大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種手術導航技術，特別涉及一種大視場下手術器械的自動跟蹤定位 方法。
【背景技術】
[0002] 手術導航中的光學定位設備一般是由兩個定焦攝像機固定在一個支架上，形成一 個固定的有效視場，手術器械必須在攝像機的有效視場范圍內運動才能被定位。這是影響 光學定位技術使用的一個重要因素。
[0003]目前，在雙目視覺系統(tǒng)中主要使用廣角鏡頭來獲取大視場，但這種用廣角鏡頭獲 取的圖像畸變較大，對手術器械的三維坐標計算誤差也會隨之增大。另外，對于同樣的CXD 像素情況下，廣角鏡頭獲取更大的場景，則相同被測物在圖像中所占的像素大大減少，從而 也增大了測量誤差。因此，擴大雙目視覺系統(tǒng)的有效視場對光學定位技術的發(fā)展有著重要 的影響。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種大視場下手術器械的自 動跟蹤定位方法，該自動跟蹤定位方法有效解決了雙目視覺系統(tǒng)有效視場小、無法大范圍 定位手術器械的問題，實現(xiàn)了在大視場下對手術器械的自動跟蹤和定位，在手術導航領域 有重要的應用價值。
[0005] 本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)：大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法， 包括以下步驟：
[0006] 步驟1、使用機械臂控制雙目視覺系統(tǒng)運動來獲取大視場，在大視場下對手術器械 進行自動跟蹤；
[0007] 步驟2、根據(jù)機械臂自身舵機的位置關系確定雙目視覺系統(tǒng)的空間位置；
[0008] 步驟3、通過空間坐標變換對手術器械進行定位。
[0009] 所述的雙目視覺系統(tǒng)，主要由兩個攝像頭以及固定它們位置的支架組成，并固定 于機械臂上部的運動端，用于獲取手術器械在雙目視覺系統(tǒng)坐標系下的三維坐標和方向。
[0010] 所述的機械臂控制雙目視覺系統(tǒng)運動是指，機械臂根據(jù)手術器械在雙目視覺系統(tǒng) 坐標系下的三維坐標和方向，通過改變自身舵機的轉動角度來改變位于其上部運動端的雙 目視覺系統(tǒng)在絕對空間中的三維坐標和方向。
[0011] 所述的在大視場下對手術器械的自動跟蹤是指，手術器械的一部分移動到雙目視 覺系統(tǒng)的有效視場外時，機械臂將跟隨手術器械運動，使雙目視覺系統(tǒng)的有效視場能完全 覆蓋手術器械。其中，所述的雙目視覺系統(tǒng)的有效視場是指，在兩個攝像機均能拍到的區(qū)域 中，能夠實現(xiàn)對手術器械精確定位的區(qū)域。
[0012] 所述的機械臂自身舵機的位置關系，是由機械臂的每個舵機的轉動角度所確定 的，即機械臂運動后，可根據(jù)其每個舵機的旋轉角度確定整個機械臂的三維空間坐標；所述 的雙目視覺系統(tǒng)的空間位置，由機械臂上部運動端的舵機位置所確定。
[0013] 所述的空間坐標變換是指，把手術器械相對于雙目視覺系統(tǒng)的三維坐標和方向轉 換到絕對的三維空間坐標系中。
[0014] 本發(fā)明的工作原理：把雙目視覺系統(tǒng)固定于機械臂上部的運動端，確定雙目視覺 系統(tǒng)的有效視場和世界坐標系；由雙目視覺系統(tǒng)實時獲取手術器械在雙目視覺系統(tǒng)坐標系 下的坐標；機械臂跟隨手術器械運動，使雙目視覺系統(tǒng)的有效視場能完全覆蓋手術器械； 再次獲取手術器械在雙目視覺系統(tǒng)下的坐標，并根據(jù)空間坐標變換得到手術器械在世界坐 標系下的位置。以此重復，直到實現(xiàn)了在大視場下對手術器械的自動跟蹤定位為止。
[0015] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果：
[0016] 本發(fā)明使用機械臂控制雙目視覺系統(tǒng)運動，有效解決了雙目視覺系統(tǒng)有效視場 小、無法大范圍定位手術器械的問題，實現(xiàn)了在大視場下對手術器械的自動跟蹤和定位，在 手術導航領域有重要的應用價值。
【附圖說明】
[0017] 圖1為雙目視覺系統(tǒng)和機械臂的結構示意圖。
[0018] 圖2為圖像中標記點所在的不同區(qū)域劃分圖。
[0019] 圖3為系統(tǒng)跟蹤定位框圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0021] 實施例
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明的大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法通過如下步驟實 現(xiàn)：
[0023] (1)把雙目視覺系統(tǒng)固定于機械臂上部的運動端。初始化機械臂位置，為簡化后面 的坐標運算，使機械臂的上部轉軸A的中心位于下部轉軸B的中心的正上方，雙目視覺系統(tǒng) 由兩個近紅外攝像機以及固定他們位置的支架組成，兩攝像機光軸與地面水平，兩攝像機 的連線中心與機械臂轉軸A和B的中心在同一豎直線上，如圖1所示。以轉軸A的中心點 為原點，以兩攝像機連線方向為X軸，以豎直向上為Z軸建立直角坐標系作為世界坐標系G ; 以兩攝像機連線中點為原點，以連線方向為X軸，以豎直向上為Z軸建立直角坐標系作為雙 目視覺系統(tǒng)的參考坐標系S。此時兩坐標系的關系為G = S+T，T表示S相對于G的位置。
[0024] (2)在手術器械上固定若干標記點，同時，我們使用的雙目視覺系統(tǒng)的內外部參數(shù) 是已知的，所以當手術器械出現(xiàn)在雙目視覺系統(tǒng)的有效視場內時，就可以根據(jù)兩個攝像機 獲取的圖像上標記點的二維亞像素坐標來計算這些標記點在雙目視覺系統(tǒng)坐標系S下的 三維坐標，并根據(jù)空間坐標變換關系可以得到標記點在世界坐標系下的坐標，從而得到手 術器械在世界坐標系下的位置。
[0025] (3)當圖像上標記點的亞像素坐標提取后，可以根據(jù)這些亞像素點的坐標來控制 機械臂各個舵機的轉動角度使雙目視覺系統(tǒng)獲取最佳的跟蹤位置。如圖2所示，把一副圖 像分成ZpZdP Z 3三個區(qū)域。假設Z 2和Z i為攝像機的有效視場區(qū)域，當標記點全部在Z :內 時表示攝像機具有最佳視場角，無需移動雙目視覺系統(tǒng)；當標記點在Z2內時，說明標記點靠 近有效視場邊緣，為使手術器械不離開有效視場，此時讓雙目視覺系統(tǒng)根據(jù)標記點在Z2內 的位置進行小幅度移動調整；當標記點在Z3內時認為手術器械已經有一部分離開了有效視 場，需對雙目視覺系統(tǒng)進行較大幅度的移動調整。具體流程如圖3所示?？偟膩碚f，當標記 點位置靠近圖像上邊緣時，機械臂的舵機A將往上轉動；當標記點位置靠近圖像下邊緣時， 機械臂的舵機A將往下轉動；當標記點位置靠近圖像左邊緣時，機械臂的舵機B將往左轉 動；當標記點位置靠近圖像有邊緣時，機械臂的舵機B將往右轉動。
[0026] (4)本方案中雙目視覺系統(tǒng)的移動是通過機械臂的兩個舵機控制的。因此可以通 過獲取這兩個舵機的轉動角度來計算雙目視覺系統(tǒng)坐標系S與世界坐標系G之間的關系， 從而得到手術器械在世界坐標系下的位置。由于初始狀態(tài)下舵機A和B的轉軸分別為世界 坐標系G的X軸和Z軸，因此運動后的雙目視覺系統(tǒng)坐標跟初始化時的坐標關系可由簡單 的旋轉矩陣得到。繞坐標軸旋轉的旋轉矩陣公式如下：
【主權項】
1. 大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、使用機械臂控制雙目視覺系統(tǒng)運動來獲取大視場，在大視場下對手術器械進行 自動跟蹤； 步驟2、根據(jù)機械臂自身舵機的位置關系確定雙目視覺系統(tǒng)的空間位置； 步驟3、通過空間坐標變換對手術器械進行定位。
2. 根據(jù)權利要求1所述的大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，其特征在于：在步 驟1中，所述雙目視覺系統(tǒng)包括兩個攝像頭和支架，所述支架用于固定攝像頭的位置，所述 支架固定于機械臂上部的運動端，所述雙目視覺系統(tǒng)用于獲取手術器械在雙目視覺系統(tǒng)坐 標系下的三維坐標和方向。
3. 根據(jù)權利要求1所述的大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，其特征在于：在步 驟1中，所述機械臂控制雙目視覺系統(tǒng)運動是指：機械臂根據(jù)手術器械在雙目視覺系統(tǒng)坐 標系下的三維坐標和方向，通過改變自身舵機的轉動角度來改變位于其上部運動端的雙目 視覺系統(tǒng)在絕對空間中的三維坐標和方向；所述的在大視場下對手術器械的自動跟蹤是 指：手術器械的一部分移動到雙目視覺系統(tǒng)的有效視場外時，機械臂將跟隨手術器械運動， 使雙目視覺系統(tǒng)的有效視場能完全覆蓋手術器械。
4. 根據(jù)權利要求3所述的大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，其特征在于：所述 的雙目視覺系統(tǒng)的有效視場是指：在兩個攝像機均能拍攝到的區(qū)域中，能夠實現(xiàn)對手術器 械精確定位的區(qū)域。
5. 根據(jù)權利要求1所述的大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，其特征在于：在步 驟2中，所述機械臂自身舵機的位置關系，是由機械臂的每個舵機的轉動角度所確定的，即 機械臂運動后，可根據(jù)其每個舵機的旋轉角度確定整個機械臂的三維空間坐標；所述的雙 目視覺系統(tǒng)的空間位置，由機械臂上部運動端的舵機位置所確定。
6. 根據(jù)權利要求1所述的大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，其特征在于：在步 驟3中，所述空間坐標變換是指，把手術器械在雙目視覺系統(tǒng)坐標系下的三維坐標和方向 轉換到絕對的三維空間坐標系中。
【專利摘要】本發(fā)明公開了大視場下手術器械的自動跟蹤定位方法，包括以下步驟：步驟1、使用機械臂控制雙目視覺系統(tǒng)運動來獲取大視場，在大視場下對手術器械進行自動跟蹤；步驟2、根據(jù)機械臂自身舵機的位置關系確定雙目視覺系統(tǒng)的空間位置；步驟3、通過空間坐標變換對手術器械進行定位。本發(fā)明有效解決了雙目視覺系統(tǒng)有效視場小、無法大范圍定位手術器械的問題，具有實現(xiàn)了在大視場下對手術器械的自動跟蹤和定位等優(yōu)點。
【IPC分類】A61B19-00
【公開號】CN104739514
【申請?zhí)枴緾N201510111218
【發(fā)明人】楊榮騫, 關沛峰, 林欽永, 司璇, 肖偉虎, 陳秀文
【申請人】華南理工大學
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月13日