基于消除紅外濾光片折射效應的手術導航儀定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學手術導航，具體地，涉及基于消除紅外濾光片折射效應的手術導 航儀定位方法。
【背景技術】
[0002] 光學導航是目前手術導航中的主流方法，具有精度高、應用靈活方便、無侵入傷害 等優(yōu)點，因而在神經外科、脊柱外科(骨科）、耳鼻喉科、整形外科等領域有著廣泛的應用。目 前光學導航產品幾乎被國外壟斷，國內應用的產品有加拿大NDI公司的Polaris系統，美國 Medtronic公司的Stealthstation系統，德國Stryker公司的Stryke Navigation System系 統和BrainLab公司的3D VectorVision導航系統等，為了打破壟斷，降低醫(yī)療成本，國內一 些高校和公司競相開展了對光學手術導航系統的研究，但距離國外得最高水平還有很長的 一段距離要走。
[0003] 光學手術導航系統其核心為基于近紅外光的立體視覺定位儀，其由一對灰度相機 和鏡頭前加裝的紅外濾光片構成。紅外濾光片能夠剔除環(huán)境光的干擾，快速準確地分割出 手術器械上的標志點，使用紅外濾光片提取紅外標志點的位置具有設計簡單、成本低廉、易 于實現等優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應用。根據手術器械標志點是否發(fā)光，立體視覺定位儀分 為主動式和被動式兩種：主動式立體視覺定位儀是在手術器械上安裝數個紅外發(fā)光二極 管;被動式立體視覺定位儀是在手術器械上安裝數個紅外反光小球，在相機周圍安裝紅外 光源，然后使用相機透過紅外濾光片采集紅外反光小球的位置。
[0004] 在立體視覺定位儀定位過程中，其兩個相機分別透過紅外濾光片對紅外標志點進 行成像，在兩視圖中分別提取到紅外標志點的中心后，使用傳統的三角測量法計算紅外標 志點的空間位置，在此過程中并沒有考慮紅外濾光片對定位精度的影響。通過分析發(fā)現，當 相機通過紅外濾光片對目標進行成像時，光線從目標點出發(fā)穿過紅外濾光片，由于光的折 射作用，光線在紅外濾光片的表面發(fā)生兩次折射，改變光線的傳播方向。由于紅外濾光片折 射的影響，傳統的針孔相機成像模型以及相關的理論方法將不再適用，此時使用傳統的三 角測量法對空間點進行定位，將引進系統定位誤差。
[0005] 目前，由于紅外濾光片的折射對成像影響的復雜性，國內所研發(fā)的光學手術導航 儀均沒有考慮紅外濾光片的折射對空間定位的影響。由于光學手術導航儀對精度的要求非 常高，可謂精度越高越好，因此有必要考慮紅外濾光片的折射效應對空間定位的影響，消除 紅外濾光片折射帶來的定位誤差對于提高手術導航儀的空間定位精度具有重要的實用價 值。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對現有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供基于消除紅外濾光片折射效應的手 術導航儀定位方法。
[0007] 根據本發(fā)明提供的基于消除紅外濾光片折射效應的手術導航儀定位方法，包括如 下步驟：
[0008] 步驟1:標定在無紅外濾光片時左右兩側相機的內參數矩陣、鏡頭畸變參數以及左 右兩側相機之間的相對位置關系；
[0009] 步驟2:測量紅外濾光片的厚度、折射率，然后將紅外濾光片分別安裝在左右兩側 相機的鏡頭前；
[0010]步驟3:使用光學導航儀采集手術器械圖像，利用相機內參矩陣和鏡頭畸變參數對 手術器械圖像進行鏡頭畸變校正，得到鏡頭畸變校正后的圖像；
[0011] 步驟4:將鏡頭畸變校正后的圖像進行二值處理，提取所述鏡頭畸變校正后的圖像 中每個紅外標志點的成像區(qū)域，得到每個紅外標志點在圖像中對應的中心點圖像坐標，然 后左右兩幅圖像匹配得到紅外標志點對應的圖像點對；
[0012] 步驟5:根據相機的內參矩陣、紅外濾光片的厚度和折射率得到相機透過紅外濾光 片成像的相機成像模型，然后根據該相機成像模型、左右兩側相機之間的相對位置關系以 及紅外標志點對應的圖像點對，計算紅外標志點的空間位置。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟1包括：
[0014] 步驟1.1:使用單攝像機標定算法對左右兩側相機分別進行攝像機標定，得到攝像 機內參矩陣和鏡頭畸變參數，得到相機內參矩陣(Al ,Ar)和鏡頭畸變參數(Si, Sr)，計算公式 如下：
[0019] 式中，其中下標l、r分別表示左右相機對應的相關參數,A1表示左側相機內參矩 陣，Ar表示右側相機內參矩陣，S 1表示左側相機畸變參數，Sr表示右側相機畸變參數，flx表示 左側相機在像素量綱下關于X軸方向上的焦距，f rx表示右側相機在像素量綱下關于X軸方向 上的焦距，fly表示左側相機在像素量綱下關于y軸方向上的焦距，fry表示右側相機在像素 量綱下關于y軸方向上的焦距，C lx表示左側相機主點關于X軸的值，Cly表示左側相機主點關 于y軸的值，Crx表示右側相機主點關于X軸的值， Cry表示右側相機主點關于y軸的值，kn表示 左側相機鏡頭2階徑向畸變參數，k12表示左側相機鏡頭4階徑向畸變參數，k rl表示右側相機 鏡頭2階徑向畸變參數，kr2表示右側相機鏡頭4階徑向畸變參數，Pn表示左側相機鏡頭離心 畸變參數，Pl 2表示左側相機鏡頭離心畸變參數，Pr1表示右側相機鏡頭離心畸變參數，？^表 示右側相機鏡頭離心畸變參數；
[0020] 步驟1.2:使用雙目相機標定算法得到左右兩側相機之間的相對旋轉矩陣和平移 向量(R，t)，R表示右側相機坐標系相對于左側相機坐標系的旋轉矩陣，t表示右側相機坐標 系相對于左側相機坐標系的平移向量。
[0021] 優(yōu)選地，所述步驟2包括：
[0022] 步驟2.1:使用游標卡尺或螺旋測微器測量紅外濾光片的厚度，多次測量后取均 值，記所述左右兩側相機所用的紅外濾光片的厚度分別為cU、d r;
[0023] 步驟2.2:使用折射率測量儀測量紅外濾光片的折射率為η;
[0024] 步驟2.3:將紅外濾光片安裝在左右兩側相機的鏡頭前。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟3包括：
[0026] 步驟3.1:使用光學導航儀采集手術器械圖像，即安裝紅外濾光片后相機采集到的 包含紅外標志點的圖像，其中，將左側相機采集到的圖像記為I 1;將右側相機采集到的圖像 記為Ir;
[0027] 步驟3.2 :利用相機內參矩陣(Al，Ar)和鏡頭畸變參數(Si，Sr)對圖像II、Ir進行鏡頭 畸變矯正，在此只考率徑向畸變和離心畸變，對左右兩幅圖像分別采用如下畸變校正方法 進行校正，校正公式如下：
[0029] 式中，Sudr表示觀測到的圖像點(Ud，Vd)在X方向上的徑向畸變的畸變量，δ Vdr分別表 示觀測到的圖像點（Ud，Vd)在y方向上的徑向畸變的畸變量，Sudd表示觀測到的圖像點（Ud， Vd)在X方向上的離心畸變的畸變量，δ vdd分別表示觀測到的圖像點(Ud，Vd)在y方向上的離心 畸變的畸變量，Ud為觀測到的圖像點在X方向上的圖像坐標，Vd為觀測到的圖像點在y方向上 的圖像坐標，U表示觀測到的圖像坐標(Ud，Vd)在經過畸變校正后在X方向上的圖像坐標，V分 別表示觀測到的圖像坐標(Ud，Vd)在經過畸變校正后在y方向上的圖像坐標，其中：
[0032]式中，rd是從圖像主點至畸變圖像點（Ud，Vd)的距離，h表示二階徑向畸變參數，k2 表示四階徑向畸變參數。
[0033] 優(yōu)選地，所述步驟4包括：
[0034]步驟4.1:對鏡頭畸變校正后的圖像In、Irl進行二值處理，得到左側相機的二值圖 像112和右側相機的二值圖像Ir2 ;
[0035] 步驟4.2:利用區(qū)域提取算法對左側相機的二值圖像112和右側相機的二值圖像Ir2 進行處理，得到左側相機和右側相機采集到的圖像中每個紅外標志點的成像區(qū)域；
[0036] 步驟4.3:使用重心法或者任何區(qū)域中心提取算法，計算紅外標志點對應區(qū)域的中 心，并把該中心作為紅外標志點的中心在圖像中對應的位置；
[0037] 步驟4.4:使用對極約束法快速匹配左側相機和右側相機采集到的圖像中的紅外 標志點，得到紅外標志點對應的圖像點對(XI，Xr )，其中X1表示紅外標志點的中心在左圖像 中對應的圖像點，Xr表示同一個紅外標志點的中心在右圖像中對應的圖像點。
[0038] 優(yōu)選地，所述步驟5包括：
[0039]步驟5.1:根據相機的內參矩陣、紅外濾光片的厚度和折射率得到相機透過紅外濾 光片的相機成像模型；
[0040] 當以左側相機坐標系作為世界坐標系時，即令相機坐標系的原點位于相機中心， 則對于每一個圖像點對(xi，xr)，其中
表示左圖像點的圖像坐標，
表示右 圖像點的圖像坐標，Ul表示左圖像中的圖像點在X方向上的坐標值，Vl表示左圖像中的圖像 點在y方向上的坐標值，Ur表示右圖像中的圖像點在X方向上的坐標值，Vr表示左圖像中的圖 像點在y方向上的坐標值；
[0041] 左相機投影矩陣?1為?1=厶1[1 tdl]，右相機投影矩陣Pr為Pr = Ar[R t-tdr]，其中： 左側相機虛擬視點在左相機坐標系中的位置為tdl=(0 0 dQ1)T;右側相機虛擬視點在右相 機坐標系中的位置為tdr = (0 0 dQr )T ; Cb1表示左相機對應于圖像點對(X1，Xr )的相機虛擬視 點在左相機光軸上的平移距離;Cbr表示右兩側相機對應于圖像點對(X1，Xr)的相機虛擬視 點在右相機光軸上的平移距離;C