一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法，在术前完成各相机标定以及建立无影灯多关节支架的支架运动学模型，同时配准世界坐标系O2和医学影像坐标系，建立从世界坐标系到医学影像的映射关系；在术中，利用光学定位相机阵列对手术器械上的光学标记物进行检测，实时捕获光学标记物的二维像素坐标，然后通过立体匹配得到各光学标记物在测量坐标系O1下的三维坐标；接着，计算O1到O2的变换矩阵[R t]，并利用[R t]将光学标记物的三维坐标变换到O2下，从而确定出手术器械在O2下的位姿，完成手术器械的定位和跟踪；最后通过O2到医学影像的映射关系，将手术器械的位姿转换到医学影像坐标系下，并在显示器上实时显示，以此引导医生进行手术。此引导医生进行手术。此引导医生进行手术。

【技术实现步骤摘要】
一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法


[0001]本专利技术属于医疗器械导航
，更为具体地讲，涉及一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法。

技术介绍

[0002]在医生进行医疗手术中，不知道医疗器械在进入人体后的具体位置，这给医生手术治疗带来极大困难，而手术导航技术为这一需求提供了良好的实施方案。手术导航的关键是对手术器械进行跟踪和定位，双目或三目的光学相机是目前最为常用的跟踪和定位装置。术前，手术导航系统需要将人体医学影像空间与光学相机测量空间进行配准，即建立从光学相机测量坐标系到医学图像坐标系之间的映射关系；术中，手术导航系统将光学相机获得的手术器械在测量坐标系下的三维位置和姿态转换到医学图像空间进行显示，为医生提供手术器械在人体内部的图像导航信息，协助医生进行手术，提高了医生操作手术器械的精度，大大减小了手术实施过程的难度。
[0003]目前，传统的基于光学相机定位的手术导航系统要求手术过程中人体与光学相机保持相对静止。术中一旦人体与相机位姿改变，需要重新执行术前的配准操作，将测量坐标系与人体医学图像坐标系重新配准。同时，手术过程中又必须保证手术器械在光学相机中可视，光学测量通道上无遮挡。这就极大的限制了手术医生的操作空间。此外，传统手术导航中的光学定位系统多采用双目或三目直线型排列的相机，根据立体视觉原理，手术过程中，必须保证手术器械上的光学标记物在至少两个相机中可见，对手术器械的姿态提出了严格要求，进一步限制了医生手术操作的自由度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法，利用相机检测手术器械上的定位标记以及无影灯多关节支架转动轴处角度传感器的数据，结合手术前人体三维扫描模型数据，实现医疗器械相对于人体位置的术中定位跟踪。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统，其特征在于，包括：无影灯、光学定位相机阵列、无影灯多关节支架和PC机；
[0006]所述无影灯由多个灯头组成；在手术前，打开无影灯的开关，将无影灯调整到光照合适的位置，然后进行聚焦和照射角度的调整，使无影灯的灯光调整到最佳的亮度和角度；
[0007]所述光学定位相机阵列由固定在无影灯上的多个光学相机组成，各相机均匀排列在无影灯外围形成相机阵列，无影灯及光学定位相机阵列一起固定在无影灯多关节支架的顶端；
[0008]所述无影灯多关节支架由几段刚性连杆组成，刚性连杆的关节连接处安装有角度测量编码器，可以读取关节两段连杆之间的角度值；
[0009]所述光学定位相机阵列经过标定，定义光学定位相机阵列中的某一相机的“相机
坐标系”为测量坐标系O1，标定出各相机的内部参数以及在测量坐标系O1下的外部参数；
[0010]所述无影灯多关节支架经过运动学建模，在支架底座上定义世界坐标系O2，根据无影灯多关节支架的机械结构，建立支架运动学模型，该运动学模型，能根据支架各关节角度编码器的角度值计算支架末端的测量坐标系O1到支架底座的世界坐标系O2之间的变换矩阵[R t]；
[0011]手术过程中，利用光学定位相机阵列对手术器械上的光学标记物进行检测，实时捕获光学标记物的二维像素坐标，然后通过立体匹配得到各光学标记物在测量坐标系O1下的三维坐标；接着，PC机根据支架各关节角度值计算变换矩阵[R t]，将光学标记物的三维坐标变换到世界坐标系O2下，从而确定出手术器械在世界坐标系O2下的位置和姿态，完成手术器械的定位和跟踪；最后将手术器械的位姿换到医学影像坐标系下，从而在PC机的显示器上实时显示手术器械位置的医学影像，以此引导医生进行手术。进一步的，本专利技术还提供一种与无影灯结合的术中定位跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012](1)、术前完成各光学定位相机标定，以及建立无影灯多关节支架的支架运动学模型；
[0013](2)、术前配准世界坐标系O2和医学影像坐标系，从而建立世界坐标系到医学影像的映射关系；
[0014](3)、术中从各光学定位相机中读取当前帧图像，检测图像中的光学标记物(一般固定在手术器械上)，获得光学标记物的二维像素坐标；
[0015](4)、根据各光学定位相机的标定参数，对光学标记物进行立体匹配，由两个或两个以上相机获得的光学标记物二维像素坐标计算出其在测量坐标系O1下的三维坐标值；
[0016](5)、读取无影灯多关节支架各关节的角度值，基于支架运动模型，计算测量坐标系O1到世界坐标系O2的变换矩阵[R t]；
[0017](6)、利用变换矩阵[R t]将光学标记物在测量坐标系O1下的三维坐标转换到世界坐标系O2下，从而确定手术器械在世界坐标系O2下的位置和姿态；
[0018](7)、通过术前步骤(2)建立的映射关系，将手术器械在世界坐标系O2下的位姿转换到医学影像坐标系下，并在PC机显示器上与医学影像一起实时显示，完成当前帧的手术器械定位跟踪和导航显示；
[0019](8)、返回步骤(3)，然后读取下一帧图像，重复以上流程。
[0020]本专利技术的专利技术目的是这样实现的：
[0021]本专利技术一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法，在术前完成各光学定位相机标定，以及建立无影灯多关节支架的支架运动学模型，同时配准世界坐标系O2和医学影像坐标系，建立从世界坐标系到医学影像的映射关系；在术中，利用光学定位相机阵列对手术器械上的光学标记物进行检测，获得光学标记物的二维像素坐标，然后通过立体匹配得到光学标记物在测量坐标系O1下的三维坐标；接着，读取无影灯多关节支架各关节的角度值，基于支架运动模型，计算测量坐标系O1到世界坐标系O2的变换矩阵[R t]；然后，利用变换矩阵[R t]将光学标记物的三维坐标变换到世界坐标系O2下，从而确定出手术器械在世界坐标系O2下的位置和姿态，完成手术器械的定位和跟踪；最后通过术前建立的世界坐标系到医学影像的映射关系，将手术器械的位姿转换到医学影像坐标系下，从而在PC机的显示器上实时显示手术器械在医学影像中的位置，以此引导医生进行手术。
[0022]同时，本专利技术一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统及方法还具有以下有益效果：
[0023](1)、本专利技术将光学定位相机阵列固定在无影灯外围，可以全方位检测手术器械末端固定的光学标记物，有效减小了手术器械的光学标记物被遮挡的情况，放宽了对手术器械操作角度的限制，增大了医生手术操作的自由度。
[0024](2)、本专利技术采用多个光学定位相机同时检测光学标记物，提高了手术器械定位精度。
[0025](3)、本专利技术在无影灯多关节支架各关节上安装角度测量编码器，从而允许术中根据手术实施的需要，对无影灯和相机阵列进行位置和姿态调节，寻找最佳测量和照射角度。
附图说明
[0026]图1是本专利技术一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统架构图；
[0027]图2是光学标记物示意图；
[0028]图3是本专利技术一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种与无影灯结合的术中定位跟踪系统，其特征在于，包括：无影灯、光学定位相机阵列、无影灯多关节支架和PC机；所述无影灯由多个灯头组成；在手术前，打开无影灯的开关，将无影灯调整到光照合适的位置，然后进行聚焦和照射角度的调整，使无影灯的灯光调整到最佳的亮度和角度；所述光学定位相机阵列由固定在无影灯上的多个光学定位相机组成，各光学定位相机均匀排列在无影灯外围形成相机阵列，然后将无影灯及光学定位相机阵列一起固定在无影灯多关节支架的顶端；所述无影灯多关节支架由几段刚性连杆组成，每一段刚性连杆间可以旋转摆动，以调节每一段刚性连杆的角度，刚性连杆的连接处安装有角度编码器上，用于读取角度编码器的角度值；所述述光学定位相机阵列经过标定，定义光学定位相机阵列某一相机的“相机坐标系”为测量坐标系O1，标定出各光学定位相机的内部参数以及在测量坐标系O1下的外部参数；所述无影灯多关节支架经过运动学建模，在支架底座上定义世界坐标系O2，根据无影灯多关节支架的机械结构，建立支架运动学模型，该运动学模型，能根据支架各关节角度编码器的角度值计算测量坐标系O1到世界坐标系O2之间的变换矩阵[R t]；手术过程中，利用光学定位相机阵列对手术器械上的光学标记物进行检测，实时捕获光学标记物的二维像素坐标，然后通过立体匹配得到各光学标记物在测量坐标系O1下的三维坐标；接着，PC机根据支架各关节角度值计算变换矩阵[R t]，将光学标记物...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，郑文锋，刘海金，刘珊，刘超，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：