[发明专利]基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法及装置

权利要求书

1.基于光学跟踪探针划取点的手术导航空间配准方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)利用一个通用的人面部模板，通过模板匹配方法以剔除图像空间中冗余的表面数据；

(2)使用光学跟踪探针在真实人面部取点，并提出一个约束指标，以重建均匀的人面部轮廓；

(3)通过粗到精的增量点云配准方法以及配准约束指标，约束所采集点云的完整性和配准结果的正确性，最终将图像空间与真实空间精确对齐；

所述步骤(2)中，人的面部点云是由光学跟踪探针在人面部划动收集得到的，并且人的皮肤表面是从术前CT影像中分割并重建得到的；利用一个标准化模板分割出人面部相对较硬的区域用于配准，同时在拾取点云和精配准步骤分别加入约束条件，以提高算法的鲁棒性；4PCS算法将两个点云配准，以获得良好的初始姿态；

然后执行ICP算法，以得到最佳的姿态矩阵，这通过最小化公式(1)来实现：

其中，R和t为能够最小化两个点云之间欧氏距离的旋转矩阵和平移向量；p_i和q_i分别表示两个点云中第i个相对应的点；

所述步骤(2)中，点拾取与点云配准同步进行，随着所拾取点的增加，真实人的面部轮廓逐渐被重建出来；在拾取过程中，用最近点距离来约束NPD点拾取和添加过程，以保证所重建点云的均匀性；NPD约束与点云配准中的3个约束指标共同构成完整的约束条件，只有当这4个约束全部被满足时，才认为当前点拾取和配准结果是最佳的；

对划取点云过程添加了NPD约束，定义当前拾取的点集为Q，含有N个点，对于即将添加的第N+1个点q_N+1，利用公式(8)检测其是否满足NPD约束：

其中，d(q_N+1,Q)表示点q_N+1到Q中所有点的最近距离；为预先设定的距离阈值；若该式成立，则将新拾取的点q_N+1添加到点集Q中，否则丢弃；

所述步骤(3)中，与点云配准中的3个约束指标分别是覆盖率CR、奇异点占比OR和表面配准误差SRE；当这3个约束指标全部被满足时，则当前点集拾取和配准过程结束，得到最佳的空间配准矩阵；4PCS算法被用来执行粗配准，以获得两组点集之间良好的初始姿态；ICP算法被用来执行精配准，以进一步提高配准精度；

CR反映了所拾取点集覆盖目标区域的比例，用于评价划取范围是否可靠，目标区域指T模板所截取的点集P^*，给定点到点集的距离阈值将所划取的点集划分为局内点和局外点，局内点集定义为：

其中，T′表示当前配准结果；表示利用T′将P^*和Q对齐后与点集Q的最近距离；N_P为点集P^*中点的个数；则CR的定义表示为：

与CR不同，OR反映了所拾取点集中局外点的占比，用于判断当前配准结果是否陷入局部最优，给定点到点集的距离阈值则所拾取点集中的局外点Q_outlier和OR被定义如下：

SRE被用来评估导航中表面配准的精确度，表示所拾取点集Q中每一个点到点集P^*的最小距离的平均值，SRE定义为：