本发明专利技术由左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路和监测电路构成光学跟踪系统，用机械支架放置在固定位置对带有反光标记点的手术器械进行光学定位，惯性导航电路固定在被跟踪手术器械上进行惯性定位，将两种定位数据进行数据融合来对手术器械的光学和惯性混合位姿跟踪，PS端适用于顺序执行的任务的实现，PL端适用于并行数据流算法的实现，主控电路通过以太网接口外接POE电源获取48V电压，并且通过以太网接口连接到上位机，将经相关算法处理得到的标记点的三维坐标数据和图像数据发送给上位机，因此可以解决在手术器械上的标记点被部分遮挡时对器械的准确位置和姿态跟踪，能够快速判断出光学定位系统是否存在振动，并给予提醒，能够得到准确的三维坐标数据，且提高了系统的跟踪频率。了系统的跟踪频率。了系统的跟踪频率。
【技术实现步骤摘要】
基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统及方法
[0001]本专利技术涉及医学图像处理的
，尤其涉及一种基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，以及这种基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统的工作方法，主要适用于手术导航的领域。
技术介绍
[0002]定位设备是手术导航系统中最为核心的部分，其定位的实时性及精度直接影响到手术导航系统的安全性和精确性，从而影响最终的手术成功率。手术导航中定位设备采用的定位技术主要有机械定位系统、超声定位系统、电磁定位系统和光学定位系统四种。光学定位系统是手术导航中一种优越的空间定位技术。其定位原理是通过两个近红外相机构成双目视觉系统，在两相机周围提供近红外光源，其发出的红外光经过手术器械上的近红外反光标记点反射，被相机图像传感器采集。使用前需要对相机进行标定，求解二维图像平面与实际三维空间的位置映射关系，获取相机的内外部参数。通过相机采集的左右标记点图像计算标记点在图像坐标系下的二维坐标，结合近红外相机标定求得的内外部参数进行标记点的立体匹配，从而计算标记点在实际空间坐标系下的三维坐标。光学定位系统属于非接触的空间定位方法，它在精度、可靠性、使用方便性等方面都具有显著的优势，是目前使用最为广泛的定位技术。
[0003]光学定位系统虽然具有较高的定位精度，但是在使用时需要保持目标与相机之间的定位光线不被遮挡，然而在实际手术中，手术室空间有限，患者周边配备着各种手术设备，很难保证一直保持不遮挡定位光线，尤其是在腹腔镜和手术器械需要灵活使用的手术中，更无法保持光线的畅通。另外市场上的光学定位系统输出频率最高只能到达60Hz，对于快速移动的目标很难定位。而且光学定位系统只有在保持不动的情况下，其测量的三维坐标信息才最准确，但是光学定位系统在测量时往往会发生微小的振动，而现有的光学定位系统无法及时的给予振动提醒，因此导致测试人员无法及时作出调整，进一步造成测量结果不精确。
技术实现思路
[0004]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其可以解决在手术器械上的标记点被部分遮挡时对器械的准确位置和姿态跟踪，能够快速判断出光学定位系统是否存在振动，并给予提醒，能够得到准确的三维坐标数据，且提高了系统的跟踪频率。
[0005]本专利技术的技术方案是：这种基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其包括：左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路、监测电路和惯性导航电路；
[0006]由左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路和监测电路构成光学跟踪系统，用机械支架放置在固定位置对带有反光标记点的手术器械进行光学定位，惯性导航电路固定在被跟踪手术器械上进行惯性定位，将两种定位数据进行数据融合来对手术器械的光学和
惯性混合位姿跟踪；
[0007]所述主控电路包括：DDR3 I、DDR3 II、ZYNQ XC7Z020核心电路、开关电源与接口电路，DDR3 I、DDR3 II、开关电源与接口电路分别与ZYNQ XC7Z020核心电路进行电气连接，其中ZYNQXC7Z020属于ZYNQ7000 SOC系列，内部包含处理器系统PS端和可编程逻辑PL端，PS端适用于顺序执行的任务的实现，PL端适用于并行数据流算法的实现，主控电路通过以太网接口外接POE电源获取48V电压，并且通过以太网接口连接到上位机，将经相关算法处理得到的标记点的三维坐标数据和图像数据发送给上位机。
[0008]本专利技术由左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路和监测电路构成光学跟踪系统，用机械支架放置在固定位置对带有反光标记点的手术器械进行光学定位，惯性导航电路固定在被跟踪手术器械上进行惯性定位，将两种定位数据进行数据融合来对手术器械的光学和惯性混合位姿跟踪，PS端适用于顺序执行的任务的实现，PL端适用于并行数据流算法的实现，主控电路通过以太网接口外接POE电源获取48V电压，并且通过以太网接口连接到上位机，将经相关算法处理得到的标记点的三维坐标数据和图像数据发送给上位机，因此可以解决在手术器械上的标记点被部分遮挡时对器械的准确位置和姿态跟踪，能够快速判断出光学定位系统是否存在振动，并给予提醒，能够得到准确的三维坐标数据，且提高了系统的跟踪频率。
[0009]还提供了基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位方法，从MT9V034摄像头采集得到的视频流数据，经过图像预处理、连通域提取模块得到二维图像的标记点几何中心亚像素坐标，坐标值存入Block RAM，PS端通过AXI Block RAM Controller读取坐标值，视频流数据经过Video in to AXI4
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Stream IP核转换成AXI4
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Stream IP格式数据流，由VDMA IP核通过AXI Smartconnect总线的HP接口存入DDR3存储器，AXI Interconnect总线实现GP接口与外设配置接口的互联，从而实现PS端控制PL端的外设；配置VDMA IP核的帧缓存空间大小、读写通道以及接收坐标计算完成的信号，通过AXI Interconnect接口在PS端修改PL端IP核中寄存器的值，从而控制图像传感器的曝光模式、曝光时间、近红外LED灯的点亮时间，以及调整连通域提取的阈值。
附图说明
[0010]图1是根据本专利技术的基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统的硬件结构框图。
[0011]图2是ZYNQ XC7Z020内部逻辑框图。
[0012]图3是根据本专利技术的标记点几何中心亚像素坐标计算的流程图。
[0013]图4是根据本专利技术的二维图像标记点坐标的立体匹配流程图。
[0014]图5是根据本专利技术的非平行轴双目立体视觉示意图。
[0015]图6是光学跟踪系统转动θ角度后的位置示意图。
具体实施方式
[0016]如图1所示，这种基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其包括：左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路、监测电路和惯性导航电路；
[0017]由左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路和监测电路构成光学跟踪系统，用
机械支架放置在固定位置对带有反光标记点的手术器械进行光学定位，惯性导航电路固定在被跟踪手术器械上进行惯性定位，将两种定位数据进行数据融合来对手术器械的光学和惯性混合位姿跟踪；
[0018]所述主控电路包括：DDR3 I、DDR3 II、ZYNQ XC7Z020核心电路、开关电源与接口电路，DDR3 I、DDR3 II、开关电源与接口电路分别与ZYNQ XC7Z020核心电路进行电气连接，其中ZYNQXC7Z020属于ZYNQ7000 SOC系列，内部包含处理器系统PS端和可编程逻辑PL端，PS端适用于顺序执行的任务的实现，PL端适用于并行数据流算法的实现，主控电路通过以太网接口外接POE电源获取48V电压，并且通过以太网接口连接到上位机，将经相关算法处理得到的标记点的三维坐标数据和图像本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其特征在于：其包括：左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路、监测电路和惯性导航电路；由左图像采集电路、右图像采集电路、主控电路和监测电路构成光学跟踪系统，用机械支架放置在固定位置对带有反光标记点的手术器械进行光学定位，惯性导航电路固定在被跟踪手术器械上进行惯性定位，将两种定位数据进行数据融合来对手术器械的光学和惯性混合位姿跟踪；所述主控电路包括：DDR3 I、DDR3 II、ZYNQ XC7Z020核心电路、开关电源与接口电路，DDR3 I、DDR3 II、开关电源与接口电路分别与ZYNQ XC7Z020核心电路进行电气连接，其中ZYNQ XC7Z020属于ZYNQ7000 SOC系列，内部包含处理器系统PS端和可编程逻辑PL端，PS端适用于顺序执行的任务的实现，PL端适用于并行数据流算法的实现，主控电路通过以太网接口外接POE电源获取48V电压，并且通过以太网接口连接到上位机，将经相关算法处理得到的标记点的三维坐标数据和图像数据发送给上位机。2.根据权利要求1所述的基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其特征在于：所述左图像采集电路和右图像采集电路内部结构相同，包括：近红外摄像头、摄像头驱动电路、环形近红外LED电路、近红外LED驱动电路，近红外摄像头与摄像头驱动电路进行电气连接，环形近红外LED电路与近红外LED驱动电路进行电气连接，近红外LED驱动电路、摄像头驱动电路分别与主控电路进行电气连接，左右图像采集电路实现对手术器械上的反光标记点进行红外图像采集。3.根据权利要求2所述的基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其特征在于：所述监测电路包括蓝牙收发电路、六轴IMU与温度监测电路和故障报警与指示灯电路，蓝牙收发电路、六轴IMU与温度监测电路、故障报警与指示灯电路分别与主控电路进行电气连接，监测电路将光学跟踪系统内部腔体的温度数据、六轴IMU输出的三轴加速度计数据和三轴陀螺仪数据、由蓝牙收发电路接收到的惯性导航电路数据发送给主控电路进行相关算法处理，并通过三个指示灯来表征系统的工作状态，绿灯为电源指示灯，黄灯为工作状态指示灯，红灯为故障报警灯。4.根据权利要求3所述的基于光学和惯性混合位姿跟踪的手术导航定位系统，其特征在于：所述九轴IMU电路选用ICM
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20948惯性测量单元，当光学跟踪系统中手术器械上的标记点部分被遮挡时，处理器系统PS端根据九轴IMU数据采用卡尔曼滤波器方法得到表征手术器械姿态信息的俯仰角、横滚角和航向角，以及当前时刻手术器械的姿态旋转矩阵，再计算出手术器械上原点与未被遮挡标记点的三维空间位移，根据矩阵变换得到原点的空间三维坐标，PS端将此坐标通过以太网发送给上位机来计算得到手术器械的空间坐标与位姿，并且PS端将惯性测量单元的数据插入到两次光学跟踪系统的数据之间，以便提高跟...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨峰，赵黎明，
申请(专利权)人：艾瑞迈迪医疗科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：
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