基于半球激光列表法的器具姿态评价方法技术

本发明专利技术提供了一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法。该方法包括：将透明的棋盘贴纸粘贴在半球外表面上，用双目内窥镜测量系统捕捉某一帧k，包含左、右两张图片，由视觉匹配算法计算得到一张深度图D

【技术实现步骤摘要】
基于半球激光列表法的器具姿态评价方法


[0001]本专利技术涉及医工结合
，特别是涉及一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法。

技术介绍

[0002]人体骨头(如膝关节，脊椎外轮廓)多数情况是一个自由曲面，而且表面凹凸不平，当需要在骨表面施术时，仅凭外科医生的个人感觉难以获得一致、可靠的精度。基于视觉测量的姿态估计和定位在医工结合领域(如骨外科的机器人辅助诊断)上有着极其重要的地位，因其能以固定的姿态和进给量进行器具的插入或钻取骨头。目前，常见的姿态估计和器具定位方法是建立在三维图像或二维关键帧的基础上进行的，然而，这些评价方法并没有针对方法自身的特点设立误差分析，而是通过对比分析来进行评价，例如，与经验丰富的外科大夫徒手操作结果进行对比，或以现有的商业光学定位仪器作为黄金标准进行对比。这样的对比分析只能提供一个精度参考标准，不能发掘姿态估计算法误差产生的来源，也不能提供控制或改善误差的建议，因此无法提高姿态估计算法的精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，不需要复杂的构件和苛刻的实验环境，能根据实验者意愿来增加测量点样本数，以提高精度分析的可信度。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，所述方法包括：透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系；分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器S
i
(i＝2,4)；在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧R
n
，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角在R
n
上标记N(N≥1)个点，将R
n
均等为N+1份小节弧；绕z轴逆时针转动半球角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移；将透明的棋盘贴纸粘贴在半球外表面上，用双目内窥镜测量系统捕捉某一帧k，其中包含左、右两张图片，同时由视觉匹配算法计算得到一张深度图D
k
，获得深度图个点的三维坐标值；将器具尖端放在半球上的每个标记点，调整器具姿态，使实时姿态与估计的法向量姿态重合；激光投射光斑到ECG上，记录的姿态坐标值重复执行放置器具尖端、调整姿态、投射光斑及记录姿态坐标值的操作，直至达到一定数量的数据样本；根据姿态估计的函数表达式，计算每一次的姿态误差角大小。
[0005]在一些实施方式中，透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系，包括：在非金属工作台上固定医学心电图记录纸ECG，将透明标准半球模型置于ECG纸上，并定义球系三维坐标系xoy，使x,y轴位于ECG纸上，z轴过半球的上顶点。
[0006]在一些实施方式中，分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器S
i
(i＝2,4)，包括：分别在内窥镜和半球模型上布置位姿跟踪传感器S2和S4。
[0007]在一些实施方式中，传感器的布置规则包括：每个传感器跟内窥镜、半球是刚性连接；发射器位于半球模型的1平方米附件，以确保精度；测量时，周边不能有金属物件，以免影响精度。
[0008]在一些实施方式中，在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧R
n
，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角包括：选定初始弧线，在Oxy平面内，在半球边缘上等间隔平分水平转角每个转角对应着一条弧长为πr/2的圆弧，在半球上共标记n条弧长为πr/2的圆弧，每一条圆弧定义为R
n
(n＝1,2,3,
…
,n)。
[0009]在一些实施方式中，在R
n
上标记N(N≥1)个点，将R
n
均等为N+1份小节弧，包括：在圆弧R
n
上标记N(N≥1)个点，如第n条弧上的第N个标记点，均等分为N+1段小圆弧，每段小圆弧所对应的圆心角θ相等。
[0010]在一些实施方式中，标记之后，顶点K到点的弧长所对应的圆心角为。
[0011]在一些实施方式中，绕z轴逆时针转动半球角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移，包括：使ECG纸固定，并保持半球的上顶点位于z轴上，限制半球x，y方向的自由度，使半球绕z轴逆时针转动角度。
[0012]在一些实施方式中，激光投射光斑到ECG上，记录的姿态坐标值包括：由半球半径r、标记点的圆心角标记点所在圆弧R
n
的转角根据球面坐标系，利用如下公式，可计算出圆弧R
n
上点的三维坐标值
[0013][0014]采用这样的设计后，本专利技术至少具有以下优点：
[0015]本专利技术将内窥镜获取的三维图像和激光透视测量引入到姿态精度评价方法中，实现了以下创新：(1)器具姿态误差角的测量，是基于获取的三维图像上进行分析的，与其他的分析方法相比，更能体现内窥镜自身测量与自身评价的一致性，便于寻找姿态算法的误差来源；(2)利用标准透明球模型的优点，避免了其他几何造型(如平面，柱面)难以获取被测点理论法向量的问题；(3)借助内嵌激光模组将当前器具姿态透视到半球水平截面，由此建立了估算姿态与理论姿态的误差表达式。而且，可根据自定义提高被测点的样本数量来提高评价的可信度。综合上述创新，本方法实现了评价可靠性和效率的统一。
附图说明
[0016]上述仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。
[0017]图1为本专利技术的流程示意图；
[0018]图2为内窥镜的目标物体轮廓采样示意图；
[0019]图3为双目内窥镜的光学设计布局示意图；
[0020]图4为器具的结构示意图；
[0021]图5为器具姿态估计和定位示意图；
[0022]图6为姿态评价方法的原理示意图。
[0023]附图标记说明：
[0024]21
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电磁发射器
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22
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电磁传感器2
[0025]23
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双目内窥镜
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24
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电磁传感器4
[0026]25
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半球模型
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26
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ECG记录纸
[0027]31
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双目摄像仪
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32
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散斑发射器模组
[0028]33
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电磁传感器3
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41
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电磁传感器
[0029]42
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通孔
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43...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，包括：透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系；分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器S
i
(i＝2,4)；在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧R
n
，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角在R
n
上标记N个点，将R
n
均等为N+1份小节弧；绕z轴逆时针转动半球角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移；将透明的棋盘贴纸粘贴在半球外表面上，用双目内窥镜测量系统捕捉某一帧k，其中包含左、右两张图片，同时由视觉匹配算法计算得到一张深度图D
k
，获得深度图M个点的三维坐标值；将器具尖端放在半球上的每个标记点，调整器具姿态，使实时姿态与估计的法向量姿态重合；激光投射光斑到ECG上，记录的姿态坐标值重复执行放置器具尖端、调整姿态、投射光斑及记录姿态坐标值的操作，直至达到一定数量的数据样本；根据姿态估计的函数表达式，计算每一次的姿态误差角大小。2.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系，包括：在非金属工作台上固定医学心电图记录纸ECG，将透明标准半球模型置于ECG纸上，并定义球系三维坐标系xoy，使x,y轴位于ECG纸上，z轴过半球的上顶点。3.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器S
i
(i＝2,4)，包括：分别在内窥镜和半球模型上布置位姿跟踪传感器S2和S4。4.根据权利要求3所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，传...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙忠杰，池永汀，蒋周翔，杨德金，白龙，苏鹏，李典耕，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：