[发明专利]基于图像特征的腹腔环境地图重建与腹腔镜定位的方法

说明书

本发明提供了一种基于图像特征的腹腔环境地图重建与腹腔镜定位的方法。所述方法是以前、后帧图像特征为基础，根据真实内窥镜图像序列进行光流分析设计，运用ORB‑SLAM(Oriented FAST and Rotated BRIEF‑SLAM基于改良型FAST特征点检测法及BRIEF描述子组合的同时定位与地图构建)的方法，实现内窥镜在腹腔中的实时定位和手术场景的重建，提高导航的精确性，精确地指引手术进程，提高手术成功率，有利于腹腔镜胃肠手术的应用和推广。

技术领域

本发明属于有微创外科学、计算机辅助医学、影像学等领域，涉及一种基于图像特征的腹腔环境地图重建与腹腔镜定位的方法，适用于胃癌腔镜手术实时导航系统。

背景技术

胃癌是我国常见的肿瘤之一，根治性切除是其主要的治疗手段。腹腔镜技术因其创伤少、且有助于术后恢复等特点，在胃肠外科领域上的应用越来越多。然而腹腔镜存在管状视野、缺少触觉及纵深感等自身特有的局限性，而且胃周血管走行复杂，解剖变异较多，术中淋巴结清扫引起的血管损伤是腹腔镜胃癌手术严重并发症之一，也是导致非计划二次手术的重要原因，使得这项技术的推广受到了一定的限制。

随着计算机辅助技术的发展，三维重建技术可作为术中导航，使术者对腹腔镜下解剖信息辨别具有重要的补充意义。但其形式属于一种“静态”导航。得益于光学定位技术的研发和应用，导航由“静态”向“动态”的转变成为了可能。其原理是通过光学定位技术捕捉固定在腹腔镜外端的标记点来计算镜头的位置和姿态，来获得手术视野在术前影像中的对应信息，在术中实时将内窥镜的位置在手术场景模型中进行定位，从而达到实时导航的效果。光学定位具有测量精度高、范围广等优点，但其仅能实现粗略的场景匹配，而且腹腔镜胃肠手术具有组织脏器不固定且易形变等特点，光学定位达不到精准的配准。鉴于此，以前、后帧图像特征为基础，根据内窥镜图像序列进行光流分析设计基于图像特征的腹腔镜姿态估计系统，在此基础上通过单目相机稠密重建来重建腹腔的环境地图，实现内窥镜在重建手术场景中的实时定位，作为辅助信息为医生提供准确和有效的导航信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图像特征的腹腔环境地图重建与腹腔镜定位的方法，该方法是以前、后帧图像特征为基础，根据内窥镜图像序列进行光流分析设计，实现同时定位与地图构建(Simultaneous Localization and Mapping，简称SLAM)，能有效克服形变组织的匹配难题，提高胃癌腔镜手术实时导航系统的精确性，精确地指引手术进程，提高手术成功率，有利于腹腔镜胃肠手术的应用和推广。

本发明所述的基于图像特征的腹腔环境地图重建与腹腔镜定位的方法包括以下步骤：

(1)确定腹腔镜的内部参数与畸变参数。

内部参数简称“内参”，可包括：焦距、主点以及像素大小。一般腹腔镜厂商会提供内参。如果没有提供腹腔镜的内参，可以采用张正友标定法(Zhang Z.A Flexible NewTechnique for Camera Calibration[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis&Machine Intelligence,2000,22(11):1330-1334.)来标定腹腔镜内参与畸变参数。

(2)采集内窥镜实时图像。

(3)根据ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征提取相邻帧的特征点并进行匹配和筛选。