一种基于结构光的手术导航表面注册方法技术

本发明专利技术公开了一种基于结构光的手术导航表面注册方法，包括：

【技术实现步骤摘要】
一种基于结构光的手术导航表面注册方法


[0001]本专利技术涉及光学手术导航的
，尤其是指一种基于结构光的手术导航表面注册方法
。

技术介绍

[0002]引入光学手术导航系统的外科手术对比十分依赖医生经验的传统外科手术，能够直观地在显示设备上实时显示病灶部位与手术器械的相对位置关系，给医生提供更好的操作视野，减少额外创伤，使外科手术向微创化和精准化发展
。
空间注册技术是光学手术导航过程中获得医学图像空间和实际手术空间转换关系的核心技术，空间注册技术的精度将会直接影响手术导航系统的应用
。
[0003]目前常用于光学手术导航的空间注册方法是在待测对象体表粘贴数个标记点，通过获取实际手术空间标记点的坐标，和图像空间标记点的坐标进行空间注册，优点是注册精度较高，然而一旦标记点发生位移
、
脱落或者被遮挡，都会影响术中导航精度
。
无需佩戴标记点的无标记点的注册方式主要是通过获取实际手术空间待测对象的表面点集与图像空间对应部位的表面点集进行表面注册
。
其中常用于获取实际手术空间表面点集的手术工具扫描和单点激光扫描的方式不仅操作不方便且采集过程耗时
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于结构光的手术导航表面注册方法，可以有效解决现有用于光学手术导航过程中实际手术空间点集的采集工具操作不方便和采集过程耗时的问题
。
设计了一种编码的结构光模板，解决在双目立体匹配过程中数量较多的亚像素点进行极线约束匹配容易产生误匹配的问题，提高获取实际手术空间点集时的速度和精度，从而保证手术导航的精度
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于结构光的手术导航表面注册方法，包括以下步骤：
[0006]S1
：用投影仪投影编码结构光模板到待测对象表面，用光学定位仪的双目相机同时获取带编码光斑的左右两张图像；
[0007]S2
：对步骤
S1
获得的两张图像进行处理，获取图像上所有光斑中心的亚像素坐标点集
P
l
和
P
r
；
[0008]S3
：根据编码信息和极线约束对步骤
S2
获得的亚像素坐标点集
P
l
和
P
r
进行匹配，获得内部点一一对应的匹配点集
P
l
'
和
P
r
'
；
[0009]S4
：通过三角测量原理将步骤
S3
获得的匹配点集
P
l
'
和
P
r
'
计算为三维点集，该点集为实际手术空间中的待测对象表面三维点集
P
；
[0010]S5
：导入待测对象的
CT
图像序列，获取待测对象外表面轮廓点集
Q
，将
Q
作为目标点集，步骤
S4
获得的点集
P
作为源点集，通过粗配准和精配准，获得手术空间到图像空间的坐标转换关系，完成手术导航的表面注册
。
[0011]进一步，在步骤
S1
中，使用的编码结构光模板是一种散斑模板，由点阵圆形光斑和分布均匀且具有比其它光斑更大半径的特征光斑组成，把这部分特征光斑称作锚点光斑
。
[0012]进一步，在步骤
S2
中，通过设置灰度阈值对步骤
S1
中获得的两张图像进行二值化处理，获得光斑像素范围，再用像素的灰度值作为权值进行加权获取图像中所有光斑中心的亚像素坐标点集，设左右两张图像的亚像素坐标点集分别为
P
l
和
P
r
。
[0013]进一步，步骤
S3
的具体步骤如下：
[0014]S31
：通过光斑面积大小的特征在步骤
S2
中获得的点集
P
l
和
P
r
中区分出所有锚点光斑，获得左右两张图像中锚点光斑的中心亚像素坐标点集
C
l
和
C
r
，
C
l
∈P
l
，
C
r
∈P
r
；
[0015]S32
：根据已知的光学定位仪的双目相机内外参数对步骤
S31
中获得的点集
C
l
和
C
r
进行极线约束匹配，具体操作为：点集
C
l
中的每个点
C
li
都在右图像上存在一条对应的极线，计算点集
C
r
中的每个点
C
ri
到该极线的距离，根据设置的距离阈值，认为在该阈值范围内的点
C
ri
则是点
C
li
的匹配点，如果该阈值范围内的点
C
li
没有匹配点，则从点集
C
l
中删除点
C
li
，如果点
C
li
在该阈值范围内的匹配点数量大于1，则暂时先将点
C
li
的所有匹配点都通过三角测量原理将计算为三维点，再根据三维空间中误匹配的点对计算出的三维点必定是离群点的规则删除部分误匹配的点对；按照上述操作，最终获得匹配点集
C
l
'
和
C
r
'
，点集
C
l
'
中每个点在点集
C
r
'
都有唯一与之对应的点；
[0016]S33
：步骤
S32
中获得的匹配点集
C
l
'
和
C
r
'
，它们分别是点集
P
l
和
P
r
的子集，执行以下操作：首先，将点集
C
l
'
和
C
r
'
分别从点集
P
l
和
P
r
中删除，得到点集
M
l
和
M
r
，将点集
C
l
'
和
C
r
'
中的点作为划分极线约束匹配区域的种子点，具体过程为：获取点集
C
l
'
中的点
C
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于结构光的手术导航表面注册方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：用投影仪投影编码结构光模板到待测对象表面，用光学定位仪的双目相机同时获取带编码光斑的左右两张图像；
S2
：对步骤
S1
获得的两张图像进行处理，获取图像上所有光斑中心的亚像素坐标点集
P
l
和
P
r
；
S3
：根据编码信息和极线约束对步骤
S2
获得的亚像素坐标点集
P
l
和
P
r
进行匹配，获得内部点一一对应的匹配点集
P
l
'
和
P
r
'
；
S4
：通过三角测量原理将步骤
S3
获得的匹配点集
P
l
'
和
P
r
'
计算为三维点集，该点集为实际手术空间中的待测对象表面三维点集
P
；
S5
：导入待测对象的
CT
图像序列，获取待测对象外表面轮廓点集
Q
，将
Q
作为目标点集，步骤
S4
获得的点集
P
作为源点集，通过粗配准和精配准，获得手术空间到图像空间的坐标转换关系，完成手术导航的表面注册
。2.
根据权利要求1所述的一种基于结构光的手术导航表面注册方法，其特征在于，在步骤
S1
中，使用的编码结构光模板是一种散斑模板，由点阵圆形光斑和分布均匀且具有比其它光斑更大半径的特征光斑组成，把这部分特征光斑称作锚点光斑
。3.
根据权利要求2所述的一种基于结构光的手术导航表面注册方法，其特征在于，在步骤
S2
中，通过设置灰度阈值对步骤
S1
中获得的两张图像进行二值化处理，获得光斑像素范围，再用像素的灰度值作为权值进行加权获取图像中所有光斑中心的亚像素坐标点集，设左右两张图像的亚像素坐标点集分别为
P
l
和
P
r
。4.
根据权利要求3所述的一种基于结构光的手术导航表面注册方法，其特征在于，步骤
S3
的具体步骤如下：
S31
：通过光斑面积大小的特征在步骤
S2
中获得的点集
P
l
和
P
r
中区分出所有锚点光斑，获得左右两张图像中锚点光斑的中心亚像素坐标点集
C
l
和
C
r
，
C
l
∈P
l
，
C
r
∈P
r
；
S32
：根据已知的光学定位仪的双目相机内外参数对步骤
S31
中获得的点集
C
l
和
C
r
进行极线约束匹配，具体操作为：点集
C
l
中的每个点
C
li
都在右图像上存在一条对应的极线，计算点集
C
r
中的每个点
C
ri
到该极线的距离，根据设置的距离阈值，认为在该阈值范围内的点
C

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣骞，丁芮，林钦永，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：