一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，使用光学定位原理进行手术工具的位置和姿态实时检测。其中，所述单目视觉手术工具位姿实时检测系统包括：用于确定一基于患者身体的基准坐标系的基准标志单元和用于进行图像采集，获取手术工具相对世界坐标系的旋转姿态和平移位置的图像采集及人机交互单元，所述基准标志单元与患者身体刚性连接，所述图像采集及人机交互单元刚性固着于手术工具上。本实用新型专利技术由于采用了光学图像定位系统取代了以往基于机械和双目视觉定位方式的手术工具实时检测工具，使得手术工具实时检测装置的体积更轻巧，操作更简单，使用更稳定，精度更高。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电子
，特别涉及一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统。
技术介绍
公知的手术工具实时检测装置，传统的采用机械定位方式，机械结构的刚体特性的主要缺点是体积大，重量重，安装和操作比较复杂。另外一个比较大的问题是，由于导航装置是一个悬臂，手术工具与机械导航装置的定位孔发生接触时，会造成机械导航工具的较大形变误差。而且随着使用过程，由于机械磨损导致精度降低而不能使用。近年还出现了采用电磁方式和双目视觉进行定位。电磁感应则存在精度有限，而且易于受到环境干扰；双目视觉则由于必须配置至少两个图像传感器，处理计算能力要求高，因而体积和成本都不能得到有效降低。而且这些定位装置，都必须有专用的导航系统软件和计算机，同时必须事先对手术环境的坐标系与定位装置的坐标系、医学图像坐标系三者进行配准，体积庞大，成本高昂，用户的使用必须经过专业的学习。在中小型手术时，劣势尤其明显。本技术基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其操作步骤与定位原理都与原有的机械定位导航装置类似。但是采用光学定位取代了机械定位，第一使得手术工具与导航装置的基准没有物理接触，因为不会因为机械力造成形变误差；第二可以采用计算机图像数据记录手术规划路径，比使用机械刻度存储灵活性大，存储空间丰富。第三，由于现在SOC应用处理器的小型化和普及化，其成本和体积、重量也比上述基准导航装置具有较大的优势。同时因为基准标志单元的标志图形支持编码，因而即使存在多个手术工具同时使用，并存在多个不同的基准标志单元时，也可以正常工作而互不干扰。需要多个工具协同时，也可以通过WIFI互通信息。每`个图像采集及人机交互单元的体积和重量都和普通的手机或者MP4播放器相当，根据手术行程，用户可以灵活选择不同大小的基准标志单元。因而，其完全可以胜任大型手术导航系统完成的工作，但是由于其体积小巧，操作简单，成本也低廉许多，必将逐渐取代大型导航系统。
技术实现思路
本技术的目的在于提供基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统。以解决现有技术中的导航装置成本高，使用步骤繁琐的问题。为了达到上述目的，本技术采取了以下技术方案:一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，使用光学定位原理进行手术工具的位姿实时检测，其中，所述单目视觉手术工具位姿实时检测系统包括:用于确定一基于患者身体的基准坐标系的基准标志单元；用于进行图像采集，获取手术工具相对基准坐标系的旋转姿态和平移位置的图像采集及人机交互单元；所述基准标志单元与患者身体刚性连接，所述图像采集及人机交互单元刚性固着于手术工具上。所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其中，所述基准标志单元的个数为一个或多个，所述基准标志单元由至少两个互不平行的平面构成，两个平面共一条边，每个平面印刷有特征点图形。所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其中，所述图像采集及人机交互单元进一步包括:嵌入式处理系统、显示面板和图像采集单元；所述嵌入式处理系统连接显示面板和图像采集单元。所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，其中，所述显示面板为带触摸屏的液晶显示屏；所述图像采集单元为CMOS图像采集单元；所述嵌入式处理系统进一步包括一图像应用处理器，RAM芯片，用于存放程序固件的FLASH和一 WIFI网络接口卡。一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测方法，使用光学定位原理进行手术工具的位姿实时检测，其中，所述单目视觉手术工具位姿实时检测方法包括以下步骤:S1、将基准标志单元与患者身体的待手术处刚性连接，并将图像采集及人机交互单元固着到手术工具上；S2、图像采集及人机交互单元采集带有标准标识单元的患者身体的待手术处的图像信息，获取手术工具相对世界坐标系的旋转姿态和平移位置；S3、图像采集及人机交互单元引导手术工具到达目标手术位姿，并进行手术导航，指引手术工具逐一进行手术实施，完成手术的全部操作。所述基于单目视觉的手术工具位 姿实时检测方法，其中，所述步骤S2中图像采集及人机交互单元在获取手术工具相对世界坐标系的旋转姿态和平移位置时，包括:使用数字图像传感器检测基准标志单元的特征点位置，利用投影关系解算出数字图像传感器相对于基准标志单元的位姿。所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测方法，其中，所述步骤S3中进一步包括:图像采集及人机交互单元会与患者身体的手术目标的规划位置比对。如果比对结果差异小于预设的误差下限，那么会提示进入手术导航；如果比对结果差异大于等于预设的误差下限，但是小于错误误差上限，则提示是否进行手术规划位置修正，如果确认修正，那么在图像上标志出修正后的结果，并进入手术导航；如果拒绝修正，那么进入错误状态，停止本次导航；如果比对结果差异大于错误误差上限，那么图像采集及人机交互单元停止本次导航。所述基于单目视觉的手术工具位姿实时检测方法，其中，当需要多个手术工具协同工作时，其包括以下步骤:基于同一个基准标准单元，各个手术工具附属的图像采集及人机交互单元分别计算自己相对于基准标准单元的位姿，并将自己的位姿数据发送到需要协同的手术工具，计算二者的相互位姿。有益效果:本技术基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，因为使用了光学定位取代了传统的机械定位，并进一步使用单目视觉和嵌入式系统取代了电磁定位和双目视觉定位装置及与其配套使用的大型手术导航系统。使得手术工具位姿实时检测系统的体积和重量都得到了大幅的降低；由于在导航过程中，手术工具与基准标志单元没有物理接触，因此也避免了对基准标志单元的物理干扰，提高了导航装置的稳定性。同时使用数字图像传感器采集图像并经图像应用处理器处理后，可以得到手术工具的精确位姿，并存储在非易失存储器中，极大地增加了导航装置的灵活性和便捷性。在操作过程中，图像采集及人机交互单元具有声音和图像双重提示功能，也极大地降低了操作人员的工作强度和操作难度。小巧的体积和简单的操作流程，则进一步降低了用户的学习难度和对手术环境的要求。附图说明图1为本技术单目视觉的手术工具位姿实时检测系统的结构框图。图2为本专利技术实例使用的一种基准标志单元三维示意图。图3为本技术实例使用的一种易于识别的基准标志单元特征点位置X特征图像。图4为本技术实例的膝关节置换腿骨手术导航流程图。图5为本技术的单目视觉的手术工具位姿实时检测方法的流程图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本技术进一步详细说明。请参阅图1，其为本技术的单目视觉的手术工具位姿实时检测系统的结构框图。如图所示，所述单目视觉手术工具位姿实时检测系统包括:基准标志单元100、图像采集及人机交互单元200,其中·，所述基准标志单元100与患者身体刚性连接,所述图像采集及人机交互单元200刚性固着于手术工具上。具体来说，所述基准标志单元100用于确定一基于患者身体的基准坐标系。在本实施例中，所述基准标志单元100其包含两个相互正交的刚性平面，两个平面具有一条公共边，每个平面都印刷有具备特征点的图案。所述基准标志单元，通过一个刚性装置固着在患者待实施手术的身体部位，以保证其形变十分微小。该基准标志单元作为手术坐标系的基准，刚性装置保证了其稳定性，其微小形变不会影响到手术的操作精本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单目视觉的手术工具位姿实时检测系统，使用光学定位原理进行手术工具的位姿实时检测，其特征在于，所述单目视觉手术工具位姿实时检测系统包括：用于确定一基于患者身体的基准坐标系的基准标志单元；用于进行图像采集，获取手术工具相对基准坐标系的旋转姿态和平移位置的图像采集及人机交互单元；所述基准标志单元与患者身体刚性连接，所述图像采集及人机交互单元刚性固着于手术工具上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张巍，
申请(专利权)人：张巍，
类型：实用新型
国别省市：