CN101108140A - 一种用于图像导航手术系统的标定模及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像导航手术系统的标定模及标定方法，本发明包括固定成像设备、跟踪系统和标定模，标定模包括标定模本体、至少三个不共线的特征标记物、平板和至少三个不共线的示踪物。标定方法如下：求取特征点集I与特征点集II间的几何关系；将标定模放入成像设备成像区域；设置成像设备的扫描参数；扫描并获取图像，并进行适当的校正；根据所获取的图像，求出各图像在成像坐标系中的坐标；通过跟踪系统获得标定模上的参考坐标系矩阵

和世界坐标系在跟踪系统下的矩阵

；根据

求得

。由于本发明提供了一种标定图像导航手术系统的方法，所以医生能精确确定病灶和手术器械的位置，缩短了手术时间。本发明可广泛应用于外科手术系统。

Description

一种用于图像导航手术系统的标定模及标定方法

技术领域

本发明涉及一种标定模及标定方法，特别是关于一种用于图像导航手术系统的标定模及标定方法。

背景技术

在某些传统的手术中，病灶不能直接用肉眼观察，例如不开刀的微创手术或者无创手术，或者不方便用肉眼观察，例如脑部神经外科手术，医生只能凭借肉眼观察病灶的图像，凭经验将手术器械放置到目标位置，这种方式造成的手术器件和病灶部位定位之间的误差，会拖延手术的时间，影响手术的质量，特别是这种误差有时会给患者带来不必要的痛苦和损伤。手术导航系统是在医学影像设备，包括磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C型臂、X线设备、超声波成像系统等，所成图像的引导下，利用跟踪系统测量手术器械的位置，从而可以把病灶的图像和虚拟手术器械融合并显示在屏幕上，帮助医生精确定位病灶和手术器械的位置，并观察病灶周围的器官和组织，帮助医生避开重要的器官和组织，将手术器械安全地放置到预定地点，以便完成治疗。手术导航设备进入外科并用计算机改进或完善了外科医师的能力以进行各项操作，在一定程度上降低了外科治疗所造成的损伤，缩短了手术时间。最新的导航技术是将病灶图片和虚拟的手术器械放到同一个坐标系下观测，即显示在同一个工作屏幕上(如液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的显示器材)，并且屏幕上两者的相对位置和实际的病灶与手术器械的相对位置相同，从而医生可以通过观察屏幕既能看到病灶，也能看到手术器械，进而准确而快速地将手术器械放置到目标位置。图像导航手术实现的关键在于：建立固定成像设备坐标系与手术器械坐标系之间的转换关系，为实现这一坐标转换，需要借助一个标定装置，建立转换关系的过程被称为导航系统的标定。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于图像导航手术系统的标定模及标定方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于图像导航手术系统的标定模，其特征在于：它包括标定模本体，在所述本体内设置有至少三个不共线能够被成像设备识别组成标志特征点集I的特征点，在所述本体的外表面设置有至少三个不共线能够被跟踪系统跟踪组成示踪特征点集II的特征点，特征点集I与特征点集II的位置关系已知。

所述特征点集I的特征点为三个，其分别位于所述本体的同一平面内。

所述特征点集I的特征点为四个，其不对称地位于所述本体的两个侧面内，两两对角、且两侧相互交错。

所述特征点集I的特征点为设置在所述本体内安装孔中的特征标记物，所述标记物内设置有可被成像设备识别的物质，所述标记物呈中心对称的立体形状；所述特征点集II的特征点为在所述本体一侧外表面不对称设置的三个或四个示踪物。

一种用标定模进行图像导航手术系统的标定方法，其在固定成像设备、跟踪系统的基础上建立一个世界坐标系，并用标定模进行以下标定步骤：(1)根据标定模上特征点集II构成的参考坐标系在测量设备内的矩阵关系C_ref ^coord以及标定模上特征点集I在所述测量设备内的坐标T_i，I ^coord，得到所述特征点集I内的每个特征点在所述参考坐标系下的坐标T_i ^ref，即所述特征点集I与所述特征点集II间的几何关系T₁ ^ref、T₂ ^ref、…、T_n ^ref；(2)将所述标定模放入成像设备成像区域；(3)设置所述成像设备的断层扫描图像的位置、扫描方向、扫描的层厚度和扫描层数；(4)对标定模进行扫描，获取图像并校正，所述每幅图像为包含了所述特征点集I中所有标志物的断层图像；(5)根据所述特征点集I中各特征点所对应的标志物在步骤(4)所获得各图像上位置关系，得到所述各特征点在成像设备内的坐标T₁ ^scan、T₂ ^scan、…、T_n ^scan；(6)通过所述跟踪系统获得所述参考坐标系矩阵C_ref ^track和所述世界坐标系在所述跟踪系统下的矩阵C_world ^track；(7)将C_ref ^track、C_world ^track，T₁ ^ref、T₂ ^ref、…、T_n ^ref，T₁ ^scan、T₂ ^scan、…、T_n ^scan代入公式 $C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_i^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_i^{\mathrm{ref}}$ 中，得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_1^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_1^{\mathrm{ref}}\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_2^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_2^{\mathrm{ref}}\\ {......}^{}\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_n^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_n^{\mathrm{ref}}\end{array}\right.$

解线性方程组，求得C_scan ^world。

所述断层扫描序列参数设定遵循如下原则：图像扫描中心和层厚的设定保证能够将所述标定模内所有标志物体包含在一幅扫描图像中；至少扫描2次，且任意两次扫描方向互不平行。

由所述特征点集II构成所述参考坐标系：从所述特征点集II中表示特征点的各示踪物中任意选择三个不共线的示踪物，从中任取一个所述示踪物并以其中心作为原点，以所述原点指向另外一个所述示踪物的射线为X轴，以垂直X轴并指向第三个所述示踪物的射线为Y轴，以垂直所述特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。

所述参考坐标系的X、Y、Z轴采用测量设备坐标系的归一化向量V_x、V_y、V_z表示：

$V_x=\mathrm{norm}(T_{4,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})$

$V_z=\mathrm{norm}(T_{4,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})\×\mathrm{norm}(T_{2,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})$

V_y＝V_z×V_x

其中，norm表示向量的归一化，T_i，II ^coord表示所述特征点集II中第i个特征点在所述测量设备内的坐标；所述参考坐标系在所述测量设备内的矩阵为：

$C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{coord}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_z& C_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}\end{array}\right],$ 求得 $T_i^{\mathrm{ref}}={\left(C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{coord}}\right)}^{-1}*T_{i,I}^{\mathrm{coord}}.$

所述标定模的一个标志物体在所述成像设备空间内平面A上所成图像为I(x，y)，则所述标志物体在所述平面A的投影a的几何中心O_a(x_c，y_c)在图像坐标系下的坐标由如下公式表示：

$M_{00}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}I(x,y),$ I(x，y)＞threshold

$M_{10}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{xI}(x,y),$ I(x，y)＞threshold

$M_{01}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{yI}(x,y),$ I(x，y)＞threshold

$x_c=\frac{M_{10}}{M_{00}},$ $y_c=\frac{M_{01}}{M_{00}};$

所述图像I(x，y)的每个象素之间的距离在所述成像设备坐标系下表示为p，则所述图像坐标系在所述成像设备坐标系下的表示为 $C_I^{\mathrm{Scan}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_z& V_o\end{array}\right],$ 所述O_a在所述成像设备坐标系下的坐标为 $V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}}=x_c*p*V_x+y_c*p*V_y+V_0,$ 通过所述标志物的几何中心和所述标志物的投影中心的直线方程可以表示为：

$(V-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0,$ Tiscan为所述直线上一点，则 $(T_i^{\mathrm{scan}}-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0;$ 设置互不平行的扫描平面m个，且m≥2，任意一个所述标志物都获得m条通过所述标志物体几何中心的直线方程，所述m个直线方程构成的线性方程组的解即为所述标志物在所述成像设备内的坐标，其中，V_o表示所述图像坐标系原点在所述成像设备内的坐标，threshold为所述图像进行二值化的阈值，V为所述直线上任意一点的坐标；采用上述方法，求得所述特征点集I中所有特征点在所述成像设备内的坐标T_i ^scan。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在标定模本体内设置了能够被成像设备成像并分析得到的特征点集I，在标定模本体表面设置了能够通过示踪器系统识别测量得到特征点集II，同时由于特征点集I与特征点集II之间的关系确定，因此只要知道其中一个特征点集中特征点的坐标，就能推算出另一特征点集中特征点的坐标，通过它们之间的关系便可以建立成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系，实现本发明进行标定和坐标系变换的目的。2、本发明同时还提供了一种采用上述标定模的图像导航手术系统的标定方法，可以使医生能够精确确定病灶和手术器械的位置，有效地提高了手术效果。3、由于本发明中的手术导航设备利用计算机改进或完善外科医师的能力，所以有助于医生实时监控定位和定向、制定治疗计划以及提供最佳进入路径等各项操作，同时可以在手术中避开重要的器官和组织。4、由于本发明中的手术导航设备实现的准确定位，使得在一定程度上降低了外科治疗所造成的损伤，缩短了手术时间。4、由于本发明通过增大扫描层厚使一幅图像包含了全部标志物体，因此可以减少扫描次数，同时也避免了定位标志物体的麻烦。本发明可广泛应用于外科手术系统。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是与图1相对一面的结构示意图

图3是本发明设置有平板一侧的正视示意图

图4是本发明本体结构示意图

图5是本发明平板结构示意图

图6～8本发明特征点集I分布示意图

图9～11本发明特征点集I另一种分布示意图

图12是本发明特征点集II分布示意图

图13是本发明中图像导航手术系统的各坐标系

图14是本发明中标定模参考坐标系示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

本发明图像导航系统涉及到的硬件设备包括固定成像设备1、跟踪系统2和标定模10，为实现本发明的标定方法，本发明提供一种新型的标定模10。

如图1～5所示，本发明的标定模10包括一由尼龙材料或其它材料制成的长方形标定模本体11，在本体11的两相对的侧面，相互交错的对角上不对称地设置四个安装孔12，即在本体11的一个侧面对角地设置两个安装孔12，在本体11另一个侧面对角地设置另两个安装孔12，四个安装孔12不对称地设置在四个角上。在每一个安装孔12中通过粘接或其它方式连接一个特征标记物13。四个特征标记物13的四个中心构成标志特征点集I的四个特征点I1、I2、I3、I4。在本体11的设置安装孔2以外的一个侧面通过螺钉14固定一平板15，在平板15的四个角上不对称地设置有四个特征示踪物16，四个特征示踪物16的四个中心构成示踪特征点集II的四个的特征点II1、II2、II3、II4。

上述实施例中，可以在本体11的顶部设置有一提手17，以提拿使用方便。在本体11的两侧面可以分别设置一个盖板18将两侧封闭，使本发明的整体更加完善。

上述实施例中，特征点集I的四个特征标记物13可以是空心的球体、方体、椭球体、圆柱体、长方体等中心对称的立体形状(下面以空心球体为例说明)，四个空心球体内分别充入固定成像设备1可识别的物质，该物质可以是植物油、硫酸铜溶液等。特征点集II的四个特征示踪物16可以是示踪球，或其它示踪结构，例如有源的发光装置或电磁导航系统中的传感器。

如图6、图7、图8所示，特征点集I的特征标记物13的位置要满足从本体的有特征示踪物16的正面、侧面和顶面三个方向，将特征标记物13的四个特征点I1、I2、I3、I4分别投影在一个平面上时，特征标记物13的投影形状彼此均没有重合。充入物质的特征标记物13和特征示踪物16的相对位置关系可以用精密的坐标测量仪器(例如三维扫描仪或三坐标测量机)测量得到，也可以通过机械加工保证其符合设计的相对位置关系。本发明一旦加工完成，各特征点集I、II的各特征点之间的相互位置便是确定的。

上述各实施例中，特征点集I中特征点的数量和位置是可以变化的，比如设置在本体11内的特征标记物13为位于同一平面内但不共线的三个特征点I1、I2、I3(如图9～11所示)，又比如，组成特征点集I特征点的数量为不对称设置的五个、六个等，但至少要有不共线的三个。当特征点为三个以上时，特征点可以不在同一平面内。特征点集II各特征点的数量也是可以变化的(如图12所示)，但至少也要有三个不共线的特征点II1、II2、II3。

本发明主要是用于标定和检验各坐标系之间的相互位置，由于特征点集I的特征点能够从固定成像设备所成的图像中分析得到，特征点集II的特征点能够被跟踪系统识别测量得到，并且特征点集I与特征点集II之间的关系已知(称为标定模的几何信息)，只要知道其中特征点集I中特征点或者特征点集II中特征点的坐标，就能推算出特征点集II中特征点或特征点集I中特征点的坐标，通过它们之间的关系便可以建立固定成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。

利用本发明的标定模，本发明实现图像导航手术的标定方法包括以下内容。

如图13所示，本发明的固定成像设备1完成对标定模10特征点的成像，固定成像设备坐标系是固定成像设备1所固有的属性之一。跟踪系统2包括位置传感器和示踪器，完成对设备、器械以及世界坐标系3的位姿(位置和姿态)跟踪。世界坐标系3是选定的观察坐标系，将手术器械和成像设备扫描的图像均放在这世界坐标系3内观察。观察坐标系也可以是成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系，但由于本发明所定义的世界坐标系3与成像设备坐标系存在固定的转换关系，同时世界坐标系3可以被跟踪系统2跟踪，所以选择世界坐标系3作为观察坐标系。世界坐标系3一般是固定的，包括一套或者多套示踪器，每套示踪器由若干个(大于3个)最小示踪单位组成。标定模10提供了标志特征点集I、示踪特征点集II以及特征点集I和特征点集II之间的几何关系。

本发明中涉及的各变量定义如下(见表1)：(所使用的坐标系均为右手坐标系)

表1

编号	变量	名称	解释
				1	Cscan world	成像设备坐标系矩阵	成像设备坐标系在世界坐标系里的矩阵，大小为4*4。
2	TR	某一点的在R坐标系下的坐标	4*1向量：T＝(Tx Ty Tz 1)R为任意一个坐标系。
				3	Cref track	标定模10上参考(Reference)坐标系矩阵	标定模10上固定的可以被跟踪系统2识别的特征点集II构成坐标系，该坐标系在跟踪系统坐标系下的矩阵
4	Cworld track	世界坐标系在跟踪系统坐标系下的矩阵	世界坐标系在跟踪系统坐标系下的矩阵

其中，世界坐标系下的成像设备坐标系矩阵(C_scan ^world)是图像导航手术系统建立图像坐标系与手术器械坐标系之间的转换关系的基础。

如图14所示，由特征点集II构成的参考坐标系：示踪物为球状，以球II3的球心为原点，以球II3指向球II4的射线为X轴，以垂直X轴并在特征点集II所在平面内的射线为Y轴，保证球II2的Y坐标大于零。以垂直特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。该坐标系右手坐标系，其定义具有任意性，由特征点集II中选择任意三个不共线的标识特征点的示踪物来确定坐标系，从所选取的这三个示踪物中任取一个作为坐标原点，以原点指向另外一个示踪物的射线为X轴，以垂直X轴并在特征点集II所在平面内的射线为Y轴，保证第三个球的Y坐标大于零。以垂直所述特征点集II所在平面并选择与X轴Y轴构成右手坐标系的射线方向的射线为Z轴。

假设T_i ^ref为标定模10内特征点集I中的第i个点在参考坐标系C^ref下的坐标，T_i ^ref和点集I在成像设备坐标系下的坐标T_i ^scan存在以下关系：

$C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_i^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_i^{\mathrm{ref}}$ (i＝1，2，..，n)    (1)

其中，n为特征点集I内的特征点数量，矩阵C_world ^track和C_ref ^track由跟踪系统2提供，通过上式可得到n个线性方程，求解该线性方程组即得到C_scan ^world矩阵。

标定模10中的特征点集I与特征点集II的几何关系定义为特征点集I中某一点i在由参考坐标系内的坐标T_i ^ref。标定模10安装完成后，特征点集I与特征点集II之间的几何关系确定，但尚未知。使用测量设备，如三坐标测量机，测量特征点集II内的每一个示踪物的坐标，记为T_i，II ^coord，同样使用该测量设备测量特征点集I内每一个点的坐标，记为T_i，I ^coord。

由于已知特征点集II内各个点的在测量设备坐标系内坐标T_i，II ^coord，所以参考坐标系的X、Y、Z轴可以使用测量设备坐标系的归一化向量V_x、V_y、V_z表示：

$V_x=\mathrm{norm}(T_{4,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})$

$V_z=\mathrm{norm}(T_{4,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})\×\mathrm{norm}(T_{2,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})$

V_y＝V_z×V_x

其中，norm(X)表示将向量X归一化得到的新向量。

假设参考坐标系在测量设备内的矩阵为C_ref ^coord，则存在如下关系：

$C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{coord}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_Z& T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}\end{array}\right]$

已知C_ref ^coord和T_i，I ^coord就可以得到点集I内的每个点在参考坐标系下的坐标T_i ^ref：

$T_i^{\mathrm{ref}}={\left(C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{coord}}\right)}^{-1}*T_{i.I}^{\mathrm{coord}}$

T_i ^scan为点集I内第i个点在成像设备坐标系下的坐标，点集I内的第i个标志物体可以在成像设备中进行断层成像，所获得的图像是标志物体包含于成像时所设定层厚内部分的图像平面内的投影。本实施例中所使用的断层扫描序列的参数并非唯一，但参数设定遵循如下原则：图像扫描中心和层厚的设定保证能够将标定模内所有标志物体包含在一幅扫描图像中；至少扫描2次，且任意两次扫描方向互不平行。

对于中心对称的标志物体，如球体、椭球体、圆柱体和长方体等，其在任意平面内的投影为中心对称图形。通过图像处理方法可以求得标记物体的断层图像的几何对称中心。如图15所示，假设平面A、B为非平行平面，图形a、b分别为标志物体T在平面A和B内的投影，O_a和O_b为a和b的几何对称中心，O为标志物体T的几何中心，L1和L2分别为过O_a和O_b且垂直于平面A和B的直线，L1和L2相交于O。

假设标志物体T在断层成像设备空间内平面A上所成图像为I(x，y)，则标志物体T在平面A的投影a的几何中心O_a(x_c，y_c)在图像坐标系下的坐标可以用以下公式计算：

$M_{00}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}I(x,y),$ I(x，y)＞threshold

$M_{10}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{xI}(x,y),$ I(x，y)＞threshold

$M_{01}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{yI}(x,y),$ I(x，y)＞threshold

其中，threshold为图像进行图像二值化的阈值，I(x，y)表示在图像坐标系下坐标为(x，y)的象素的灰度值。M₀₀表示所计算的图像象素灰度值之和。

$x_c=\frac{M_{10}}{M_{00}},$ $y_c=\frac{M_{01}}{M_{00}}$

假设图像I(x，y)的每个象素之间的距离在成像设备坐标系下表示为p，图像坐标系在成像设备坐标系下的表示为：

$C_I^{\mathrm{Scan}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_z& V_o\end{array}\right]$

其中，V_o表示图像坐标系原点在成像设备坐标系下的坐标，

则O_a在成像设备坐标系下的坐标为：

$V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}}=x_c*p*V_x+y_c*p*V_y+V_0$

直线L2的方程可以表示为：

$(V-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0$

其中，V为直线上任意一点的坐标；而T_i ^scan是方程的一个解，即：

$(T_i^{\mathrm{scan}}-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0$

通过设置互不平行的扫描平面，根据上述方法可以求出m(m为扫描的平面数，且m≥2)条通过标志物体几何中心的直线方程，物体几何中心T_i ^scan即为m个直线方程构成的线性方程组的解，采用最小二乘法可得到其最优解。采用该方法，求得特征点集I中所有特征点在成像设备坐标系下的坐标T_i ^scan。

将所求的T_i ^scan和T_i ^ref代入方程(1)得到n个关于C_scan ^world的线性方程，通过求解线性方程组得到C_scan ^world。

本实施例中，特征点集I包含4个特征点I1、I2、I3、I4，使用MRI作为固定成像设备，标定方法包括如下步骤：

1、求取特征点集I与特征点集II间的几何关系T₁ ^ref、T₂ ^ref、T₃ ^ref、T₄ ^ref；

2、将标定模10放入成像设备成像区域；

3、设置成像设备的扫描参数，主要包括断层扫描图像的位置、扫描方向、扫描的层厚度和扫描层数，如扫描三幅断层图像：图像中心位置均为成像设备坐标系原点，扫描方向分别为Axial(横轴位)、coronal(冠状位)和Sagital矢状位，扫描层厚度为200mm，扫描层数为1；

4、扫描图像，获取三幅图像P1、P2和P3，且三幅图像中均包含了4个标志物体的断层图像；

5、如果图像存在变形，对图像进行必要的校正；

6、根据图像P1、P2、P3，求出T₁ ^scan、T₂ ^scan、T₃ ^scan、T₄ ^scan；

7、通过跟踪系统2获得标定模10上参考坐标系矩阵C_ref ^track和世界坐标系在跟踪系统2下的矩阵C_worldw ^track；

8、将C_ref ^track、C_world ^track、T₁ ^ref、T₂ ^ref、T₃ ^ref、T₄ ^ref、T_i ^ref、T₁ ^scan、T₂ ^scan、T₃ ^scan、T₄ ^scanT₁ ^scan代入公式 $C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_i^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_i^{\mathrm{ref}}$ 中，得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_1^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_1^{\mathrm{ref}}\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_2^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_2^{\mathrm{ref}}\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_3^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{tracl}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{tracl}}*T_3^{\mathrm{ref}}\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_4^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_4^{\mathrm{ref}}\end{array}\right.$

解线性方程组，求得C_scan ^world。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于图像导航手术系统的标定模，其特征在于：它包括标定模本体，在所述本体内设置有至少三个不共线能够被成像设备识别组成标志特征点集I的特征点，在所述本体的外表面设置有至少三个不共线能够被跟踪系统跟踪组成示踪特征点集II的特征点，特征点集I与特征点集II的位置关系已知。

2.如权利要求1所述的一种用于图像导航手术系统的标定模，其特征在于：所述特征点集I的特征点为三个，其分别位于所述本体的同一平面内。

3.如权利要求1所述的一种用于图像导航手术系统的标定模，其特征在于：所述特征点集I的特征点为四个，其不对称地位于所述本体的两个侧面内，两两对角、且两侧相互交错。

4.如权利要求1或2或3所述的一种用于图像导航手术系统的标定模，其特征在于：所述特征点集I的特征点为设置在所述本体内安装孔中的特征标记物，所述标记物内设置有可被成像设备识别的物质，所述标记物呈中心对称的立体形状；所述特征点集II的特征点为设置在所述本体一侧外表面的一平板，在所述平板上不对称地设置有三个或三个以上示踪物。

5.一种用权利要求1～4所述的标定模进行图像导航手术系统的标定方法，其在固定成像设备、跟踪系统的基础上建立一个世界坐标系，并用标定模进行以下标定步骤：

(1)根据标定模上特征点集II构成的参考坐标系在测量设备内的矩阵关系C_ref ^coord以及标定模上特征点集I在所述测量设备内的坐标T_i，I ^coord，得到所述特征点集I内的每个特征点在所述参考坐标系下的坐标T_i ^ref，即所述特征点集I与所述特征点集II间的几何关系T₁ ^fef、T₂ ^ref、…、T_n ^ref；

(2)将所述标定模放入成像设备成像区域；

(3)设置所述成像设备的断层扫描图像的位置、扫描方向、扫描的层厚度和扫描层数；

(4)对标定模进行扫描，获取图像并校正，所述每幅图像为包含了所述特征点集I中所有标志物的断层图像；

(5)根据所述特征点集I中各特征点所对应的标志物在步骤(4)所获得各图像上位置关系，得到所述各特征点在成像设备内的坐标T₁ ^scan、T₂ ^scan、…、T_n ^scan；

(6)通过所述跟踪系统获得所述参考坐标系矩阵C_ref ^track和所述世界坐标系在所述跟踪系统下的矩阵C_world ^track；

(7)将C_ref ^track、C_world ^track，T₁ ^ref、T₂ ^ref、…、T_n ^ref，T₁ ^scan、T₂ ^scan、…、T_n ^scan代入公式 $C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_i^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_i^{\mathrm{ref}}$ 中，得到如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_1^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_1^{\mathrm{ref}}\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_2^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_2^{\mathrm{ref}}\\ \·\·\·\·\·\·\\ C_{\mathrm{scan}}^{\mathrm{world}}*T_n^{\mathrm{scan}}={\left(C_{\mathrm{world}}^{\mathrm{track}}\right)}^{-1}*C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{track}}*T_n^{\mathrm{ref}}\end{array}\right.$

解线性方程组，求得C_scan ^world。

6.如权利要求5所述的一种图像导航手术系统的标定方法，其特征在于：所述断层扫描序列参数设定遵循如下原则：图像扫描中心和层厚的设定保证能够将所述标定模内所有标志物体包含在一幅扫描图像中；至少扫描2次，且任意两次扫描方向互不平行。

7.如权利要求5所述的一种图像导航手术系统的标定方法，其特征在于：由所述特征点集II构成所述参考坐标系：从所述特征点集II中表示特征点的各示踪物中任意选择三个不共线的示踪物，从中任取一个所述示踪物并以其中心作为原点，以所述原点指向另外一个所述示踪物的射线为X轴，以垂直X轴并指向第三个所述示踪物的射线为Y轴，以垂直所述特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。

8.如权利要求6所述的一种图像导航手术系统的标定方法，其特征在于：由所述特征点集II构成所述参考坐标系：从所述特征点集II中表示特征点的各示踪物中任意选择三个不共线的示踪物，选取其中任意一个所述示踪物的中心为原点，以所述原点指向另外一个所述示踪物的射线为X轴，以垂直X轴并指向第三个所述示踪物的射线为Y轴，以垂直所述特征点集II所在平面并指向纸外的方向为Z轴方向。

9.如权利要求5或6或7或8所述的一种图像导航手术系统的标定方法，其特征在于：所述参考坐标系的X、Y、Z轴采用测量设备坐标系的归一化向量V_x、V_y、V_z表示：

$V_x=\mathrm{norm}(T_{4,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})$

$V_z=\mathrm{norm}(T_{4,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})\×\mathrm{norm}(T_{2,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}-T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}})$

V_y＝V_z×V_x

其中，norm表示向量的归一化，T_i，II ^coord表示所述特征点集II中第i个特征点在所述测量设备内的坐标；所述参考坐标系在所述测量设备内的矩阵为：

$C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{coord}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_z& T_{3,\mathrm{II}}^{\mathrm{coord}}\end{array}\right]$ 求得 $T_i^{\mathrm{ref}}={\left(C_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{coord}}\right)}^{-1}*T_{i,I}^{\mathrm{coord}}.$

10.如权利要求5或6或7或8所述的一种图像导航手术系统的标定方法，其特征在于：所述标定模的一个标志物体在所述成像设备空间内平面A上所成图像为I(x，y)，则所述标志物体在所述平面A的投影a的几何中心O_a(x_c，y_c)在图像坐标系下的坐标由如下公式表示：

$M_{00}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}I(x,y),I(x,y)>\mathrm{threshold}$

$M_{10}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{xI}(x,y),I(x,y)>\mathrm{threshold}$

$M_{01}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{yI}(x,y),I(x,y)>\mathrm{threshold}$

$x_c=\frac{M_{10}}{M_{00}},$ $y_c=\frac{M_{01}}{M_{00}};$

所述图像I(x，y)的每个象素之间的距离在所述成像设备坐标系下表示为p，则所述图像坐标系在所述成像设备坐标系下的表示为 $C_I^{\mathrm{Scan}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_z& V_o\end{array}\right],$ 所述O_a在所述成像设备坐标系下的坐标为 $V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}}=x_c*p*V_x+y_c*p*V_y+V_0,$ 通过所述标志物的几何中心和所述标志物的投影中心的直线方程可以表示为：

$(V-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0$

T_i ^scan为所述直线上一点，则 $(T_i^{\mathrm{scan}}-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0,$

设置互不平行的扫描平面m个，且m≥2，任意一个所述标志物都获得m条通过所述标志物体几何中心的直线方程，所述m个直线方程构成的线性方程组的解即为所述标志物在所述成像设备内的坐标，其中，V_o表示所述图像坐标系原点在所述成像设备内的坐标，threshold为所述图像进行二值化的阈值，V为所述直线上任意一点的坐标；采用上述方法，求得所述特征点集I中所有特征点在所述成像设备内的坐标T_i ^scan。

11.如权利要求9所述的一种图像导航手术系统标定方法，其特征在于：所述标定模的一个标志物体在所述成像设备空间内平面A上所成图像为I(x，y)，则所述标志物体在所述平面A的投影a的几何中心O_a(x_c，y_c)在图像坐标系下的坐标由如下公式表示：

$M_{00}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}I(x,y),I(x,y)>\mathrm{threshold}$

$M_{10}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{xI}(x,y),I(x,y)>\mathrm{threshold}$

$M_{01}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{yI}(x,y),I(x,y)>\mathrm{threshold}$

$x_c=\frac{M_{10}}{M_{00}},$ $y_c=\frac{M_{01}}{M_{00}};$

所述图像I(x，y)的每个象素之间的距离在所述成像设备坐标系下表示为p，则所述图像坐标系在所述成像设备坐标系下的表示为 $C_I^{\mathrm{Scan}}=\left[\begin{array}{cccc}{V}_x& V_y& V_z& V_o\end{array}\right],$ 所述O_a在所述成像设备坐标系下的坐标为 $V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}}=x_c*p*V_x+y_c*p{*V}_y+V_0,$ 通过所述标志物的几何中心和所述标志物的投影中心的直线方程可以表示为：

$(V-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0$

T_i ^scan为所述直线上一点，则 $(T_i^{\mathrm{scan}}-V_{\mathrm{Oa}}^{\mathrm{scan}})-k*V_z=0,$

设置互不平行的扫描平面m个，且m≥2，任意一个所述标志物都获得m条通过所述标志物体几何中心的直线方程，所述m个直线方程构成的线性方程组的解即为所述标志物在所述成像设备内的坐标，其中，V_o表示所述图像坐标系原点在所述成像设备内的坐标，threshold为所述图像进行二值化的阈值，V为所述直线上任意一点的坐标；采用上述方法，求得所述特征点集I中所有特征点在所述成像设备内的坐标T_i ^scan。

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