專利名稱：：用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，該方法利用光學(xué)運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)同時(shí)跟蹤識(shí)別多個(gè)安裝有被動(dòng)式標(biāo)志點(diǎn)的手術(shù)器械，用于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)中導(dǎo)航定位手術(shù)中同時(shí)使用的多個(gè)被動(dòng)式標(biāo)記的手術(shù)器械的跟蹤識(shí)別。本發(fā)明屬于信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床中應(yīng)用的領(lǐng)域。技術(shù)背景隨著信息技術(shù)的發(fā)展，臨床中已經(jīng)利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來引導(dǎo)手術(shù)，從而使手術(shù)做到微創(chuàng)，精確。為引導(dǎo)手術(shù)，就需要獲取器械與人體之間的相對位置關(guān)系。最常使用的是紅外光學(xué)三維定位跟蹤系統(tǒng)，它通過兩個(gè)以上的紅外攝像機(jī)來獲取視場中的圖像，并在各個(gè)攝像機(jī)兩維的圖像中提取固結(jié)在器械上的若干個(gè)發(fā)光或反光標(biāo)志點(diǎn)的位置，然后通過基于雙目視覺原理的空間位置解算方法，計(jì)算出各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維位置，并進(jìn)一步計(jì)算同一器械上三個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)所確定的剛性器械的質(zhì)心或尖端位置，以及器械所指向的方向。目前紅外光學(xué)三維定位系統(tǒng)所能夠定位的手術(shù)器械分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，主動(dòng)式是指器械上有供電，通過驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管(IR—LED)順序發(fā)光，并可以與位置檢測和器械識(shí)別系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行主動(dòng)通訊的檢測方式。而被動(dòng)式是指被識(shí)別的器械本身無供電和與主機(jī)的通訊聯(lián)系，只是被動(dòng)地接受跟蹤檢測的器械，被動(dòng)式器械一般采用反光式的標(biāo)志點(diǎn)。由于主動(dòng)式的器械可以通過控制紅外發(fā)光二極管的順序發(fā)光來區(qū)分各個(gè)器械，以及器械上的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，或者通過電子線路通訊進(jìn)行同步檢測，因此器械的識(shí)別非常簡單，但主動(dòng)式的器械多采用電纜聯(lián)結(jié)，使用不便。被動(dòng)式器械的優(yōu)點(diǎn)是無聯(lián)線的束縛，使用方便，成本低，互換性好。但由于被動(dòng)式器械只是被動(dòng)地接受跟蹤檢測，因此在跟蹤被動(dòng)式器械時(shí)，完全要依賴器械識(shí)別算法來區(qū)分不同的器械，并計(jì)算手術(shù)過程中器械的位置和方向。目前，手術(shù)中同時(shí)使用的多個(gè)被動(dòng)手術(shù)器械，要能被區(qū)分開并準(zhǔn)確定位，可以在器械上附著多種不同形狀或大小的反光標(biāo)志點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)將在攝像機(jī)圖像中呈現(xiàn)不同的形狀，以便區(qū)別。但這種方法的實(shí)施有一定困難，因?yàn)橐O(shè)計(jì)加工多種多樣的標(biāo)志點(diǎn)，而且要在圖像中加以定位和區(qū)分，有一定難度。因此需要研究采用統(tǒng)一大小和形狀的標(biāo)志點(diǎn)時(shí)的器械識(shí)別跟蹤方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種對被動(dòng)式手術(shù)器械進(jìn)行識(shí)別與定位的方法，該方法利用器械上標(biāo)志點(diǎn)的共面特性和標(biāo)志點(diǎn)間幾何布局的差異對被動(dòng)式手術(shù)器械進(jìn)行識(shí)別，可以同時(shí)跟蹤識(shí)別多個(gè)被動(dòng)式的手術(shù)器械，并計(jì)算得到各個(gè)器械的位置和方向。本發(fā)明的主要思路是基于以下考慮首先，所說的被動(dòng)式器械上只有一種規(guī)格的標(biāo)志點(diǎn)，而每個(gè)器械上可以固結(jié)若干個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，在使用中允許多個(gè)器械同時(shí)出現(xiàn)在攝像機(jī)的視場中。因此，為了區(qū)分各個(gè)器械，我們考慮各個(gè)器械上的標(biāo)志點(diǎn)的安放必須有不同的幾何分布，在定位和跟蹤器械時(shí)，可以利用攝像機(jī)檢測到的多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)間空間分布的信息，對標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行分組，并利用分組的標(biāo)志點(diǎn)來計(jì)算該器械的空間位置。進(jìn)一步，對于同一個(gè)器械，為了定位其方向，需要區(qū)別組內(nèi)不同標(biāo)志點(diǎn)的順序，因此我們考慮采用標(biāo)志點(diǎn)組成的多邊形非對稱分布的方式，來區(qū)分各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的順序。實(shí)施中，為了便于區(qū)分不同的手術(shù)器械，要求不同器械所固結(jié)的標(biāo)志點(diǎn)間的距離有顯著差別，或各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線所組成各多邊形的內(nèi)角有差別?；谝陨峡紤]，本發(fā)明中的識(shí)別方法能識(shí)別的手術(shù)器械的標(biāo)志點(diǎn)布局須具備如下特點(diǎn)一個(gè)手術(shù)器械有三個(gè)或四個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)志點(diǎn)自身的形狀相同，但同一手術(shù)器械上各標(biāo)志點(diǎn)間的距離有差別，標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線組成的多邊形是不對稱的。同時(shí)，不同器械上的標(biāo)志點(diǎn)布局，均應(yīng)有明顯差別，即指標(biāo)志點(diǎn)間距離有差異和(或)多邊形形狀有差別。具體講，分為下面兩種情況:1.若采用有三個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)的手術(shù)器械，則這3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線應(yīng)構(gòu)成不對稱的三角形。為進(jìn)行識(shí)別，不同器械上三角形的形狀或邊長有明顯區(qū)別，即任意兩個(gè)不同手術(shù)器械上標(biāo)志點(diǎn)間的三個(gè)距離從小到大排列組成的距離數(shù)組，應(yīng)有明顯的差別，其中至少有兩個(gè)對應(yīng)距離的差異要大于5mm,或三角型至少有一個(gè)內(nèi)角的差異應(yīng)大于5度。2.若采用有四個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)的手術(shù)器械，則這4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)構(gòu)成不對稱的四邊形。為進(jìn)行識(shí)別，將任意兩個(gè)不同手術(shù)器械上四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)間的6個(gè)距離從小到大排列組成距離數(shù)組，應(yīng)有明顯的差別，其中至少有兩個(gè)對應(yīng)距離的差異要大于5mra。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)原則，不同的器械在三維空間被檢測時(shí)，雖然眾多的標(biāo)志點(diǎn)在攝像機(jī)圖像中呈現(xiàn)同樣的形狀，無法知道哪個(gè)標(biāo)志點(diǎn)屬于哪個(gè)器械。但在空間分布上，一個(gè)器械上的一組標(biāo)志點(diǎn)之間相對的幾何關(guān)系將保持不變，因此，若預(yù)先知道某個(gè)器械上所固結(jié)的標(biāo)志點(diǎn)的空間分布情況，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，可利用對各標(biāo)志點(diǎn)之間幾何關(guān)系(距離和共面性)的檢測計(jì)算，與預(yù)先存儲(chǔ)的空間分布模式進(jìn)行匹配，從而識(shí)別和定位該器械。顯然，采用四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)可以得到更多的距離組合，因此在相同尺度上，更容易設(shè)計(jì)出多種多樣的器械標(biāo)志點(diǎn)布局，而且在識(shí)別時(shí)的判別條件也更加嚴(yán)格，誤識(shí)別的可能性會(huì)更小。在可能情況下建議盡可能選取四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的組合，以得到更好的識(shí)別結(jié)果。基于以上的考慮，所構(gòu)造的方法的基本原理是首先利用雙目視覺原理，利用兩個(gè)或更多的攝像機(jī)，檢測三維空間中的標(biāo)志點(diǎn)，并通過成熟的雙目視覺原理，計(jì)算得到各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維空間位置；然后按已知的器械上標(biāo)志點(diǎn)的距離對各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)間的幾何關(guān)系進(jìn)行匹配檢測，并按照空間共面性質(zhì)對標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行分組，即首先根據(jù)待識(shí)別器械的標(biāo)志點(diǎn)位置定義，在其距離數(shù)組中選取兩個(gè)距離，并在攝像機(jī)檢測的標(biāo)志點(diǎn)中找到滿足這兩個(gè)距離的三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，然后通過三點(diǎn)建立平面，將攝像機(jī)檢測的所有空間共面的標(biāo)志點(diǎn)組合成一組待檢測點(diǎn)，然后在該組內(nèi)的所有標(biāo)志點(diǎn)中找出滿足該器械距離數(shù)組的三個(gè)或四個(gè)點(diǎn)的組合，若能夠找到這樣的組合，則完成了匹配，認(rèn)為該組中選中的標(biāo)志點(diǎn)組成了該器械。當(dāng)在滿足共平面關(guān)系的標(biāo)志點(diǎn)中無法完成距離匹配時(shí)，則從未被歸入該平面的標(biāo)志點(diǎn)出發(fā)，再次進(jìn)行上述尋找和匹配的計(jì)算，直到找到待識(shí)別的器械。在多個(gè)器械同時(shí)使用時(shí)，可能偶然會(huì)發(fā)生一個(gè)器械上的某個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，恰好與另一個(gè)器械上的其他標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成所識(shí)別的多邊形的情況，這樣，在上述共面的標(biāo)志點(diǎn)中可能會(huì)檢測到多組匹配，使某個(gè)器械的位置不確定。為排除這種情況，需要通過對待識(shí)別的所有器械的檢測，排除可能的器械B上的標(biāo)志點(diǎn)被器械A(chǔ)誤識(shí)別的情況。因?yàn)檫@時(shí)器械A(chǔ)的識(shí)別有兩種標(biāo)志點(diǎn)組合，其中一種是與器械B共用一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的情況。當(dāng)一個(gè)器械被區(qū)分出來以后，可以利用該器械上各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)分布的不對稱性，來計(jì)算和獲取各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的順序，從而定位器械的尖端位置和空間方向。本方法的前提是在進(jìn)行識(shí)別之前，己知各個(gè)器械上所有標(biāo)志點(diǎn)的空間分布情況(即得知器械的設(shè)計(jì)情況)，并將這種標(biāo)志點(diǎn)空間分布的信息，事先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。由于在手術(shù)中使用的器械都是有計(jì)劃的，可以事先知道要識(shí)別和定位哪幾個(gè)器械。在識(shí)別和定位器械過程中，根據(jù)光學(xué)定位系統(tǒng)獲取的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)之間的相對位置關(guān)系，進(jìn)行特定器械的匹配識(shí)別，就可以知道哪個(gè)標(biāo)志點(diǎn)是屬于哪個(gè)器械的，在此基礎(chǔ)上可以計(jì)算器械的空間位置和方向。本發(fā)明具體包括以下步驟步驟l:初始化系統(tǒng)，根據(jù)待識(shí)別的器械的個(gè)數(shù)與各器械的唯一標(biāo)號(hào)，讀取預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的器械設(shè)計(jì)參數(shù)文件，從該文件中獲得器械上標(biāo)志點(diǎn)的位置分布方案，并組成對應(yīng)于該器械的距離數(shù)組(即各標(biāo)志點(diǎn)間距離從小到大排列組成的數(shù)組)，以及器械質(zhì)心(或尖端)及器械方向與各標(biāo)志點(diǎn)之間的坐標(biāo)位置關(guān)系。所述的各個(gè)待識(shí)別器械上標(biāo)志點(diǎn)的位置分布方案為每個(gè)器械上都固結(jié)有三個(gè)或四個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)，所有標(biāo)志點(diǎn)的形狀完全相同；但同一手術(shù)器械上各標(biāo)志點(diǎn)間的距離不相同，標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線組成的多邊形是不對稱的；同時(shí)，各個(gè)器械上的標(biāo)志點(diǎn)組成的距離數(shù)組中至少有兩個(gè)距離是不相同的，其距離差異大于等于5mm;步驟2:利用紅外光學(xué)三維定位系統(tǒng)的攝像機(jī)拍攝包含器械的圖像對，并用雙目視覺原理對攝像機(jī)視場中的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維空間位置進(jìn)行解算，要求解算的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維位置誤差小于等于1mm;步驟3:任意選取一個(gè)待識(shí)別的器械，按照上述步驟1所獲得的對應(yīng)該器械的標(biāo)志點(diǎn)距離數(shù)組，選取其中一對標(biāo)志點(diǎn)間的己知距離(一般可選取距離數(shù)組中的第1個(gè)距離)，作為進(jìn)一步搜索的條件；步驟4:從上述步驟2所識(shí)別的任意一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的空間位置(起始點(diǎn))出發(fā)，逐次計(jì)算該點(diǎn)到其他標(biāo)志點(diǎn)間的距離，如果能夠得到一個(gè)與步驟3所述的己知距離匹配的標(biāo)志點(diǎn)(匹配點(diǎn))，則記錄下該起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)的編號(hào)和位置。上述匹配的判據(jù)是存儲(chǔ)的已知距離與計(jì)算的兩標(biāo)志點(diǎn)間的距離差值小于3mm;步驟5:在器械對應(yīng)的距離數(shù)組中選取另外一對標(biāo)志點(diǎn)間的已知距離(例如距離數(shù)組中的第2個(gè)距離)，分別從步驟4的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)所對應(yīng)位置出發(fā)，計(jì)算其他標(biāo)志點(diǎn)到該點(diǎn)的距離，若找到與該距離匹配的標(biāo)志點(diǎn)，則將步驟4的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)及剛剛搜索到的第二個(gè)標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)和位置記錄下來。如果在標(biāo)志點(diǎn)中無法找到進(jìn)一步的匹配點(diǎn)，則另外選取一個(gè)起始點(diǎn)，再重復(fù)步驟4和步驟5的試算，直到找到兩個(gè)匹配點(diǎn)；步驟6:通過上述步驟搜索得到的起始點(diǎn)和兩個(gè)匹配點(diǎn)，建立一個(gè)平面，然后對除去起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)的其他標(biāo)志點(diǎn)，用共面關(guān)系做進(jìn)一步篩選，排除所有與該平面距離大于3mm的標(biāo)志點(diǎn)，而將與該平面距離小于3mm的標(biāo)志點(diǎn)作為共面點(diǎn)看待。如果在所識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)中無法找到等于或多于待識(shí)別器械上標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù)的共面標(biāo)志點(diǎn)，則重復(fù)步驟4、步驟5重新選擇另一個(gè)起始點(diǎn)進(jìn)行這樣的匹配搜索；步驟7:考察步驟6所得到的各個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)之間的各個(gè)距離是否與所搜索的手術(shù)器械的距離數(shù)組相匹配，具體為將所識(shí)別的各個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)間的距離進(jìn)行從小到大的排序，并與待識(shí)別手術(shù)器械上的距離數(shù)組進(jìn)行匹配，當(dāng)待識(shí)別手術(shù)器械上的距離數(shù)組與識(shí)別得到的各對應(yīng)距離的差值均小于3mm時(shí)，判定這兩個(gè)距離組是相匹配的。若滿足匹配關(guān)系便認(rèn)為識(shí)別到了一個(gè)器械，將該器械所對應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)記錄下來，并在剩余的標(biāo)志點(diǎn)中尋找新的器械，即重復(fù)步驟3步驟7，直至待識(shí)別的器械全部找到。若在某個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)組中找到多于一個(gè)的匹配距離組，則先記錄下所有匹配點(diǎn)的位置和編號(hào)，并在步驟8中作進(jìn)一步的區(qū)分。步驟8:當(dāng)某一器械識(shí)別中找到多于一個(gè)的匹配距離組時(shí)，一定是其他器械上的某個(gè)點(diǎn)恰好落在這個(gè)器械的平面內(nèi)，這時(shí)所識(shí)別得到的多于一個(gè)的匹配距離組中，一定有占用另外器械上標(biāo)志點(diǎn)的情況。在得到所有器械的匹配情況下，通過考察所記錄的所有標(biāo)志點(diǎn)組，可以發(fā)現(xiàn)多個(gè)器械共用一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的情況，這時(shí)需要將該共用標(biāo)志點(diǎn)歸于只匹配到一次的器械，從而是多于一次匹配的器械得到唯一的匹配，最終得到所有要識(shí)別的器械。步驟9:對匹配得到的屬于同一器械的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)各標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線所組成的不對稱圖形，與事先存儲(chǔ)的器械標(biāo)志點(diǎn)布局進(jìn)行比較，確定該組內(nèi)各標(biāo)志點(diǎn)的順序，從而計(jì)算得到器械的空間方向和尖端位置信息。算法的處理流程如附圖3所示。從該算法流程可以看到，對于根據(jù)形狀特征相同的多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的空間位置來區(qū)別多個(gè)手術(shù)器械的問題，本發(fā)明提出了一種使用手術(shù)器械上標(biāo)志點(diǎn)共面特性和標(biāo)志點(diǎn)間各個(gè)距離組成的距離組的差異來區(qū)別器械的方法；而對于同一手術(shù)器械上不同標(biāo)志點(diǎn)順序的區(qū)別，本發(fā)明提出使用標(biāo)志點(diǎn)非對稱布局來進(jìn)行區(qū)別。本發(fā)明的手術(shù)器械識(shí)別算法是基于對手術(shù)器械上標(biāo)志點(diǎn)的特殊布局設(shè)計(jì)來進(jìn)行的，需建立在合理的手術(shù)器械標(biāo)志點(diǎn)布局設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是只使用一種規(guī)格的標(biāo)志點(diǎn)就可以對手術(shù)中使用的多種手術(shù)器械進(jìn)行被動(dòng)的跟蹤定位，完全不需要在手術(shù)器械上連接電纜，并且不需要設(shè)計(jì)制造多種標(biāo)志點(diǎn)，提高了易損的標(biāo)志點(diǎn)更換的互換性，降低了更換標(biāo)志點(diǎn)的成本。同時(shí)上述跟蹤識(shí)別是通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行的，完全不需要人工的干預(yù)，這就簡化了醫(yī)生設(shè)置系統(tǒng)的復(fù)雜性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法簡便，可以很好地完成手術(shù)器械的識(shí)別跟蹤。圖l一種三個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)的布局示例圖2—種四個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)的布局示例圖3本發(fā)明計(jì)算方法流程4識(shí)別中器械B的標(biāo)志點(diǎn)落在器械A(chǔ)平面內(nèi)，被誤匹配的情況示例圖5(a)為3個(gè)器械所對應(yīng)的20個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)分布圖5(b)為進(jìn)行器械識(shí)別后的分組結(jié)果圖6(a)為5個(gè)器械所對應(yīng)的20個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)分布圖6(b)為進(jìn)行器械識(shí)別后的分組結(jié)果具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明在設(shè)計(jì)可跟蹤定位的手術(shù)器械上的標(biāo)志點(diǎn)布局的時(shí)候，應(yīng)充分考慮發(fā)明構(gòu)思中標(biāo)志點(diǎn)布局的設(shè)計(jì)原則，選擇有差異的標(biāo)志點(diǎn)布局方案以利于識(shí)別。例如，盡量采用四個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)布局的待識(shí)別器械，四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)間的距離和排布方式有顯著差異。作為具體實(shí)施的一個(gè)實(shí)例，可以采用表1所示的5種不同標(biāo)志點(diǎn)布局的器械，其標(biāo)志點(diǎn)間的各個(gè)距離尺寸如表l所示。本實(shí)例中同一器械上標(biāo)志點(diǎn)間形成的各距離的差值都大于5mm，各個(gè)器械上標(biāo)志點(diǎn)的布局也有明顯不同。當(dāng)然，還可以設(shè)計(jì)更多的不同類型的標(biāo)志點(diǎn)分布，以標(biāo)記更多的器械。表1所設(shè)計(jì)的5種可識(shí)別跟蹤的器械標(biāo)志點(diǎn)布局實(shí)例<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>首先，針對表中編號(hào)為3、4、5的三種器械，利用以下的流程進(jìn)行識(shí)別定位的測試1)初始化系統(tǒng)，讀取器械3、4、5三種器械設(shè)計(jì)的參數(shù)文件，即得到表l中對應(yīng)三種器械的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，分別計(jì)算各個(gè)器械上標(biāo)志點(diǎn)間所形成的六個(gè)距離，并進(jìn)行從小到大的排序，形成如表2所示的距離數(shù)組(表2給出了所有器械上標(biāo)志點(diǎn)間的距離)。表25種可識(shí)別跟蹤器械標(biāo)志點(diǎn)的距離數(shù)組的實(shí)例<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>2)使用紅外光學(xué)三維定位系統(tǒng)的攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，并用雙目視覺原理計(jì)算獲得攝像機(jī)視場中待識(shí)別跟蹤的三個(gè)手術(shù)器械上所有的12個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)；3)選取一個(gè)待識(shí)別的器械，例如器械3，選取其中一對標(biāo)志點(diǎn)間的已知距離(例如器械3距離數(shù)組的第1個(gè)距離50mm)，作為搜索匹配點(diǎn)的起始條件;4)從步驟2所識(shí)別的任意一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的空間位置(起始點(diǎn))出發(fā)，逐次計(jì)算該點(diǎn)到其他11個(gè)標(biāo)志點(diǎn)間的距離，如果能夠得到一個(gè)與已知距離50mm相匹配的標(biāo)志點(diǎn)(匹配點(diǎn))，則記錄下該起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)的編號(hào)和位置。上述匹配的判據(jù)是存儲(chǔ)的已知距離與計(jì)算的標(biāo)志點(diǎn)間的距離誤差小于3mm;5)從起始點(diǎn)所對應(yīng)位置出發(fā)，在表2中器械3的標(biāo)志點(diǎn)距離數(shù)組中選取另外一對標(biāo)志點(diǎn)間的已知距離，例如選取第2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)距離55mm，然后分別從步驟4的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)所對應(yīng)位置出發(fā)，重復(fù)步驟4所進(jìn)行的距離匹配搜索，如果在步驟2所識(shí)別的10個(gè)剩余待選標(biāo)志點(diǎn)中無法找到進(jìn)一步的匹配點(diǎn)，則另外選取一個(gè)起始點(diǎn)，再進(jìn)行步驟4的試算，直到通過步驟4和步驟5找到起始點(diǎn)和兩個(gè)匹配點(diǎn)；實(shí)際上，由于器械3、4、5的距離數(shù)組的前兩個(gè)距離大致相等，因此一定有機(jī)會(huì)找到多于l組的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)。因此，需要在后續(xù)的步驟中進(jìn)一步確定究竟哪一組是對應(yīng)所搜索的器械3。6)通過上述步驟搜索得到的起始點(diǎn)和兩個(gè)匹配點(diǎn)，可以建立一個(gè)平面，然后在上述篩選后剩余的其他9個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中，用共面關(guān)系做進(jìn)一步的篩選。計(jì)算各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)到所建立的平面之間的距離，排除與該平面距離大于3腿的標(biāo)志點(diǎn)，而將與該平面距離小于3mm的標(biāo)志點(diǎn)作為共面點(diǎn)記錄下來。如果在所識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)中無法找到等于或多于已知器械上標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù)，即4個(gè)的共面標(biāo)志點(diǎn)，則重新選擇另一個(gè)初始點(diǎn)進(jìn)行步驟4和5的匹配搜索；7)對步驟6記錄的各個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)間的距離進(jìn)行計(jì)算，并按照從小到大進(jìn)行排序，形成一個(gè)距離數(shù)組。然后考察該距離數(shù)組中的各個(gè)距離是否與所搜索的手術(shù)器械3的距離數(shù)組給出的各個(gè)距離相匹配(即各個(gè)對應(yīng)距離的誤差小于3mm)。若滿足匹配關(guān)系便認(rèn)為識(shí)別到了器械3，將該器械所對應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)號(hào)碼記錄下來。然后在剩余的8個(gè)標(biāo)志點(diǎn)中尋找器械4(即重復(fù)步驟3步驟7)，然后再尋找器械5，直至待識(shí)別的器械全部找到。若在尋找器械過程中在共面的標(biāo)志點(diǎn)組中找到多于一個(gè)的匹配距離組，先記錄下匹配點(diǎn)的位置和編號(hào)，在后續(xù)的器械尋找完成后，可以作出進(jìn)一步的器械區(qū)分。8)若在尋找某個(gè)器械過程中在共面的標(biāo)志點(diǎn)組中找到多于一個(gè)的匹配距離組，說明有標(biāo)志點(diǎn)位置恰好滿足了"共用"的關(guān)系，即一個(gè)器械B的某一標(biāo)志點(diǎn)恰好落在另一器械A(chǔ)的標(biāo)志點(diǎn)平面內(nèi)，且與器械A(chǔ)上的標(biāo)志點(diǎn)恰好構(gòu)成了器械設(shè)計(jì)的標(biāo)志點(diǎn)布局，其關(guān)系可參考圖4的示例。通過考察步驟7記錄的所有標(biāo)志點(diǎn)組，可以找到該"共用"標(biāo)志點(diǎn)，即某個(gè)標(biāo)志點(diǎn)既被識(shí)別為器械A(chǔ)的標(biāo)志點(diǎn)，又被識(shí)別為器械B的標(biāo)志點(diǎn)。這時(shí)，應(yīng)當(dāng)將該共用標(biāo)志點(diǎn)歸于只滿足一組匹配關(guān)系的器械B，并從另一個(gè)器械A(chǔ)上排除該點(diǎn)，就可以排除可能的多組器械共用一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的情況，找到全部所有要識(shí)別的器械。9)對屬于同一器械的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)各標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線所組成的不對稱圖形，確定該組內(nèi)各標(biāo)志點(diǎn)的順序，從而計(jì)算得到器械的空間方向和尖端位置等信息。實(shí)施效果實(shí)際測試的算例是同時(shí)識(shí)別圖5所示的3個(gè)手術(shù)器械(即表1中的器械3，4，5)，每個(gè)手術(shù)器械都有4個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)，因此在測試的三維空間有12個(gè)實(shí)際的被動(dòng)標(biāo)志t附圖5(a)為定位的12個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)(單位為mm)。考慮到實(shí)際使用中的穩(wěn)定可靠性，測試中故意對標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)疊加了小幅度的位置擾動(dòng)，所說的對標(biāo)志點(diǎn)施加位置擾動(dòng)，是將得到的標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)上隨機(jī)疊加幅值均值為0，方差為1咖，誤差方向?yàn)榕c義的夾角和與/的夾角滿足的均勻分布，幅度滿足正態(tài)分布的隨機(jī)位置誤差。然后，使用上述識(shí)別算法，利用擾動(dòng)過的數(shù)據(jù)，對帶有三維定位誤差的多標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行器械的識(shí)別定位，以驗(yàn)證算法的穩(wěn)定可靠性。針對各次位置擾動(dòng)整個(gè)試算進(jìn)行了10000次。比較各次試算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)手術(shù)器械識(shí)別的準(zhǔn)確性和得到的各個(gè)器械上標(biāo)志點(diǎn)順序的準(zhǔn)確性。在算法流程中，為克服位置(擾動(dòng))誤差所帶來的標(biāo)志點(diǎn)間距離不匹配和標(biāo)志點(diǎn)非共面的問題，針對所選用的器械標(biāo)志點(diǎn)布局，選定用于判斷是否共面和距離是否相等的閾值設(shè)為3mm。判斷共面的方法為，取任意3個(gè)點(diǎn)構(gòu)成初始平面，然后計(jì)算第4個(gè)點(diǎn)到該3點(diǎn)所建立平面的距離，若該距離不超過閾值則認(rèn)為4個(gè)點(diǎn)是共面的。圖5(b)為一組利用本發(fā)明的算法進(jìn)行三個(gè)器械識(shí)別的結(jié)果，為表示識(shí)別的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)順序，各器械上編號(hào)為1的標(biāo)志點(diǎn)都用"*"表示，編號(hào)為2的標(biāo)志點(diǎn)都用"+"表示，其它不同標(biāo)志點(diǎn)形狀則對應(yīng)不同的手術(shù)器械。作為對上述識(shí)別與定位算法的進(jìn)一步檢驗(yàn)，還對識(shí)別表l中所列出的全部5種手術(shù)器械的情況進(jìn)行了測試，在模擬了含有上述標(biāo)志點(diǎn)定位誤差擾動(dòng)的情況下，正確識(shí)別概率依然為100%，單次識(shí)別時(shí)間平均為36ms，完全可以滿足實(shí)際手術(shù)中在線識(shí)別器械的速度和可靠性要求。5個(gè)器械的識(shí)別結(jié)果如附圖5所示，圖6(a)為5個(gè)器械所對應(yīng)的20個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)分布，圖6(b)為進(jìn)行器械識(shí)別后的分組結(jié)果?？梢钥吹礁鱾€(gè)器械上的標(biāo)志點(diǎn)都被正確地聯(lián)線，其中標(biāo)志點(diǎn)為三角形的是器械1，標(biāo)志點(diǎn)為圓點(diǎn)的是器械2，標(biāo)志點(diǎn)為圓形的是器械3，標(biāo)志點(diǎn)為方形的是器械4，標(biāo)志點(diǎn)為菱形的是器械5。對于各個(gè)器械，1號(hào)標(biāo)志點(diǎn)都用"*"標(biāo)示，2號(hào)標(biāo)志點(diǎn)用"+"標(biāo)示，以確定器械的方位。上述試算是基于Matlab的程序，在一臺(tái)Intel奔騰4(1.5GHz處理器，512M內(nèi)存)的個(gè)人電腦上進(jìn)行的，如果采用C語言進(jìn)行編程，其識(shí)別速度還可以加快。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該識(shí)別算法的穩(wěn)定性很好，計(jì)算速度比較快，可以滿足計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)中對器械自動(dòng)識(shí)別和定位的要求。權(quán)利要求1、用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟1初始化系統(tǒng)根據(jù)待識(shí)別的手術(shù)器械個(gè)數(shù)與各器械的唯一編號(hào)，讀取預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的待識(shí)別器械的參數(shù)文件，從參數(shù)文件中獲得各個(gè)待識(shí)別器械上標(biāo)志點(diǎn)的位置分布方案，并組成對應(yīng)于該器械的距離數(shù)組即各標(biāo)志點(diǎn)間距離從小到大排列組成的數(shù)組，以及器械質(zhì)心或尖端、器械方向及各標(biāo)志點(diǎn)之間的坐標(biāo)位置關(guān)系；所述的各個(gè)待識(shí)別器械上標(biāo)志點(diǎn)的位置分布方案為每個(gè)器械上都固結(jié)有三個(gè)或四個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)，所有標(biāo)志點(diǎn)的形狀完全相同；但同一手術(shù)器械上各標(biāo)志點(diǎn)間的距離不相同，標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線組成的多邊形是不對稱的；同時(shí)，不同器械上的標(biāo)志點(diǎn)間的距離形成的距離數(shù)組中至少有兩個(gè)對應(yīng)距離是不相同的；步驟2利用紅外光學(xué)三維定位系統(tǒng)的攝像機(jī)拍攝包含器械的圖像對，并用雙目視覺原理對攝像機(jī)視場中的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的三維空間位置進(jìn)行解算；步驟3任意選取一個(gè)待識(shí)別的器械，按照上述步驟1所獲得的對應(yīng)該器械的標(biāo)志點(diǎn)距離數(shù)組，選取其中的一個(gè)已知距離，作為進(jìn)一步搜索的條件；步驟4從步驟2中所識(shí)別出的任意一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)出發(fā)，該出發(fā)點(diǎn)即為起始點(diǎn)，逐次計(jì)算起始點(diǎn)到其它標(biāo)志點(diǎn)的距離，如果能夠得到一個(gè)與步驟3中所述的已知距離匹配的標(biāo)志點(diǎn)，即匹配點(diǎn)，則記錄下該起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)的編號(hào)和位置；步驟5在器械對應(yīng)的距離數(shù)組中選取另外一對標(biāo)志點(diǎn)間的已知距離，分別從步驟4的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)所對應(yīng)位置出發(fā)，計(jì)算其他標(biāo)志點(diǎn)到該點(diǎn)的距離，若找到與該距離匹配的標(biāo)志點(diǎn)，則將步驟4的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)及剛剛搜索到的第二個(gè)標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)和位置記錄下來；如果在標(biāo)志點(diǎn)中無法找到進(jìn)一步的匹配點(diǎn)，則另外選取一個(gè)起始點(diǎn)，再重復(fù)步驟4和步驟5的試算；直到找到兩個(gè)匹配點(diǎn)；步驟6通過上述步驟得到的起始點(diǎn)和兩個(gè)匹配點(diǎn)建立一個(gè)平面，然后對除去起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)的其他標(biāo)志點(diǎn)，用共面關(guān)系做進(jìn)一步篩選，排除所有與該平面距不共面的標(biāo)志點(diǎn)；如果在所識(shí)別的標(biāo)志點(diǎn)中無法找到等于或多于待識(shí)別器械上標(biāo)志點(diǎn)個(gè)數(shù)的共面標(biāo)志點(diǎn)，則重復(fù)步驟4、步驟5，重新選擇另一個(gè)起始點(diǎn)進(jìn)行這樣的匹配搜索；步驟7考察步驟6所得到的各個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)之間的距離是否與步驟3中的待識(shí)別的手術(shù)器械的距離數(shù)組相匹配，具體為將所識(shí)別的各個(gè)共面標(biāo)志點(diǎn)間的距離進(jìn)行從小到大的排序，并與待識(shí)別手術(shù)器械上的距離數(shù)組進(jìn)行匹配；若滿足匹配關(guān)系便認(rèn)為識(shí)別到了步驟3中選定的待識(shí)別器械，記錄下該器械所對應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)和位置，并在剩余的標(biāo)志點(diǎn)中尋找新的器械，即重復(fù)步驟3～步驟7，直至待識(shí)別的器械全部找到；若在共面的標(biāo)志點(diǎn)組中找到多于一個(gè)的匹配距離組，則先記錄下所有匹配點(diǎn)的位置和編號(hào)，并在步驟8中作進(jìn)一步的區(qū)分；步驟8當(dāng)某一器械識(shí)別中找到多于一個(gè)的匹配距離組時(shí)，在得到所有器械的匹配情況下，通過考察所記錄的所有標(biāo)志點(diǎn)組，找到多個(gè)器械共用一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的情況，將該共用標(biāo)志點(diǎn)劃歸于只匹配到一次的那個(gè)器械，從而使多于一次匹配的器械的匹配標(biāo)志點(diǎn)減少，最終得到所有要識(shí)別的器械；步驟9對匹配得到的屬于同一器械的各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)各標(biāo)志點(diǎn)聯(lián)線所組成的不對稱圖形，與事先存儲(chǔ)的器械標(biāo)志點(diǎn)布局進(jìn)行比較，確定該組內(nèi)各標(biāo)志點(diǎn)的順序，從而計(jì)算得到器械的空間方向和尖端位置信息。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，其特征在于步驟l中所述的同一手術(shù)器械上各標(biāo)志點(diǎn)間的距離不相同，具體為同一手術(shù)器械上各標(biāo)志點(diǎn)間的距離差值大于等于5mm。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，其特征在于步驟l中所述的不同器械上的標(biāo)志點(diǎn)間的距離形成的距離數(shù)組中至少有兩個(gè)對應(yīng)距離是不相同的，具體為至少有兩個(gè)對應(yīng)距離的差值大于5mm。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，其特征在于步驟4中所述的得到匹配點(diǎn)的判據(jù)具體是步驟3中的起始點(diǎn)和匹配點(diǎn)間的距離與已知距離的差值小于3mm。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，其特征在于步驟6中所述的共面關(guān)系具體為如果標(biāo)志點(diǎn)與該平面的距離大于3ram，則判斷該點(diǎn)不在平面內(nèi)，如果標(biāo)志點(diǎn)與該平面距離小于等于3mm，則判斷標(biāo)志點(diǎn)在該平面內(nèi)。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，其特征在于步驟7中所述的距離匹配，具體為當(dāng)待識(shí)別手術(shù)器械上的距離數(shù)組與識(shí)別得到的各對應(yīng)距離的差值均小于3mm時(shí)，則判定這兩個(gè)距離組是相匹配的。全文摘要本發(fā)明是一種用于被動(dòng)式光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航的器械識(shí)別方法，屬于信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床中應(yīng)用的領(lǐng)域。首先各個(gè)待識(shí)別器械上標(biāo)志點(diǎn)的位置分布為每個(gè)器械上所固結(jié)的標(biāo)志點(diǎn)形狀完全相同，但同一手術(shù)器械上各標(biāo)志點(diǎn)間的距離不相同，不同器械上的標(biāo)志點(diǎn)間的距離也有顯著差別。檢測時(shí)，首先利用雙目視覺原理，檢測三維空間中的標(biāo)志點(diǎn)。然后按已知的器械上標(biāo)志點(diǎn)的距離對各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)間的幾何關(guān)系進(jìn)行匹配檢測，若能夠找到這樣的組合，則完成了匹配，認(rèn)為選中的標(biāo)志點(diǎn)組成了該器械。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是只使用一種規(guī)格的標(biāo)志點(diǎn)就可以對手術(shù)中使用的多種手術(shù)器械進(jìn)行被動(dòng)的跟蹤定位，提高了易損的標(biāo)志點(diǎn)更換的互換性，降低了更換標(biāo)志點(diǎn)的成本。文檔編號(hào)A61B19/00GK101327148SQ200810117180公開日2008年12月24日申請日期2008年7月25日優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日發(fā)明者輝丁,王廣志,郭兆君申請人:清華大學(xué);北京誠志利華科技發(fā)展有限公司