[发明专利]一种用于手术导航的高精度光学定位系统

摘要

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。

主权项

1.一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；其特征在于：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、主动式定位器，所述主动式定位器内部设置有标记点和医学影像工作站；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；所述软件模块是基于所述高精度光学定位系统平台，并且以计算机为载体的软件驱动；以所述双目视觉系统为平台，采用基于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；基于所述高精度光学定位系统平台的操作包括如下步骤：1)、点击手术导航术中处理菜单，会弹出两个选项：标定以及匹配和反投影，它们分别对应两个对话框，用于进行标定和立体匹配的界面操作；2)、点击按钮“角点检测”，对标定板进行角点检测，当两个显示框中都能完全检测到标定板的角点时，点击按钮“保存图像和标定”；所述角点检测方法是基于Hilbert变换的角点检测方法，s(t₁,t₂)是一个实可积函数，则它的Hilbert变换为：其中，p.v.是可积函数的主值，*是卷积操作符，的傅里叶变换可表示为：其中，S(ω1,ω2)是函数s(ω1,ω2)的傅里叶变换，且有：于是，获取标定板图像后，将其进行Hilbert变换，就可得到峰值图像，通过峰值检测算法找到每一个峰值所在的位置，从而可获得角点的精确坐标；所述峰值检测算法是采用脊检测方法，I(x,y)为图像中点(x,y)的灰度值，则对于图像的一个二维抛物面拟合式为：I(x,y)＝a+bx+cy+dx2+ey2+fxy则脊的十字交汇点位置即灰度峰值的坐标为：3)、点击“LoadImage”和“Load_right”按钮，分别装载左右两幅待匹配的图像，图像显示在对话框上方的两个图像控件中；4)、点击按钮“Img_stack”将两幅图像按从左到右的顺序组成一幅图像并且显示在对话框中间的图像控件中；5)、点击按钮“InitializeM1M2”用来将标定得到的标定参数导入，用于求标记点的空间坐标；6)、点击按钮“Match_image”用来对两幅图像中的标记点进行匹配并求出其在控件中的坐标，标记点的在左右两幅图中的质心坐标以及在控件中的坐标显示在对话框的下方；采用基于极线约束的绝对灰度差分和匹配算法对标记点质心进行匹配；首先将左右两边的图像进行极线校正，极线校正之后，左右两幅图像之间的对极线都已经位于同一条扫描线上，两幅图像中的对应点的纵坐标相同，只存在水平方向上的差异，这个差异就是两个相互匹配的点之间的视差；对校正后的左边图像进行图像分割，获得标记点的轮廓，并求取轮廓的半径和质心；对于每一个求得的质心(x1,y1)，以该质心为中心，将所对应的标记点直径作为边长，作一个矩形窗口，求该矩形窗口中所包含像素点的灰度值总和，记为Sleft；然后，在右边图像中的同一条对极线上创建同样大小的窗口，确定一个搜索范围x∈[d1,d2]；在搜索范围内移动所述右边图像中的同一条对极线上创建同样大小的窗口，计算所述右边图像中的同一条对极线上创建同样大小的窗口中所包含像素点的灰度值之和Sright，取ψ(x)＝|Ssright‑Sleft|；当x∈[d1,d2]时，取当ψ(x)最小值时x的值xd，则右边图像中与质心相匹配的点的坐标为(x1‑xd,y1)；然后依次对剩下的标记点采用同样的方法，将两幅图像中标记点的质心进行一一匹配。