手術導航術前重要的工作之一。為了能在手術中 精確地跟蹤到骨鋸，尤其是鋸片的尖端點位置，骨鋸標定的精度就顯得尤為重 要。骨鋸標定的實質就是確定骨鋸在骨鋸坐標系下的三維坐標，可以通過骨鋸 上面設置的不共線的標志點來確定器械的坐標。

近年來，很多學者和研究人員對于骨鋸在骨鋸坐標系下的三維坐標P_NTip的 求解采用LMS算法。但是在實際中，標記點的識別會受到光照、背景等因素 的干擾，尤其是對于本發明所研究的可見光定位，經常會出現坐標抖動的情況， 導致計算結果引入誤差，進一步導致精度下降。標志點坐標的抖動可以看作是 脈沖噪聲干擾，而對于標志點坐標的計算一般是通過LMS算法進行求解。但 是LMS算法求解骨鋸在骨鋸坐標系下的三維坐標P_NTip存在精度低，收斂速度 慢的問題，代價函數并不能保證達到要求的精度的問題。

發明內容

為此，本發明實施例提供一種手術導航中骨鋸標定方法及系統，以解決現 有的LMS算法求解骨鋸在骨鋸坐標系下的三維坐標P_NTip存在精度低、收斂速 度慢的問題。

為了實現上述目的，本發明實施例提供如下技術方案：

根據本發明實施例的第一方面，提出了一種手術導航中骨鋸標定方法，所 述方法包括：

將骨鋸的鋸片尖端點坐標固定在空間中的某一點，然后使骨鋸繞所述鋸片 尖端點進行旋轉；

在旋轉骨鋸過程中采集N幀手術器械標定圖像，N為大于或等于1的正 整數；

根據采集的N幀手術器械標定圖像，采用基于最大關聯熵準則的共軛梯 度算法計算鋸片尖端點在骨鋸坐標系下的三維坐標P_NTip。

進一步地，根據采集的N幀手術器械標定圖像，采用基于最大關聯熵準 則的共軛梯度算法計算鋸片尖端點在骨鋸坐標系下的三維坐標P_NTip，具體包 括：

假設第n幀圖像(n＝1,2,…,N)所對應的鋸片尖端點在攝像機坐標系下的 坐標為其為三維列向量，和分別代表在 x軸、y軸和z軸的坐標值；

骨鋸坐標系和攝像機坐標系之間的旋轉矩陣A_n和平移向量T_n分別為和其中，A_n為3×3的矩陣，T_n為三維列向 量；

鋸片尖端點在骨鋸坐標系下的三維坐標為P_NTip＝[X_NTip Y_NTip Z_NTip]^T，其為 三維列向量，則有下列公式成立：

其中，為三維列向量，表示矩陣H_n中的第i 個元素，代表由于光照、針尖抖動以及背景環境等因素引入的噪聲，對上式進 行如下處理：

令其為三維輸出列向量，表示第n幀圖 像求出的輸出列向量中的第i個元素，其中， 表示第n幀圖像求出的旋轉矩陣A_n的第i行轉置；