[发明专利]一种基于径向样条插值的软组织三维视觉跟踪方法

说明书

技术领域

本发明属于视觉跟踪技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于径向样条插值的软组织三维视觉跟踪方法。

背景技术

近年来，以内窥镜手术为代表的微创手术越来越多的用于临床医疗。在这类手术中，医生通过观察探入内窥镜反馈回的实时影像，操控微创手术器械完成复杂的心脏外科手术。

以脱泵冠脉搭桥术(off pump CABG)为例，这种心脏不停跳的手术可使患者摆脱人工心肺机，降低体外循环对患者身体的损害，降低并发症的风险，缩短患者的康复时间。但是由于直接视觉的缺失，手术医生无法准确、直观的感知跳动心脏表面手术区域的三维运动，这给完成复杂精细的手术操作带来困难。

为了给手术医生提供实时、准确的软组织三维运动信息，国外学者尝试利用各种传感器跟踪软组织的三维运动。由于微创手术空间狭小，无法植入大型三维扫描设备，人体软组织结构复杂又含较多的非线性形变，软组织三维跟踪成为医学工程领域中的难点。在不需要额外测量设备，基于立体内窥镜的软组织三维视觉跟踪逐渐受到科研和临床界的重视。W.Lau等在文献《Stereo-based endoscopic tracking of cardiac surface deformation》中利用B样条模型基于立体内窥镜影像对心脏表面形变进行三维跟踪，D.Stoyanov等在文献《A practical approach towards accurate dense 3-D depth recovery for robotic laparoscopic surgery》中则使用分片双线性映射模型在机器人辅助内窥镜手术中对心脏表面进行三维重构和跟踪，R.Richa等在文献《Three-dimensional motion tracking for beating heart surgery using a thin-plate spline deformable model》中使用薄板样条模型跟踪跳动心脏表面的运动。

然而，上述方法中所采用的形变模型通常较为复杂，很难实时应用；同时由于模型较复杂，在每一帧模型参数求解时，往往无法获得最优的参数解，甚至导致迭代求优算法无法收敛，最终导致跟踪失败。而现有的简单形变模型，如线性仿射变换模型，在用于跟踪时通常可以满足实时性要求，但由于无法准确描述软组织表面的非线性形变，因而无法获得精确的三维跟踪结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于径向样条插值的软组织三维视觉跟踪方法，通过构造了一种低复杂度的非线性空间形变模型，可以在每一帧快速的求解出模型参数，实现对软组织目标区域实时、准确的三维视觉跟踪。

为实现上述发明目的，本发明一种基于径向样条插值的软组织三维视觉跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将立体内窥镜获取的首帧k＝1左图像记为I_L1；

(2)、确定三角形目标区

在左图像I_L1中，确定需要跟踪的三角形目标区，其三个顶点的像素坐标分别用二维列向量表示为：m_a，m_b和m_c；在三角形目标区内包含的N个像素点，其坐标分别记为：m₁,m₂,...,m_N；

(3)、保存跟踪模板

从左图像I_L1中提取目标区内N个点的像素值，按顺序排列并保存为N维行向量，记为：

T＝[I_L1(m₁) I_L1(m₂) ... I_L1(m_N)]

其中，I_L1(m_n)为左图像I_L1中像素点m_n(n＝1,2,…,N)的像素值；

(4)、根据步骤(2)确定的三角形目标区，构造径向样条插值三维形变模型；

(4.1)、构造模型的设计矩阵

其中，三维列向量λ_n(n＝1,2,...,N)为m_n在三角形目标区中的重心坐标，由下式获得：

λ_o为三角形目标区外接圆圆心的重心坐标，由下式获得：