[发明专利]一种基于3D打印的盆腔仿真微创手术视觉导航验证方法

说明书

本发明涉及一种基于3D打印的盆腔仿真微创手术视觉导航验证方法。该方法该方法提供具有类似真实纹理的仿真骨盆模型用来做盆腔手术的仿真；而后，基于颜色一致性的配准算法使3D模型与仿真模型快速重叠；最后，基于立体视觉的内窥镜跟踪算法来验证视觉导航的准确性。本发明为微创手术的模拟训练提供真实场景；通过此场景，可以验证微创手术中的视觉定位算法的准确性；提出可视点快速查找法和颜色一致性的配准算法应用于跟踪开始阶段，提高了3D模型与仿真模型的重叠效率；虚实模型之间的重叠显示增强了视觉效果，并为视觉定位跟踪算法的准确性提供验证方法。

技术领域

本发明涉及微创外科手术的视觉导航技术领域，具体为一种基于3D打印的盆腔仿真微创手术视觉导航验证方法。

背景技术

微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快的优越性,在临床中受到广泛的欢迎.通过内窥镜等监控系统,医生可以通过小孔在人体内施行手术,对人体伤害小,达到理想的手术效果.在传统的盆腔微创手术导航中,医生通过从术前影像(如CT、MRI等)来确定病灶的位置并规划手术实施方案，通过内窥镜从微小的孔洞获取即时的手术视觉信息,引导手术的推进。然而，内窥镜只提供狭窄的二维视觉信息,由于人体内部器官组织错综复杂,很难根据当前二维视觉信息获取当前手术刀在人体当中准确的位置,有可能造成手术刀“迷路”.如果不能准确找到病灶部位, 容易造成癌变组织的切少或者正常组织切除过多,造成肿瘤残留或者对器官功能的过多破坏，极大降低手术效果。因此，临床医生对术中借助先验知识的视觉导航有着急切的需求。

由于术前图像(CT或MRI)等模态影像有较高的分辨率和视觉效果，利用术前影像重建的3D 模型逐渐被应用于各类手术导航当中，但如何实现重建的3D模型与手术画面中目标区域以正确的姿态实时重叠融合成为导航技术的难点。

目前已经不同形式的手术导航技术应用于手术当中，其中视觉导航是一研究热点。通过内窥镜画面来定位跟踪内窥镜姿态，从而实时更新3D模型，以达到虚实融合的效果，来增强视觉效果和引导手术进行。但是由于微创手术的内窥镜真实轨迹很难获取，无法验证跟踪算法的准确性。若3D模型与手术画面目标区域重叠的程度受其3D模型重建的精度以及内窥镜定位的精度影响，若重叠越好，视觉导航的精度就越高。因此，3D模型与手术画面目标区域的重叠程度是视觉导航成功应用于微创手术导航的基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于3D打印的盆腔仿真微创手术视觉导航验证方法，该方法提供具有类似真实纹理的仿真骨盆模型用来做盆腔手术的仿真；而后，基于颜色一致性的配准算法使3D模型与仿真模型快速重叠；最后，基于立体视觉的内窥镜跟踪算法来验证视觉导航的准确性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3D打印的盆腔仿真微创手术视觉导航验证方法，包括如下步骤，

S1、根据患者CT影像分割骨盆区域，重建骨盆3D模型，将3D模型导入3D打印设备，打印获得骨盆打印模型，而后为3D模型涂上各种手术血肉颜色，形成具有纹理的仿真骨盆模型；

S2、模拟真实手术过程中内窥镜的运动，利用双目相机拍摄在仿真骨盆模型进行模拟微创手术的内窥镜视频；

S3、对双目相机进行单目相机标定和立体标定，获得左右相机的内参数矩阵、左右相机的畸变矩阵、相机拍摄图像的宽高，左右内窥镜相对姿态；

S4、根据3D图形透视投影原理，将左右相机的内参数矩阵转换成左右视图的投影矩阵，而后将步骤S1重建的骨盆3D模型分别按左右视图的模型视图投影矩阵渲染到屏幕上；其中，左右视图的模型视图投影矩阵由左右视图的投影矩阵与左右相机的视图矩阵相乘得到；

S5、在视频里的手术开始阶段，利用基于颜色一致性的配准原理估计左视图的初始视图矩阵，使步骤S1重建的骨盆3D模型完全重叠到手术画面的无畸变图像中的仿真骨盆模型，然后内窥镜开始运动，基于立体视觉的跟踪算法来估计相机运动姿态，从而更新骨盆3D模型的视图矩阵，通过观察骨盆3D模型在左右视图与仿真模型的重叠程度来验证跟踪算法的准确性。