CN110111429B - 一种检测单像素血管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种检测单像素血管的方法属于医学、三维立体成像、数字图像处理等技术领域；该方法首先计算Frangi血管特征F特征参数，然后采用血管特征中线替代Frangi血管特征量F，最后为克服微血管或背景噪声会导致大量的误判，加权计算中线R；本发明一种检测单像素血管的方法采用加权计算中线，能够抑制微血管和背景噪声的影响；该项技术应用于申请人提出的微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法，作为该方法中内腔三维建模方法的核心部分，将为得到更真实的虚拟腹腔透明效果，实现在不影响医生及手术环境的前提下，满足普通微创手术中医生对内腔辅助观察需求奠定坚实的理论基础。
Description
技术领域
本发明一种检测单像素血管的方法属于医学、三维立体成像、数字图像处理等技术领域。
背景技术
相对于传统开腔手术，微创手术具有创口小、痛感轻、愈合快等优势，迎合了现代人的审美观念，因此日益受到广泛欢迎，应用在部分腹腔和颅腔手术中。微创手术目前主要的观察方式是内腔镜。内腔镜借助于多个针孔摄像机、氙灯光源拍摄充气膨胀后的内腔图像，呈现在显示器上供医生观察。目前最先进的内腔镜可获得很高质量的内腔图像，进而由内腔图像衍生出手术设备定位技术，准确度可达1mm。但是，内腔镜并未满足医生的观察需求，如图1所示：①内腔图像呈现在显示器上，医生需不断地在手术部位和显示器之间移动视线，因此影响医生手术操作的连贯性，且容易疲劳。②单个内腔镜观察局部，若医生需要大范围观察，则多个内腔镜同时介入人体，这既增加了患者的负担也增加了内腔镜线缆、发射/接收器、介入套管等的复杂与笨重程度；③有时需要助手辅助手持和移动多个内腔镜配合医生观察，给医生的手术操作带来不便。
针对上述不足，一些研究者基于增强现实技术提出了患者体表投影法，即利用投影机将内腔镜拍摄的图像投射在患者体表，以在需要时辅助医生判断，形成虚拟的表皮透明效果，如图2和图3所示。这些解决方案并未满足于简单投影，而是进一步探索利用方位追踪装置定位医生头部位置，据此调整投影机在患者体表投射图像的部位。
上述解决方案尚处于尝试阶段，仍存在可完善之处：①目前采用的方位追踪技术需在医生头部佩戴发射装置或标志物，增加了医生负担；②内腔图像为二维图像，并未反映内腔的多视角三维形貌；③患者体表并非平面，在其表面投影成像产生畸变，因此需根据患者体表的三维形貌校正投射图像，以便在患者体表观察到未畸变的内腔图像。
发明内容
针对上述可完善之处，申请人设计了一种微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法，包括医生视角追踪方法，内腔三维建模方法和患者体表投影图像序列生成方法三方面内容。本发明体表投影虚拟透明观察内腔方法应用于微创手术的体表投影虚拟透明观察内腔系统中，拟针对非二次曲面的患者体表，结合医生视角和内腔三维模型，生成体表投影内腔图像，以得到更真实的虚拟腹腔透明效果；最终实现在不影响医生及手术环境的前提下，满足普通微创手术中医生对内腔辅助观察的需求。在本申请中，具体公开了一种检测单像素血管的方法，该技术方案将作为核心技术用于微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种检测单像素血管的方法，包括以下步骤：
步骤b121、计算Frangi血管特征F特征参数，如下：
其中，β和c为设定的阈值；
步骤b122、采用血管特征中线替代Frangi血管特征量F，所述血管特征中线为像素灰度在V2方向一阶差分符号改变的像素位置；
步骤b123、为克服微血管或背景噪声会导致大量的误判，加权计算中线R，如下：
其中，(u2，v2)T＝V2，ε为像素宽度。
上述的一种检测单像素血管的方法，用于PTAM内腔三维建模。
所述PTAM内腔三维建模用于微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔。
有益效果：
本发明一种检测单像素血管的方法采用加权计算中线，能够抑制微血管和背景噪声的影响；该项技术应用于申请人提出的微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法，作为该方法中内腔三维建模方法的核心部分，将为得到更真实的虚拟腹腔透明效果，实现在不影响医生及手术环境的前提下，满足普通微创手术中医生对内腔辅助观察需求奠定坚实的理论基础。
说明书附图
图1是内腔镜未满足医生观察需求示意图。
图2是虚拟表皮透明投影效果示意图。
图3是虚拟表皮透明投影效果真实图。
图4体表投影系统示意图。
图5是微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法技术路线图。
图6是Kinect医生视角追踪方法示意图。
图7是PTAM内腔三维建模方法示意图。
图8是既包括镜面反射区域和血管的内腔图像。
图9是生成患者体表投影图像序列方法示意图。
图10是计算和投影内腔图像示意图。
图11是一种用于微创手术体表投影的调整装置的整体结构示意图。
图12是图11的细节结构示意图。
图13是图12中的脚部垫板的结构示意图。
图14是图12中的固定垫的结构示意图。
图15是面向微创手术体表投影调整装置的轴调整件的结构示意图。
图16是图15中的轴驱动件的结构示意图。
图17是图15中的第二固定件的结构示意图。
图18是实施例二十四中取样段获得的示意图。
图19是实施例二十四中摆台角度示意图。
图20是实施例二十四中的结构简化图。
图21是图20调整后的结构简化图。
具体实施例
具体实施例一
本实施例是微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法实施例。
本实施例的微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔方法，所对应的体表投影系统如图4 所示，该方法的技术路线图如图5所示，包括以下步骤：
步骤a、Kinect医生视角追踪，用于确定医生当前的头部位置和视觉角度；
步骤b、PTAM内腔三维建模，PTAM为Parallel Tracking and Mapping，用于生成能够随步骤a所述医生视角旋转的内腔三维模型；
步骤c、生成患者体表投影图像序列，基于步骤a所述的医生视角，将步骤b生成的内腔三维模型投影到患者体表。
具体实施例二
本实施例是Kinect医生视角追踪方法实施例。
本实施例的Kinect医生视角追踪方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例一作进一步限定；该Kinect医生视角追踪方法，如图6所示，包括以下步骤：
步骤a1、选择瞳孔、鼻尖的深度数据作为关键点，建立医生视角数学模型；
步骤a2、用卡尔曼滤波器预测医生视角并修正追踪数据；
步骤a3、分析Kinect与医生头部、患者体表、患者内腔、投影机之间的方位关系并统一坐标系，设计患者体表投影系统参数。
具体实施例三
本实施例是卡尔曼滤波器实施例。
本实施例的卡尔曼滤波器，既可以单独存在，又可以对具体实施例二作进一步限定；该卡尔曼滤波器具体为：
在t时刻一帧Kinect数据中，定义其卡尔曼滤波器状态向量Xt和观察向量Zt为：
Xt＝(x(t),y(t),z(t),vx(t),vy(t),vz(t))
Zt＝(x(t),y(t),z(t))
其中，x(t)，y(t)和z(t)为鼻尖中心三维坐标，vx(t)，vy(t)和vz(t)为鼻尖中心速度；
据此，列卡尔曼系统方程为：
Xt+1＝AXt+BUt+GWt
Zt+1＝HXt+Vt
其中，A是状态矩阵，B是控制矩阵，在面部运动没有控制量时近似为0，G是驱动矩阵， H是观察矩阵，Ut是控制向量，Wt是Xt的Kinect测量误差和噪声，Vt是观察误差和噪声。
具体实施例四
本实施例是PTAM内腔三维建模方法实施例。
本实施例的PTAM内腔三维建模方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例一作进一步限定；该PTAM内腔三维建模方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤b1、内腔特征量构建：包括：
步骤b11、区分镜面反射区域和血管的内腔图像预处理；
步骤b12、检测单像素血管；
步骤b13、确定分支点和分支段。
步骤b2、内腔三维建模：采用Stanford PLY文件格式存储内腔三维数据及纹理图像，即同时利用PTAM的多帧图像提供三维节点数据和纹理信息，然后利用OpenGL结合医生视角生成能够多角度观察的旋转内腔三维模型。
具体实施例五
本实施例是区分镜面反射区域和血管的内腔图像预处理方法实施例。
本实施例的区分镜面反射区域和血管的内腔图像预处理方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例四作进一步限定；该区分镜面反射区域和血管的内腔图像预处理方法，包括以下步骤：
步骤b111、既包括镜面反射区域和血管的内腔图像如图8所示，才这类图像中选择RGB 图像中的绿分量；
步骤b112、计算绿分量图像的尺度空间L，如下：
L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)*I(x,y)
其中，G(x,y,σ)表示标准偏差为σ的高斯函数，I(x,y)为绿分量图像；
步骤b113、利用Hessian矩阵H对L逐像素计算，计算结果作为后续特征检测的依据；所述Hessian矩阵为：
步骤b114、计算得到Hessian矩阵H的两个正交特征值为λ1和λ2、特征向量为V1和V2；特征值负值为亮、正值为暗，对于PTAM内腔图像，血管为暗、背景为亮，有0<λ1<λ2；
步骤b115、结合参考目前普遍采用的λ1、λ1λ2和1-exp(-2(λ1/λ2)2)判据，考虑图像特征对噪声敏感性，按照如下关系，区分背景噪声、微血管、分支点或微小特征、血滴或镜面反射区；
关系一、λ1接近于0，λ2接近于0，为背景噪声；
关系二、λ1接近于0，λ2接近于1，为微血管；
关系三、λ1接近于0.5，λ2接近于1，为分支点和微小特征；
关系四、λ1接近于1，λ2接近于1，为血滴和镜面反射区。
具体实施例六
本实施例是检测单像素血管方法实施例。
本实施例的检测单像素血管方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例四作进一步限定；该检测单像素血管方法，包括以下步骤：
步骤b121、计算Frangi血管特征F特征参数，如下：
其中，β和c为设定的阈值；
步骤b122、采用血管特征中线替代Frangi血管特征量F，所述血管特征中线为像素灰度在V2方向一阶差分符号改变的像素位置；
步骤b123、为克服微血管或背景噪声会导致大量的误判，加权计算中线R，如下：
其中，(u2，v2)T＝V2，ε为像素宽度。
具体实施例七
本实施例是确定分支点和分支段方法实施例。
本实施例的确定分支点和分支段方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例四作进一步限定；该确定分支点和分支段方法，包括以下步骤：
步骤b131、根据分支点为三或四个血管结合点的特性，以每个单像素血管特征点Ri为圆心做半径为d的圆，其中，d根据摄像机分辨率和摄像机与目标距离来设定；
步骤b132、判断圆周点集Ci是否同时满足以下两个条件：
条件一、Ci中灰度接近Ri的点(|I(Ci)-I(Ri)|<ti)为交点，其数量为3或4，其中ti根据Ri的灰度设定；
条件二、交点之间的点灰度|I(Ci)-I(Ri)|>ti；
如果：
是，Ri为准分支点，进入步骤b133；
否，Ri不是准分支点；
步骤b133、若干相邻的Ri构成准分支点邻域，以其亚像素中心作为分支点；
步骤b134、确定分支点邻域后，以分支点邻域为起点沿相邻像素检测分支段，若遇到另一个分支点邻域则为完整分支段，否则为半分支段。
具体实施例八
本实施例是生成患者体表投影图像序列方法实施例。
本实施例的生成患者体表投影图像序列方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例一作进一步限定；该生成患者体表投影图像序列方法，如图9所示，包括以下步骤：
步骤c1、根据医生视角和内腔三维模型，利用典型摄像机成像模型，计算医生期望看到的内腔图像；
步骤c2、根据内腔图像、患者体表三维形貌、医生视角、投影机方位，计算体表投影图像序列。
具体实施例九
本实施例是生成患者体表投影图像序列方法实施例。
本实施例的生成患者体表投影图像序列方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例八作进一步限定；该生成患者体表投影图像序列方法，如图10所示，患者腹腔外表面近似于二次曲面，基于经典视角变换原理，投影机坐标系和医生头部坐标系相对于腹腔外表面Q的转换关系Tpc可用函数Ψ表示，Ψ为4×4对称阵；Q根据Kinect点云数据X拟合得到，即XTQX＝0；对于Q上的一点x，其投影机坐标xp和医生眼睛坐标xc的关系如下：
其中，B、e为Tpc的旋转平移矩阵，由标定获得；Q33和q根据
得到；
图像坐标系是世界坐标系的特例，因此函数Ψ视为投影图像和观察图像之间的关系，由此计算投影图像。
具体实施例十
本实施例是生成患者体表投影图像序列方法实施例。
本实施例的生成患者体表投影图像序列方法，既可以单独存在，又可以对具体实施例八作进一步限定；该生成患者体表投影图像序列方法，如图10所示，为增加医生观察范围，利用多投影机投影；以体表点p为例，利用典型摄像机/投影机模型、空间坐标系变换矩阵，从点p出发映射到投影机坐标xp1、xp2与医生眼睛坐标xc，由此计算投影机投射图像1和投影机投射图像2；由于利用点对应而非曲面拟合，患者体表上的医生视场和投影机视场重合覆盖区域均能够准确计算投影图像，而与患者体表的复杂程度无关。
以上实施例是本发明的核心，应用于微创手术的体表投影虚拟透明观察内腔系统中，拟针对非二次曲面的患者体表，结合医生视角和内腔三维模型，生成体表投影内腔图像，以得到更真实的虚拟腹腔透明效果，最终实现在不影响医生及手术环境的前提下，满足普通微创手术中医生对内腔辅助观察的需求。这项技术希望最大程度让医生能够将视角集中在患者身上，然而，如果医生需要大范围观察或进行局部观察时，在以上实施例中没有提供一个很好的解决该问题的技术手段。为此，安排了实施例十一至实施例二十七，即将一种用于微创手术体表投影的调整装置用于体表投影系统中，为医生提供一种用于微创手术体表投影的调整装置，能够解放医生视角和双手，用下肢来实现图像的调整。
具体实施例十一
本实施例公开的一种用于微创手术体表投影的调整装置，结合图11所示，包括：大腿垫板1，小腿垫板2、脚部垫板3、底座4、第一角度传感器5和第二角度传感器6，所述底座4的上端设置有支撑结构，支撑结构为杆件，用于支撑，支撑结构与大腿垫板1连接，大腿垫板用于为医生大腿部提供支撑，大腿垫板1水平设置，小腿垫板2竖直设置，大腿垫板1的一端与所述小腿垫板2的上端铰接，铰接的可转动面为包含大腿垫板1和小腿垫板2长度方向的第一转动面，在医生将大腿部放在大腿垫板上后，小腿可以带动小腿垫板3向医生面前或后部摆动，所述小腿垫板2的下端与所述脚部垫板3转动连接，转动连接的转动面为垂直于所述小腿垫板2长度方向所在平面的第二转动面，且脚部垫板3与小腿垫板2垂直设置，所述第一角度传感器5设置在大腿垫板1与小腿垫板2的铰接处，用于检测所述小腿垫板2 在第一转动面内相对于大腿垫板1转动的角度，所述第二角度传感器6设置在小腿垫板2与脚部垫板3的转动连接处，用于检测所述脚部垫板3在第二转动面内相对于小腿垫板2转动的角度；
在医生进行微创手术过程中，通过体表投影将病人身体内部图像投影在患者体表，医生双手操作进行手术，在需要对投影的图像进行操作时，通过小腿带动小腿垫板3在第一转动面内转动，通过第一角度传感器5获取第一转动角度信息，通过脚部转动带动脚部垫板3在第二转动面内转动，通过第二角度传感器6获取第二转动角度信息，通过将第一角度信息和第二角度信息的角度值作为坐标值，放置在坐标系内，可以将角度信息作为位置信息，该位置信息可以作为代表医生意图的指令对投影图像进行调整，调整包括拖动、放大、缩小、亮度调整，在手术过程中，医生可以不需要助手辅助手持和调整，调整过程中只需移动小腿和脚部，大腿在大腿垫板1上固定，不会对医生手部操作产生影响，影响手术连贯性，避免图像调整的过程对手术产生影响，
具体地，还包括轴调整件7，所述轴调整件7根据小腿垫板2沿上端铰接轴摆动时，人体脚部底面与脚部垫板3的表面角度的变化调整大腿垫板1和小腿垫板2的铰接轴在第一转动面上的位置，使铰接轴的轴线与人体大腿和小腿转动的虚拟轴线重合；
由于不同医生腿部长短和粗细不同，腿部与装置固定后，大腿与小腿转动的虚拟轴和大腿垫板1与小腿垫板2的铰接轴不同轴，在虚拟轴和铰接轴不重合时，小腿随小腿垫板2转动过程中，小腿会相对于脚部垫板3产生沿小腿长度方向向上或向下的运动趋势，将脚部的脚尖处于脚部垫板3固定，脚底面距离脚部垫板3具有间隙，在小腿前后摆动过程中脚部底面相对于脚部垫板3的上表面角度会发生变化，根据角度变化规律判断虚拟轴和铰接轴的偏离情况，通过轴调整件7在摆动过程中进行调整；
所述大腿垫板1的上表面设置有固定垫8，固定垫8能够适应大腿形状并将人体大腿与小腿连接的一端固定，固定方向为垂直于所述第一转动面的直线方向；
现有的弹性垫，通过弹性变形适应人体形状，但弹性变形大的区域支撑力也大，由于弹性变形的特性导致现有弹性垫没有固定作用，采用固定垫8在适应人体变形后将形状固定，同时固定后具有一定的弹性，满足舒适的同时，对大腿部具有固定作用，避免用于调整的腿部运动传递至身体手部，影响微创手术中医生的操作。
具体实施例十二
本实施例是在具体实施例十一的基础上，具体地，结合图12，所述大腿垫板1包括：臀部支撑段1-1、大腿支撑段1-2和第一推杆1-3，所述臀部支撑段1-1的支撑面水平设置，所述大腿支撑段1-2的支撑面倾斜设置，且臀部支撑段1-1的下端与所述支撑结构铰接连接，铰接连接的转动面与所述第一转动面平行，所述第一推杆1-3的一端与支撑结构铰接连接，第一推杆1-3的另一端与所述大腿支撑段1-2的下表面铰接连接；
臀部支撑段1-1对医生臀部进行支撑，大腿支撑段1-2远离臀部支撑段1-1的一端向下倾斜设置，在使用时，通过第一推杆1-3推动大腿支撑段1-2，使臀部支撑段1-1和大腿支撑段 1-2沿着臀部支撑段1-1下端的铰接轴转动，调整坐姿。
具体实施例十三
本实施例是在具体实施例十一的基础上，具体地，结合图12所示，所述小腿垫板2包括：上连接段2-1、下连接段2-2和第二推杆2-3，所述上连接段2-1的下端通过沿上连接段2-1 长度方向设置的滑动结构与下连接段2-2连接，下连接段2-2的下端设置有与上连接段2-1长度方向垂直的水平段，水平段上表面与所述脚部垫板3转动连接，所述第二推杆2-3的一端与上连接段2-1连接，第二推杆2-3的另一端与下连接段2-2连接；
上连接段2-1和下连接段2-2通过滑动结构，使小腿垫板2能够调整长度，适应不同医生的小腿长度，保证脚部底面与脚部垫板3接触。
具体实施例十四
本实施例是在具体实施例十一的基础上，具体地，结合图13所示，所述脚部垫板3包括：转台3-1、脚尖夹板3-2、脚跟夹板3-3和第三推杆3-4，所述转台3-1与所述小腿垫板2转动连接，转台3-1的两端相对分别设置有脚尖夹板3-2和脚跟夹板3-3，所述脚尖夹板3-2通过滑动结构与转台3-1连接，所述脚跟夹板3-3与转台3-1固定连接，所述第三推杆3-4的一端与脚尖夹板3-2连接，第三推杆3-4的另一端与转台3-1连接；在医生脚部踏在脚部垫板3上以后，第三推杆3-4收缩，脚尖夹板3-2和脚跟夹板3-3将脚部沿长度方向夹紧固定，使脚部转动时，脚部垫板3能够随脚部转动；
具体地，所述脚尖夹板3-2的夹紧面上设置有第一弧面3-5，所述脚跟夹板3-3的夹紧面上设置有第二弧面3-6，第一弧面3-5和第二弧面3-6的圆心重合，且圆心位于人体脚部相对于小腿在第一转动面内转动的轴线上；第一弧面3-5和第二弧面3-6上可以设置沿纵向的凸起条，一方面增加脚部与弧面在第二转动面上转动的摩擦力，一方面减小脚部与弧面在第一转动面上的摩擦力；
具体地，所述脚部垫板3还包括：第一按键3-7和第二按键3-8，所述第一按键3-7设置在转台3-1上表面靠近所述脚尖夹板3-2的一端，所述第二按键3-8设置在脚尖夹板3-2上端向转台3-1方向延伸的固定块下表面；使脚部不仅可以带动脚部垫板3输出转动量，还可以向上或向下滑动脚尖，触碰第一按键3-7或第二按键3-8，通过第一按键3-7和第二按键3-8 输出医生不同的操作意图，对投影图像进行调整。
具体实施例十五
本实施例是在具体实施例十一的基础上，具体地，结合图12所示，所述底座4包括：移动板4-1、固定板4-2、底座弹簧4-3和球轮4-4，所述固定板4-2的上端与所述支撑结构连接，固定板4-2的下端沿竖直方向设置有容纳移动板4-1的移动滑槽，固定板4-2的下表面移动滑槽外侧的环形面为用于支撑的固定平面，所述底座弹簧4-3设置在移动板4-1与固定板4-2之间，所述移动板4-1的下表面设置有若干个球轮4-4，若干个球轮4-4形成的滑动接触面形成用于移动的滑动面；在医生需要移动位置时，通过未抬起的腿支撑底面，减小身体对装置的压力，装置的上部在底座弹簧4-3的支撑下抬起，固定板4-2的下沿与地面脱离接触，医生的支撑腿与地面支撑，移动板4-1底部的球轮4-4转动，装置向需要移动的地方滑动，在移动后，医生的腿部减小对身体的支撑，身体对装置的压力增加，使固定板4-2向地面移动，固定板4-2的下表面与地面接触，装置被固定。
具体实施例十六
本实施例公开的面向微创手术体表投影调整装置的固定垫，所述固定垫应用在一种用于微创手术体表投影的调整装置上，用于适应大腿形状并将人体大腿与小腿连接的一端固定，固定方向为垂直于所述第一转动面的直线方向；
具体地，结合图14所示，包括：变形管8-1、平衡管8-2、截止件8-3和平衡袋8-4，若干条变形管8-1沿弧形布置，形成圆弧形的接触面，变形管8-1内部填充有水，且每个变形管8-1均通过一根平衡管8-2与平衡袋8-4连接，若干根平衡管8-2均穿过截止件8-3，截止件8-3具有可移动的压紧面，用于将平衡管8-2压紧；
在大腿部放置在固定垫后，腿部对变形管8-1挤压，变形管8-1内的水通过平衡管8-2挤压至平衡袋8-4内，若干条变形管8-1变形后，组成的圆弧形的接触面适应人体腿部形状后，通过截止件8-3同时对若干条平衡管压紧，切断变形管8-1与平衡袋8-4的连通，圆弧形的接触面形状被固定，由于变形管8-1具有弹性和适应腿部的形状，相对于普通弹性材料，能够在舒适的同时能够对腿部固定，具有更好的适应外形能力。
具体实施例十七
本实施例公开的面向微创手术体表投影调整装置的轴调整件，所述调整件应用在一种用于微创手术体表投影的调整装置上，用于根据小腿垫板2沿上端铰接轴摆动时，人体脚部底面与脚部垫板3的表面角度的变化调整大腿垫板1和小腿垫板2的铰接轴在第一转动面上的位置，使铰接轴的轴线与人体大腿和小腿转动的虚拟轴线重合；
具体地，结合图15所示，包括：轴驱动件7-1、第一腰形条7-2、第一固定件7-3、第二腰形条7-4、摆台7-5和第二固定件7-6，所述轴驱动件7-1设置在大腿垫板1上，用于调整大腿垫板1和小腿垫板2的铰接轴在第一转动面上的位置，所述第一腰形条7-2固定在脚尖夹板3-2上，第二腰形条7-4固定在脚跟夹板3-3上，且第一腰形条7-2和第二腰形条7-4外侧均套接有滑套，滑套上设置有用于滑套复位的弹簧结构，所述第一腰形条7-2的侧面设置有第一固定件7-3，第一固定件7-3具有可移动的固定头，固定头能够压紧第一腰形条上的滑套将滑套的位置固定，所述摆台7-5铰接在脚部垫板3的上表面，且铰接轴位于人体脚部相对于小腿在第一转动面内转动的轴线下方，所述摆台7-5的上表面与人体脚底面保持接触，摆台7-5能够朝向脚尖夹板3-2或脚跟夹板3-3摆动，且摆台7-5上设置有摆台传感器7-5-1 用于检测摆台7-5朝向脚尖夹板3-2或脚跟夹板3-3的摆动幅度，所述第二固定件7-6设置在脚部垫板3上，第二固定件7-6具有位于所述摆台7-5下方的固定平面，固定平面在所述摆台7-5两个摆动端下方具有距离脚部垫板3上表面高度相同的固定面，且固定平面能够沿垂直于脚部垫板3表面的方向移动；通过第二固定件7-6将摆台摆正，使落在摆台7-5上的脚部底面与脚部垫板3上表面平行，作为起始位置，通过第一固定件7-3将第一腰形条7-2表面的滑套固定，使脚尖与脚尖夹板3-2的位置固定，在小腿带动小腿垫板2前后摆动时，脚尖位置被固定，由于人体大腿与小腿连接的虚拟轴与大腿垫板1和小腿垫板2的铰接轴不同轴，在前后摆动时，人体腿部会相对于脚部垫板3沿小腿长度方向上有运动趋势，在第二固定件7-6释放摆台7-5后，前后摆动时，由于小腿相对脚部垫板3的运动，使脚跟部在第二腰形条7-4表面滑动，进而带动摆台7-5摆动，若虚拟轴与铰接轴同轴，摆台7-5不会摆动，由此可以判断，虚拟轴与铰接轴是否同轴，并以此为依据调整铰接轴的位置与虚拟轴同轴；
具体地，结合图16所示，所述轴驱动件7-1包括：轴固定叉7-1-1、第一轴驱动推杆7-1-2 和第二轴驱动推杆7-1-3，所述轴固定叉7-1-1的上端两个叉端上均与一个铰接耳的上端铰接，两个铰接耳的下端均固定在小腿垫板2上，所述轴固定叉7-1-1的下端与第一轴驱动推杆7-1-2 的一端固定连接，第一轴驱动推杆7-1-2的另一端与第二轴驱动推杆7-1-3的一端固定连接，第二轴驱动推杆7-1-3的另一端固定在大腿垫板1上，且第一轴驱动推杆7-1-2和第二轴驱动推杆7-1-3垂直设置；在调整铰接轴位置时，通过调整第一轴驱动推杆7-1-2和第二轴驱动推杆7-1-3的伸出长度，调整轴固定叉7-1-1的位置，带动铰接轴移动；
具体地，结合图17所示，所述第二固定件7-6包括：固定筒7-6-1、固定筒滑槽7-6-2和固定筒推杆7-6-3，所述固定筒7-6-1的轴线垂直于脚部垫板3的上表面设置在摆台7-5的下方，固定筒滑槽7-6-2设置在脚部垫板3上对固定筒7-6-1沿垂直于脚部垫板3的方向滑动进行导向，固定筒7-6-1的侧面与固定筒推杆7-6-3的一端连接，固定筒推杆7-6-3的另一端固定在脚部垫板3上；在对摆台7-5固定时，固定筒推杆7-6-3拉动固定筒7-6-1沿固定筒滑槽 7-6-2向上滑动至摆台7-5下表面，并与摆台7-5下表面留有间隙，脚部将摆台7-5下压，摆台7-5通过沿垂直于脚部垫板3表面的垂直方向滑道向下滑动，摆台7-5下端的弹性件被压缩，同时摆台7-5的下表面移动至固定筒7-6-1的上表面接触，完成脚底面与脚部垫板3平行的定位，摆台7-5下端采用弹性件支撑，可以保持脚底部在摆动过程中与摆台7-5上表面始终接触；
具体地，所述摆台传感器7-5-1为第三角度传感器，第三角度传感器的一端与摆台7-5连接，第三角度传感器的另一端固定在脚部垫板3上；通过第三角度传感器检测摆台铰接轴相对于脚部垫板3表面的转动幅度，作为摆台7-5的摆动幅度；
具体地，所述摆台传感器7-5-1包括两个距离传感器，两个距离传感器分别设置在摆台 7-5两个摆动端的下方，通过两个距离传感器直接检测摆台7-5的两个摆动端相对于一个平行于脚部垫板3上表面的固定端的平面的距离值，作为摆台7-5的摆动幅度。
具体实施例十八
本实施例公开的面向微创手术体表投影轴调整件的轴驱动件，所述的轴驱动件用于面向微创手术体表投影调整装置的轴调整件上，用于调整大腿垫板1和小腿垫板2的铰接轴在第一转动面上的位置，使铰接轴的轴线与人体大腿和小腿转动的虚拟轴线重合；
所述轴驱动件7-1包括：轴固定叉7-1-1、第一轴驱动推杆7-1-2和第二轴驱动推杆7-1-3，所述轴固定叉7-1-1的上端两个叉端上均与一个铰接耳的上端铰接，两个铰接耳的下端均固定在小腿垫板2上，所述轴固定叉7-1-1的下端与第一轴驱动推杆7-1-2的一端固定连接，第一轴驱动推杆7-1-2的另一端与第二轴驱动推杆7-1-3的一端固定连接，第二轴驱动推杆7-1-3 的另一端固定在大腿垫板1上，且第一轴驱动推杆7-1-2和第二轴驱动推杆7-1-3垂直设置，在调整铰接轴位置时，通过调整第一轴驱动推杆7-1-2和第二轴驱动推杆7-1-3的伸出长度，调整轴固定叉7-1-1的位置，带动铰接轴移动。
具体实施例十九
本实施例公开的面向微创手术体表投影轴调整件的第二固定件，所述的第二固定件用于面向微创手术体表投影调整装置的轴调整件上，用于摆台7-5初始位置的定位；
其特征在于，所述第二固定件7-6包括：固定筒7-6-1、固定筒滑槽7-6-2和固定筒推杆 7-6-3，所述固定筒7-6-1的轴线垂直于脚部垫板3的上表面设置在摆台7-5的下方，固定筒滑槽7-6-2设置在脚部垫板3上对固定筒7-6-1沿垂直于脚部垫板3的方向滑动进行导向，固定筒7-6-1的侧面与固定筒推杆7-6-3的一端连接，固定筒推杆7-6-3的另一端固定在脚部垫板3上；在对摆台7-5固定时，固定筒推杆7-6-3拉动固定筒7-6-1沿固定筒滑槽7-6-2向上滑动至摆台7-5下表面，并与摆台7-5下表面留有间隙，脚部将摆台7-5下压，摆台7-5通过沿垂直于脚部垫板3表面的垂直方向滑道向下滑动，摆台7-5下端的弹性件被压缩，同时摆台7-5的下表面移动至固定筒7-6-1的上表面接触，完成脚底面与脚部垫板3平行的定位，摆台7-5下端采用弹性件支撑，可以保持脚底部在摆动过程中与摆台7-5上表面始终接触；
具体实施例二十
本实施例公开的一种用于微创手术体表投影的调整方法，所述方法应用在具体实施例十一、具体实施例十二、具体实施例十三、具体实施例十四或具体实施例十五公开的一种用于微创手术体表投影的调整装置上，用于医生在不中断手术的情况下，对体表投影进行调整，便于医生观察；
具体地，包括以下步骤：
步骤a、大腿固定：主刀医生以一条腿抬起的站立姿势，臀部坐在臀部支撑段1-1上，已抬起的腿部大腿沿大腿支撑段1-2长度方向放置在大腿支撑段1-2上，使医生的大腿与大腿垫板1的位置固定；从而将小腿与脚部的运动与身体上部隔离，避免在调整过程中影响医生的手术操作；
步骤b、小腿长度定位：医生抬起的那条腿的小腿自然下垂，第二推杆2-3收缩，小腿垫板2的下连接段2-2向上连接段2-1移动，使小腿垫板2的长度变短带动脚部垫板3向上移动，直至脚底面与脚部垫板3接触，使小腿垫板3根据医生小腿长度定位；
步骤c、脚部定位：第三推杆3-4拉动脚尖夹板3-2向脚尖移动，脚尖夹板3-2和脚跟夹板3-3将脚部在长度方向上夹持；使脚部与脚部垫板3固定；
步骤d、纵坐标量获取：在医生需要输入纵坐标量时，通过向前或向后摆动小腿，小腿带动小腿垫板2以小腿垫板2和大腿垫板1的铰接轴为轴在第一转动面内摆动，通过第一角度传感器5获取小腿垫板2摆动的幅度，将小腿垫板2的摆动幅度作为纵坐标量进行获取；
步骤e、横坐标量获取：在医生需要输入横坐标量时，通过向左或向右扭动脚部，脚部带动脚部垫板3以脚部垫板3和小腿垫板2转动连接的转轴为轴在第二转动面内摆动，通过第二角度传感器6获取脚部垫板3摆动的幅度，将脚部垫板3的摆动幅度作为横坐标量进行获取；
步骤f、操作意图获取：在医生需要对体表投影的指定区域进行操作时，通过向上或向下移动脚尖，脚尖沿第一弧面3-5滑动，使脚尖触碰第一按键3-7或第二按键3-8，通过第一按键3-7或第二按键3-8获取医生的操作意图；
通过获得医生意图的横坐标和纵坐标值，来对应体表投影的位置，在医生输入横纵坐标值后，能够选定投影需要放大的区域，便于医生观察，不需要助手辅助手持，影响手术连贯性；
具体地，还包括铰接轴位置调整步骤，在脚部定位后，调整大腿垫板1和小腿垫板2铰接轴在第一转动面内的位置，使铰接轴与医生大腿和小腿转动的虚拟轴重合。
具体地，所述步骤a中进行大腿固定时，通过固定垫8适应大腿形状并将医生大腿与小腿连接的一端固定，固定方向为垂直于第一转动面的直线方向。
具体实施例二十一
本实施例公开的面向微创手术体表投影调整方法的纵坐标量输出方法，所述方法应用在一种用于微创手术体表投影的调整方法上，用于将代表医生意图的纵坐标值进行输出；
具体地，设定一个小腿垫板2的长度方向与竖直方向的夹角为纵坐标零点，设定第一角度传感器5在小腿垫板2处于设定的纵坐标零点位置时输出值为零，在医生需要输入纵坐标量时，通过向前或向后摆动小腿，小腿带动小腿垫板2以小腿垫板2和大腿垫板1的铰接轴为轴在第一转动面内摆动，通过第一角度传感器5获取小腿垫板2摆动的幅度，并将小腿垫板2的摆动幅度对应的数值作为纵坐标量进行输出。
具体实施例二十二
本实施例公开的面向微创手术体表投影调整方法的横坐标量输出方法，所述方法应用在一种用于微创手术体表投影的调整方法上，用于将代表医生意图的横坐标值进行输出；
设定一个脚部垫板3的脚尖夹板3-2与脚跟夹板3-3的连线与第一转动面的夹角为横坐标零点，设定第二角度传感器6在脚部垫板3处于设定的横坐标零点位置时输出值为零，在医生需要输入横坐标量时，通过向左或向右扭动脚部，脚部带动脚部垫板3以脚部垫板3和小腿垫板2转动连接的转轴为轴在第二转动面内摆动，通过第二角度传感器6获取脚部垫板 3摆动的幅度，并将脚部垫板3的摆动幅度对应的数值作为横坐标量进行输出。
具体实施例二十三
本实施例公开的面向微创手术体表投影调整方法的操作意图输出方法，所述方法应用在一种用于微创手术体表投影的调整方法上，用于将医生对体表投影的操作意图的进行输出；
在医生脚尖向上翘起或向下踩踏时，脚尖沿第一弧面3-5滑动路径能够触及的位置分布设置第一按键3-7和第二按键3-8，分别设定第一按键3-7和第二按键3-8对应一种医生需要对体表投影的指定区域进行操作的意图，医生通过向上或向下移动脚尖，脚尖沿第一弧面3-5 滑动，使脚尖触碰第一按键3-7或第二按键3-8，通过第一按键3-7或第二按键3-8输出医生的操作意图。
具体实施例二十四
本实施例公开的面向微创手术体表投影调整方法的轴调整方法，所述方法应用在具体实施例二十公开的一种用于微创手术体表投影的调整方法上，用于用于根据小腿垫板2沿上端铰接轴摆动时，人体脚部底面与脚部垫板3的表面角度的变化调整大腿垫板1和小腿垫板2 的铰接轴在第一转动面上的位置，使铰接轴的轴线与人体大腿和小腿转动的虚拟轴线重合；
具体地，包括以下步骤：
步骤a、脚底面定位：在脚部定位时，所述第二固定件7-6将设置在摆台7-5下方的固定平面升起，固定平面与摆台7-5的下表面接触，使摆台7-5的上表面与脚部垫板3的上表面平行，将脚底面定位，使脚底面与脚部垫板3的上表面平行；
步骤b、脚尖固定：在脚部定位时，脚尖夹板3-2和脚跟夹板3-3将脚部在长度方向上夹持后，第一固定件7-3的固定头向第一腰形7-2移动，固定头压紧第一腰形条7-2上的滑套将滑套的位置固定，滑套通过摩擦力将医生脚尖在第一腰形条7-2滑动面上的位置固定；
步骤c、获取脚底面角度变化；结合图18所示，医生小腿带动小腿垫板2沿着小腿垫板2与大腿垫板1的铰接轴在第一转动面内往复摆动，读取第一角度传感器5的读数，定义第一角度传感器5的读数中相邻的最大至与最小值之间为一个周期，选取一个周期，读取该周期内最大值a和最小值b，对比a和-b的大小，若a＞-b，选取该周期内-b至b段作为取样段，若a＜-b，选取该周期内a至-a段作为取样段，读取摆台传感器7-5-1的读数，并将摆台传感器7-5-1的读数与第一角度传感器5的读数按时间轴对应，截取取样段内摆台传感器7-5-1的读数，从而获取取样段内脚底面相对于脚部垫板3角度的变化值；
步骤d、偏移方向判断：读取截取段的两个端点对应摆台传感器7-5-1的读数c和d，读取c和d的正负号，并定义第一转动面内水平方向为水平轴、竖直方向为竖直轴，摆台7-5的上表面与脚部垫板3上表面平行时摆台传感器7-5-1的读数为零，摆台7-5在第一转动面内沿顺时针转动时摆台传感器7-5-1输出负值，摆台7-5在第一转动面内沿逆时针转动时摆台传感器7-5-1输出负值，人体大腿和小腿转动的虚拟轴位于水平轴和竖直轴的交点，若c为正数、 d为负数则认为虚拟轴位于铰接轴右侧，若c为负数、d为正数则认为虚拟轴位于铰接轴左侧，若c为正数、d为正数则认为虚拟轴位于铰接轴下方，若c为负数、d为负数则认定虚拟轴位于铰接轴上方；结合图18和图19所示，当人体腿部的虚拟轴位于铰接轴左侧时，向前摆动腿部时，第一角度传感器5输出正值，由于虚拟轴与铰接轴不同轴，人体小腿具有沿小腿长度方向向下的运动趋势，由于脚尖被固定，脚底面带动摆台相对于脚部垫板3上表面沿顺时针方向偏转，此时摆台传感器输出负值，当人体腿部向后摆动时，第一角度传感器输出负值，人体小腿具有沿小腿长度方向向上的运动趋势，由于脚尖被固定，脚底面带动摆台相对于脚部垫板3上表面沿逆时针方向偏转，此时摆台传感器输出正值；
步骤e、铰接轴调整：设定一个长度量m，若c和d符号不同，将铰接轴沿水平轴移动一个m长度，若c为正数、d为负数则将铰接轴向右侧移动，若c为负数、d为正数则将铰接轴左侧移动，重复步骤d，若c和d均未变号，继续移动一个长度m，直至c和d发生变号，若c和d均变号，移动0.5m长度，直至c和d符号相同，将铰接轴沿竖直轴移动一个m 长度，若c为正数、d为正数则将铰接轴向下方移动，若c为负数、d为负数则将铰接轴向上方移动，重复步骤d直至c和d符号不同，停止移动；
若c和d符号相同，将铰接轴沿竖直轴移动一个m长度，若c为正数、d为正数则将铰接轴向下方移动，若c为负数、d为负数则将铰接轴向上方移动，重复步骤d直至c和d符号不同，停止移动，将铰接轴沿水平轴移动一个m长度，若c为正数、d为负数则将铰接轴向右侧移动，若c为负数、d为正数则将铰接轴左侧移动，重复步骤d，若c和d均未变号，继续移动一个长度m，直至c和d发生变号，若c和d均变号，移动0.5m长度，直至c和d符号相同，停止移动；
结合图20和图21所示，忽略脚部长度，小腿简化为线段e、小腿垫板简化为线段f，小腿线段e的轨迹在竖直线左侧时位于垫板线f外侧，使c为负数、小腿线段e的轨迹在竖直线右侧时位于垫板线f外侧，使d为正数，判断为虚拟轴位于铰接轴左侧，将铰接轴向左移动一个m值，此时在一个周期内，c为负数、d为正数，判断为虚拟轴仍然位于铰接轴左侧，继续将铰接轴向左移动一个m值，直至，c变成正数、d变成辅助，判断为虚拟轴位于铰接右侧，此时虚拟轴与铰接轴在水平方向上的距离值小于一个m值，次时将m值减小为0.5m 值，继续移动，若c、d未变号则继续移动，若c、d变号则继续减小移动量，直至c、d同号，此时对虚拟轴和铰接轴进行高度方向的调整，此时小腿线段e的轨迹在垫板线f外侧，使c、d均为正数，判断虚拟轴位于铰接轴上方，将铰接轴向上移动一个m值，使小腿垫板的长度增加一个m值，若c、d仍然同号，继续在竖直方向上移动，若c、d异号，转入水平方向调整，设定一个阈值n，在将m值减小到小于n时，认为虚拟轴和铰接轴的误差在允许范围内，停止调整；
具体地，所述步骤d中，通过在摆台7-5上设置第三角度传感器进行检测，设定第三角度传感器在摆台7-5上表面与脚部垫板3上表面平行时输出值为零，摆台7-5在第一转动面内沿顺时针转动时摆台传感器7-5-1输出负值，摆台7-5在第一转动面内沿逆时针转动时摆台传感器7-5-1输出负值。
具体实施例二十五
本实施例公开的面向微创手术体表投影轴调整的脚底面角度获取方法，所述方法应用在具体实施例二十四公开的面向微创手术体表投影调整方法的轴调整方法上；
具体地，医生小腿带动小腿垫板2沿着小腿垫板2与大腿垫板1的铰接轴在第一转动面内往复摆动，读取第一角度传感器5的读数，定义第一角度传感器5的读数中相邻的最大至与最小值之间为一个周期，选取一个周期，读取该周期内最大值a和最小值b，对比a和-b 的大小，若a＞-b，选取该周期内-b至b段作为取样段，若a＜-b，选取该周期内a至-a段作为取样段，读取摆台传感器7-5-1的读数，并将摆台传感器7-5-1的读数与第一角度传感器5的读数按时间轴对应，截取取样段内摆台传感器7-5-1的读数，从而获取取样段内脚底面相对于脚部垫板3角度的变化值。
具体实施例二十六
本实施例公开的面向微创手术体表投影轴调整的偏移方向判断方法，所述方法应用在具体实施例二十四公开的面向微创手术体表投影调整方法的轴调整方法上；
具体地，读取截取段的两个端点对应摆台传感器7-5-1的读数c和d，读取c和d的正负号，并定义第一转动面内水平方向为水平轴、竖直方向为竖直轴，摆台7-5的上表面与脚部垫板3上表面平行时摆台传感器7-5-1的读数为零，摆台7-5在第一转动面内沿顺时针转动时摆台传感器7-5-1输出负值，摆台7-5在第一转动面内沿逆时针转动时摆台传感器7-5-1输出负值，人体大腿和小腿转动的虚拟轴位于水平轴和竖直轴的交点，若c为正数、d为负数则认为虚拟轴位于铰接轴右侧，若c为负数、d为正数则认为虚拟轴位于铰接轴左侧，若c为正数、d为正数则认为虚拟轴位于铰接轴下方，若c为负数、d为负数则认定虚拟轴位于铰接轴上方；
具体实施例二十七
本实施例公开的面向微创手术体表投影轴调整的铰接轴调整方法，所述方法应用在具体实施例二十四公开的面向微创手术体表投影调整方法的轴调整方法上；
具体地，步骤e、铰接轴调整：设定一个长度量m，若c和d符号不同，将铰接轴沿水平轴移动一个m长度，若c为正数、d为负数则将铰接轴向右侧移动，若c为负数、d为正数则将铰接轴左侧移动，重复步骤d，若c和d均未变号，继续移动一个长度m，直至c和d 发生变号，若c和d均变号，移动0.5m长度，直至c和d符号相同，将铰接轴沿竖直轴移动一个m长度，若c为正数、d为正数则将铰接轴向下方移动，若c为负数、d为负数则将铰接轴向上方移动，重复步骤d直至c和d符号不同，停止移动；
若c和d符号相同，将铰接轴沿竖直轴移动一个m长度，若c为正数、d为正数则将铰接轴向下方移动，若c为负数、d为负数则将铰接轴向上方移动，重复步骤d直至c和d符号不同，停止移动，将铰接轴沿水平轴移动一个m长度，若c为正数、d为负数则将铰接轴向右侧移动，若c为负数、d为正数则将铰接轴左侧移动，重复步骤d，若c和d均未变号，继续移动一个长度m，直至c和d发生变号，若c和d均变号，移动0.5m长度，直至c和d符号相同，停止移动。
Claims (3)
1.一种检测单像素血管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤b121、计算Frangi血管特征量F特征参数，如下：
其中，λ1和λ2为Hessian矩阵的两个正交特征值，特征值负值为亮、正值为暗，对于PTAM内腔图像，血管为暗、背景为亮，有0＜λ1＜λ2；结合参考目前普遍采用的λ1、λ1λ2和1-exp(-2(λ1/λ2)2)判据，考虑图像特征对噪声敏感性，按照如下关系，区分背景噪声、微血管、分支点或微小特征、血滴或镜面反射区；关系一、λ1接近于0，λ2接近于0，为背景噪声；关系二、λ1接近于0，λ2接近于1，为微血管；关系三、λ1接近于0.5，λ2接近于1，为分支点和微小特征；关系四、λ1接近于1，λ2接近于1，为血滴和镜面反射区；σ为标准偏差；β和c为设定的阈值；
所述Hessian矩阵为：
其中，L为绿分量图像的尺度空间，如下：L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)*I(x,y)，G(x,y,σ)表示标准偏差为σ的高斯函数，I(x,y)为绿分量图像；
步骤b122、采用血管特征中线替代Frangi血管特征量F(x,y,σ)，所述血管特征中线为像素灰度在V2方向一阶差分符号改变的像素位置；所述V2为Hessian矩阵的一个特征向量；
步骤b123、为克服微血管或背景噪声会导致大量的误判，加权计算中线R，如下：
其中，(u2,v2)T＝V2，ε为像素宽度。
2.根据权利要求1所述的一种检测单像素血管的方法，其特征在于，用于PTAM内腔三维建模。
3.根据权利要求2所述的一种检测单像素血管的方法，其特征在于，所述PTAM内腔三维建模用于微创手术中体表投影虚拟透明观察内腔。
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