[发明专利]大视场下手术器械的自动跟踪定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种手术导航技术，特别涉及一种大视场下手术器械的自动跟踪定位方法。

背景技术

手术导航中的光学定位设备一般是由两个定焦摄像机固定在一个支架上，形成一个固定的有效视场，手术器械必须在摄像机的有效视场范围内运动才能被定位。这是影响光学定位技术使用的一个重要因素。

目前，在双目视觉系统中主要使用广角镜头来获取大视场，但这种用广角镜头获取的图像畸变较大，对手术器械的三维坐标计算误差也会随之增大。另外，对于同样的CCD像素情况下，广角镜头获取更大的场景，则相同被测物在图像中所占的像素大大减少，从而也增大了测量误差。因此，扩大双目视觉系统的有效视场对光学定位技术的发展有着重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种大视场下手术器械的自动跟踪定位方法，该自动跟踪定位方法有效解决了双目视觉系统有效视场小、无法大范围定位手术器械的问题，实现了在大视场下对手术器械的自动跟踪和定位，在手术导航领域有重要的应用价值。

本发明的目的通过下述技术方案实现：大视场下手术器械的自动跟踪定位方法，包括以下步骤：

步骤1、使用机械臂控制双目视觉系统运动来获取大视场，在大视场下对手术器械进行自动跟踪；

步骤2、根据机械臂自身舵机的位置关系确定双目视觉系统的空间位置；

步骤3、通过空间坐标变换对手术器械进行定位。

所述的双目视觉系统，主要由两个摄像头以及固定它们位置的支架组成，并固定于机械臂上部的运动端，用于获取手术器械在双目视觉系统坐标系下的三维坐标和方向。

所述的机械臂控制双目视觉系统运动是指，机械臂根据手术器械在双目视觉系统坐标系下的三维坐标和方向，通过改变自身舵机的转动角度来改变位于其上部运动端的双目视觉系统在绝对空间中的三维坐标和方向。

所述的在大视场下对手术器械的自动跟踪是指，手术器械的一部分移动到双目视觉系统的有效视场外时，机械臂将跟随手术器械运动，使双目视觉系统的有效视场能完全覆盖手术器械。其中，所述的双目视觉系统的有效视场是指，在两个摄像机均能拍到的区域中，能够实现对手术器械精确定位的区域。

所述的机械臂自身舵机的位置关系，是由机械臂的每个舵机的转动角度所确定的，即机械臂运动后，可根据其每个舵机的旋转角度确定整个机械臂的三维空间坐标；所述的双目视觉系统的空间位置，由机械臂上部运动端的舵机位置所确定。

所述的空间坐标变换是指，把手术器械相对于双目视觉系统的三维坐标和方向转换到绝对的三维空间坐标系中。

本发明的工作原理：把双目视觉系统固定于机械臂上部的运动端，确定双目视觉系统的有效视场和世界坐标系；由双目视觉系统实时获取手术器械在双目视觉系统坐标系下的坐标；机械臂跟随手术器械运动，使双目视觉系统的有效视场能完全覆盖手术器械；再次获取手术器械在双目视觉系统下的坐标，并根据空间坐标变换得到手术器械在世界坐标系下的位置。以此重复，直到实现了在大视场下对手术器械的自动跟踪定位为止。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明使用机械臂控制双目视觉系统运动，有效解决了双目视觉系统有效视场小、无法大范围定位手术器械的问题，实现了在大视场下对手术器械的自动跟踪和定位，在手术导航领域有重要的应用价值。

附图说明

图1为双目视觉系统和机械臂的结构示意图。

图2为图像中标记点所在的不同区域划分图。

图3为系统跟踪定位框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的大视场下手术器械的自动跟踪定位方法通过如下步骤实现：

(1)把双目视觉系统固定于机械臂上部的运动端。初始化机械臂位置，为简化后面的坐标运算，使机械臂的上部转轴A的中心位于下部转轴B的中心的正上方，双目视觉系统由两个近红外摄像机以及固定他们位置的支架组成，两摄像机光轴与地面水平，两摄像机的连线中心与机械臂转轴A和B的中心在同一竖直线上，如图1所示。以转轴A的中心点为原点，以两摄像机连线方向为X轴，以竖直向上为Z轴建立直角坐标系作为世界坐标系G；以两摄像机连线中点为原点，以连线方向为X轴，以竖直向上为Z轴建立直角坐标系作为双目视觉系统的参考坐标系S。此时两坐标系的关系为G＝S+T，T表示S相对于G的位置。