[发明专利]一种用于手术导航的高精度光学定位系统

说明书

本发明公开了一种用于手术导航的高精度光学定位系统，包括高精度光学定位系统平台以及驱动高精度光学定位系统平台的软件模块；所述高精度光学定位系统平台包括带有两个摄像头的双目视觉系统、主动或被动式定位器、标记物和医学影像工作台；在所述高精度光学定位系统平台上还安装有四个发光彩灯作为标记点；所述双目视觉系统的摄像头采用PAL信号输出，并通过视频端口与医学影像工作站相连。采用基于Hilbert变换的脊检测方法进行角点亚像素提取，同时采用极线约束的绝对灰度差分和匹配算法进行立体匹配。实验表明，该系统具有稳定、可靠、成本低、标定方法简单、匹配准确和定位精度高等特点，能够满足外科手术导航的要求。

技术领域

本发明涉及一种用于手术导航的光学定位系统，具体为一种用于手术导航的高精度光学定位系统，属于医疗设备领域。

背景技术

手术导航是现代影像技术、立体定向技术与先进的计算机技术有机结合的成果。手术导航系统是用于神经外科、耳鼻喉科、矫形科等微创手术的辅助设备。它对于提高手术定位精度、减少手术损伤、优化手术路径以及提高手术成功率等都具有十分重要的意义。通常，手术导航整个系统包括医学影像工作站，以及一套与之相连的空间定位装置。目前，医学影像的采集和处理部分在我国国内能够进行自主研发，而空间定位系统则完全依赖国外进口。由于进口空间定位设备的价格高居不下，严重阻碍了手术导航技术在我国的发展。本文的目的是研发一种定位精确、性能稳定、价格适中的光学三维定位系统，发展适合中国国情的手术导航产品，让国内大多数医院能拥有此项先进技术。

光学空间定位系统通过摄像机观察目标，获取目标图像，在此基础之上根据立体视觉原理重建出目标的三维空间位置。根据被观察目标是否有源，可大致分为被动式和主动式。被动光学定位系统使用反射标记物作目标点。目标点反射光线并成像到传感器。将几个此类标记物安装在手术器械上，便可推算出手术器械的位置和方向。这种典型系统的定位精度可达1mm，它主要受限于光学镜头的成像质量和视频图像的分辨率。这种定位系统安装和操作灵活方便，被观察的对象无须导线的连接，更换手术器械方便。但是相对来说追踪能力不及主动工具，另外被动工具需要配置昂贵的反射球。目前国外已开发出的系统有RokeManor Research公司的VISLAN系统、Bioengineering Technology&System公司的ELITE系统、Oxford Metrics公司的VICON系统和德国BrainLab公司的Vector Vision系统等。

主动光学定位系统通常将一组发光二极管安装在刚体上，发光二极管按特定的顺序发射红外光，摄像机接受信号，根据发光二极管的发光顺序和在摄像机敏感元件上的成像位置可以确定发光二极管的空间位置。确定了发光二极管的空间位置后就可以推知刚体的空间位置和运动情况。由于它主动发射信号，因而精确度相对较高，追踪过程较稳定。最大的缺点就是带有供电电缆，操作不便。目前国外的NDI公司的Optotrak 3020系统是经典代表，精度最高可达0.1mm。为了使医生操作更加方便，不少国外厂家已经开始通过在工具中安装电池供电使其变为主动工具。例如Stryker公司的InstaTrak3500 Plus系统等。而对于红外线光学定位系统，主要的产品有NDI公司的Polaris定位跟踪系统和Optotrack定位器，Image Guided Technology公司的Flashpoint 5000，Sulzer Medical公司的Navitrackr电磁和光学结合的系统等。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述问题而提供一种用于手术导航的高精度光学定位系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种用于手术导航的高精度光学定位系统，包括高精度光学定位系统平台以及驱动高精度光学定位系统平台的软件模块；所述高精度光学定位系统平台包括带有两个摄像头的双目视觉系统、主动或被动式定位器、标记物和医学影像工作台；

在所述高精度光学定位系统平台上还安装有四个发光彩灯作为标记点；所述双目视觉系统的摄像头采用PAL信号输出，并通过视频端口与医学影像工作站相连；