CN114451997B - 一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法 - Google Patents

一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114451997B
CN114451997B CN202210238950.2A CN202210238950A CN114451997B CN 114451997 B CN114451997 B CN 114451997B CN 202210238950 A CN202210238950 A CN 202210238950A CN 114451997 B CN114451997 B CN 114451997B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coordinate system
endoscope
tracking
transformation matrix
camera
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210238950.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114451997A (zh
Inventor
殷雷
蒋振刚
魏国栋
师为礼
许毅
李永辉
李岩芳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun University of Science and Technology
Original Assignee
Changchun University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun University of Science and Technology filed Critical Changchun University of Science and Technology
Priority to CN202210238950.2A priority Critical patent/CN114451997B/zh
Publication of CN114451997A publication Critical patent/CN114451997A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114451997B publication Critical patent/CN114451997B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
    • A61B2034/2057—Details of tracking cameras
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2059—Mechanical position encoders

Abstract

一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法属于医疗器械技术领域，目的在于解决现有技术存在的跟踪光线受遮挡，导航系统丢失内窥镜和手术工具的空间位置信息，无法进行手术操作的问题。本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置包括：光学跟踪设备；组合装置，组合装置包括被动式跟踪刚体、内窥镜以及相机，被动式跟踪刚体刚性固定于内窥镜尾端上方，相机刚性固定于内窥镜尾端下方；支架；支架尾端固定于手术部位附近的手术台上；以及棋盘标定板；棋盘标定板刚性固定于支架顶端。本发明在少量地增加了手术导航系统成本与复杂性的基础上，达到了保持跟踪信息的连续性、减少跟踪光线对医生的束缚、解决因跟踪光线遮挡问题带来的手术风险等效果。

Description

一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种解决光学遮挡的手术导航装置以及导航方法。
背景技术
近年来，计算机软硬件技术、空间定位技术、医学影像技术的飞速发展，使得手术导航系统可以应用在更多类型的外科手术中。手术导航系统根据患者术前采集的影像数据(MRI、CT等)重建手术部位的三维模型，该模型在术前协助医生制定手术方案，在术中向医生反馈手术器械与病灶的相对位置。
在传统的外科手术中，病患受到的创伤较大、恢复时间较长。微创外科手术通过轻微的创伤，将手术工具或药物送入人体中，进行一系列的外科手术操作，从而达到治疗的效果。与传统外科手术相比，微创手术具有创伤小、恢复时间短的特点。因此，微创外科手术逐渐被普及到更多类型的外科手术中。但是，微创外科手术也大大地增加了手术难度。现今，应用于临床的手术导航系统大多是基于光学跟踪方法的，这种基于光学跟踪的手术导航系统具有较高的跟踪精度。但是，一旦跟踪光线受到了遮挡，导航系统就会丢失内窥镜和手术工具的空间位置信息。微创手术的操作空间非常狭小，在操作过程中遮挡是无法避免的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种解决光学遮挡的手术导航装置以及导航方法，解决现有技术存在的跟踪光线受遮挡，导航系统丢失内窥镜和手术工具的空间位置信息，无法进行手术操作的问题。实现在光学跟踪光线被遮挡的情况下，实时的跟踪定位内窥镜和手术工具的空间位置信息。
为实现上述目的，本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置包括：
光学跟踪设备；
组合装置，所述组合装置包括被动式跟踪刚体、内窥镜以及相机，所述被动式跟踪刚体刚性固定于内窥镜尾端上方，相机刚性固定于内窥镜尾端下方；
支架；所述支架尾端固定于手术部位附近的手术台上；
以及棋盘标定板；所述棋盘标定板刚性固定于支架顶端。
基于一种解决光学遮挡的手术导航装置的导航方法包括以下步骤：
步骤一：在手术前，分别获取以下变换矩阵：
1)棋盘标定板坐标系至相机坐标系的变换矩阵，记为并记录当前位姿下被动式跟踪刚体坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为/>相机的内参矩阵，记为M；
2)被动式跟踪刚体坐标系至内窥镜坐标系的变换矩阵，记为
3)被动式跟踪刚体坐标系至相机坐标系的变换矩阵，记为
4)内窥镜坐标系至相机坐标系的变换矩阵，记为
5)棋盘标定板坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为
步骤二：在手术中，将光学跟踪设备捕获的内窥镜的位姿信息0与利用组合装置捕获的内窥镜的位姿信息B修正后的位姿信息B’输入扩展卡尔曼滤波器中，由扩展卡尔曼滤波器估计出较优的位姿信息，并以此作为内窥镜的跟踪结果；其中，当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器主要根据位姿信息0与修正后的位姿信息B’来估计出较优的位姿信息；当跟踪光线被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器根据修正后的组合装置捕获的内窥镜的位姿信息B′来估计出较优的位姿信息。
步骤一中第1)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用相机、被动式跟踪刚体、棋盘标定板、光学跟踪设备根据张正友标定法，获取相机的内参矩阵M与棋盘标定板坐标系至相机坐标系的变换矩阵并通过光学跟踪设备记录当前位姿下被动式跟踪刚体坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为/>
步骤一中第2)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用内窥镜、被动式跟踪刚体、棋盘标定板、光学跟踪设备根据手眼标定法，获取被动式跟踪刚体坐标系至内窥镜坐标系的变换矩阵，记为
步骤一中第3)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用相机、被动式跟踪刚体、棋盘标定板、光学跟踪设备根据手眼标定法，获取被动式跟踪刚体坐标系至相机坐标系的变换矩阵
步骤一中第4)条获取的变换矩阵的方法具体为：
根据式(一)求得内窥镜坐标系至相机坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵。
步骤一中第5)条获取的变换矩阵的方法具体为：
根据公式(二)求解出棋盘标定板坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵。
步骤二中所述的光学跟踪设备捕获的内窥镜的位姿信息0具体包括以下步骤：
步骤I、利用光学跟踪设备、被动式跟踪刚体根据光学跟踪法，获取当前被动式跟踪刚体至世界坐标系的变换矩阵，记为
步骤II、根据公式(三)计算获得当前位姿下内窥镜坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵；
变换矩阵即为由光学跟踪设备获取的内窥镜在世界坐标系下的位姿信息，记为0。
步骤二中所述的组合装置捕获的内窥镜的位姿信息B具体包括以下步骤：
步骤I、从相机a3在当前位姿下获取的图像与棋盘标定板板坐标系中提取四对匹配点{Pa，Pb，Pc，Pd}与{PA，PB，PC，PD}，PA与Pa、PB与Pb、PC与Pc、PD与Pd，一一对应；其中小写字母表示的点是大写字母表示的点在相机成像平面上的投影，根据这四对匹配点利用P3P方法即可求出点Pa、Pb、Pc在相机坐标系的坐标；其中，{PD，Pd}为验证点对，所以不需要求出Pd在相机坐标系的坐标。
步骤II、根据点Pa、Pb、Pc在相机a3坐标系的坐标利用ICP方法即可求出棋盘标定板坐标系到相机坐标系的变换矩阵
步骤III、根据公式(四)求得当前位姿下内窥镜坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为/>的逆矩阵；
变换矩阵即为由组合装置获取的内窥镜在世界坐标系下的位姿信息，记为B。
步骤二中所述修正组合装置捕获的位姿信息B具体包括以下步骤：
步骤I、求取偏置误差E；
当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，利用公式(五)求得偏置误差E：
E＝O-B (五)
当跟踪光线被遮挡时，利用公式(六)求得偏置误差E；其中，0w为跟踪光线没有被遮挡时光学跟踪设备最后捕获的内窥镜的位姿信息，Bw为跟踪光线没有被遮挡时组合装置最后捕获的内窥镜的位姿信息。
E＝Ow-Bw (六)
步骤II、根据公式(七)修正位姿信息B；
B′＝B+E (七)
从而得到修正后的位姿信息B′。
本发明的有益效果为：本发明在内窥镜末端固定一个相机，凭借该相机与一个已知世界坐标位置的棋盘标定板根据张正友标定法与手眼标定法获得内窥镜坐标系与棋盘标定板坐标系间的变换矩阵。因为棋盘标定板坐标系与世界坐标系间的变换矩阵已知，所以内窥镜坐标系与世界坐标系间的变换矩阵就可以被求出，从而能够在跟踪光线被遮挡的情况下，获取到内窥镜在世界坐标系下的位姿信息。以此来解决跟踪光线被遮挡时内窥镜的空间位姿信息丢失的问题。该方法保持了跟踪信息的连续性，减少了跟踪光线对医生的束缚，解决了因跟踪光线遮挡问题带来的手术风险。本发明在少量地增加了手术导航系统成本与复杂性的基础上，达到了保持跟踪信息的连续性、减少跟踪光线对医生的束缚、解决因跟踪光线遮挡问题带来的手术风险等效果。
附图说明
图1为本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置中组合装置以及棋盘标定板结构示意图；
图2为本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置整体结构示意图；
图3为术前求出的各个变换矩阵示意图；
图4为术中光学跟踪设备与组合装置捕获内窥镜位姿信息的示意图，
图5为棋盘标定板上的点投影到相机成像平面的示意图；
其中：a、组合装置，a1、被动式跟踪刚体，a2、内窥镜，a3、相机，b、棋盘标定板，c、支架，d、光学跟踪设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1至附图5，本发明的一种解决光学遮挡的手术导航装置包括：
光学跟踪设备d；光学跟踪设备是领域内比较常见的设备，我们在用的设备有多种型号，如NDI Polaris Vicra，0ptiTrack V120：Duo；
组合装置a，所述组合装置a包括被动式跟踪刚体a1、内窥镜a2以及相机a3，所述被动式跟踪刚体a1刚性固定于内窥镜a2尾端上方，相机a3刚性固定于内窥镜a2尾端下方；
支架c；所述支架c尾端固定于手术部位附近的手术台上；
以及棋盘标定板b；所述棋盘标定板b刚性固定于支架c顶端。棋盘标定板是在领域内一个具有公知性的工具。
基于一种解决光学遮挡的手术导航装置的导航方法包括以下步骤：
步骤一：在手术前，为了得到棋盘标定板坐标系至世界坐标系的变换矩阵，分别需要获取以下变换矩阵：利用张正友标定法、手眼标定发求取各个变换矩阵，在本领域内是公知的方法；
1)棋盘标定板b坐标系至相机a3坐标系的变换矩阵，记为并记录当前位姿下被动式跟踪刚体a1坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为/>相机a3的内参矩阵，记为M；
2)被动式跟踪刚体a1坐标系至内窥镜a2坐标系的变换矩阵，记为
3)被动式跟踪刚体a1坐标系至相机a3坐标系的变换矩阵，记为
4)内窥镜a2坐标系至相机a3坐标系的变换矩阵，记为
5)棋盘标定板b坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为
上述各个变换矩阵如图3所示，该步骤的目的是为了得到棋盘标定板b坐标系至世界坐标系的变换矩阵世界坐标系由光学跟踪设备的制造商定义，其大多建立在光学跟踪设备的左相机处；
步骤二：在手术中，将光学跟踪设备d捕获的内窥镜a2的位姿信息0与利用组合装置a捕获的内窥镜a2的位姿信息B修正后的位姿信息B’输入扩展卡尔曼滤波器中，由扩展卡尔曼滤波器估计出较优的位姿信息，并以此作为内窥镜a2的跟踪结果；其中，当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器主要根据位姿信息0与修正后的位姿信息B’来估计出较优的位姿信息；当跟踪光线被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器根据修正后的组合装置a捕获的内窥镜a2的位姿信息B′来估计出较优的位姿信息。
图4中，实线为光学跟踪设备d捕获内窥镜a2位姿信息所用的变换矩阵，虚线为组合装置a捕获内窥镜a2位姿信息所用的变换矩阵；需要说明的是，加粗字体的变换矩阵为术前求得的，非加粗字体的变换矩阵为术中求得的；
步骤一中第1)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用相机a3获取支架c顶端的棋盘标定板b图像，并利用光学跟踪设备d获取当前位姿下内窥镜a2上方被动式跟踪刚体a1的坐标系与世界坐标系的变换关系，记为重复上述操作N次，获取N张棋盘标定板图像与N个跟踪刚体坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为/>根据N张棋盘标定板图像利用张正友标定法，求解出相机a3的内参矩阵与N个外参矩阵，并利用L-M算法优化求得的矩阵；外参矩阵，既棋盘标定板坐标系与相机a3的坐标系之间的变换矩阵，记为/>其中，世界坐标系由光学跟踪设备的制造商定义，其大多建立在光学跟踪设备的左相机处；
步骤一中第2)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用内窥镜a2、被动式跟踪刚体a1、棋盘标定板b、光学跟踪设备d根据手眼标定法，获取被动式跟踪刚体a1坐标系至内窥镜a2坐标系的变换矩阵，记为
步骤一中第3)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用相机a3、被动式跟踪刚体a1、棋盘标定板b、光学跟踪设备d根据手眼标定法，获取被动式跟踪刚体a1坐标系至相机a3坐标系的变换矩阵
步骤一中第4)条获取的变换矩阵的方法具体为：
根据式(一)求得内窥镜a2坐标系至相机a3坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵。
步骤一中第5)条获取的变换矩阵的方法具体为：
根据公式(二)求解出棋盘标定板b坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：i＝{1，2，...，N}，为术前获得的/>的逆矩阵。
根据公式(三)求解出N个的均值/>以/>作为棋盘标定板坐标系至世界坐标系的变换矩阵。
步骤二中所述的光学跟踪设备d捕获的内窥镜a2的位姿信息0具体包括以下步骤：
步骤I、利用光学跟踪设备d、被动式跟踪刚体a1根据光学跟踪法，获取当前被动式跟踪刚体a1至世界坐标系的变换矩阵，记为
步骤II、根据公式(四)计算获得当前位姿下内窥镜a2坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵；
变换矩阵即为内窥镜a2在世界坐标系下的位姿信息，记为0。
步骤二中所述的组合装置(a)捕获的内窥镜(a2)的位姿信息B具体包括以下步骤：
步骤I、从相机a3在当前位姿下获取的图像与棋盘标定板板坐标系中提取四对匹配点{Pa，Pb，Pc，Pd}与{PA，PB，PC，PD}，PA与Pa、PB与Pb、PC与Pc、PD与Pd，一一对应；PA、PB和PC为棋盘标定板b上的点，Pa，Pb和Pc为相机a3成像平面上的点，其中小写字母表示的点是大写字母表示的点在相机a3成像平面上的投影，前三对匹配点的投影关系如图5所示，根据这四对匹配点利用P3P方法即可求出点Pa、Pb、Pc在相机a3坐标系的坐标；其中，{PD，Pd}为验证点对，所以不需要求出Pd在相机a3坐标系的坐标。
步骤II、根据点Pa、Pb、Pc在相机a3坐标系的坐标利用ICP方法即可求出棋盘标定板坐标系到相机a3坐标系的变换矩阵
步骤III、根据公式(五)求得当前位姿下内窥镜a2坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为/>的逆矩阵；
变换矩阵即为内窥镜a2在世界坐标系下的位姿信息，记为B；
步骤二中所述修正组合装置a捕获的位姿信息B具体包括以下步骤：
步骤I、求取偏置误差E；
当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，利用公式(六)求得偏置误差E；
E＝O-B (六)
当跟踪光线被遮挡时，利用公式(七)求得偏置误差E；其中，0w为跟踪光线没有被遮挡时光学跟踪设备d最后捕获的内窥镜a2的位姿信息，Bw为跟踪光线没有被遮挡时组合装置a最后捕获的内窥镜a2的位姿信息；
E＝Ow-Bw (七)
需要说明的是，光学跟踪设备d拥有判断是否跟踪到被动式跟踪刚体a1的功能，当光学跟踪设备d判断追踪到了被动式跟踪刚体a1时，说明光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡；当光学跟踪设备d判断没有追踪到被动式跟踪刚体a1时，说明光学跟踪设备的跟踪光线被遮挡；
步骤II、根据公式(八)修正位姿信息B；
B′＝B+E (八)
从而得到修正后的位姿信息B′。

Claims (9)

1.一种解决光学遮挡的手术导航系统，其特征在于，包括：
光学跟踪设备(d)；
组合装置(a)，所述组合装置(a)包括被动式跟踪刚体(a1)、内窥镜(a2)以及相机(a3)，所述被动式跟踪刚体(a1)刚性固定于内窥镜(a2)尾端上方，相机(a3)刚性固定于内窥镜(a2)尾端下方；
支架(c)；所述支架(c)尾端固定于手术部位附近的手术台上；
以及棋盘标定板(b)；所述棋盘标定板(b)刚性固定于支架(c)顶端；
该系统还包括解决光学遮挡的手术导航方法，包括以下步骤：
步骤一：在手术前，分别需要获取以下变换矩阵：
1)棋盘标定板(b)坐标系至相机(a3)坐标系的变换矩阵，记为并记录当前位姿下被动式跟踪刚体(a1)坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为/>相机(a3)的内参矩阵，记为M；
2)被动式跟踪刚体(a1)坐标系至内窥镜(a2)坐标系的变换矩阵，记为
3)被动式跟踪刚体(a1)坐标系至相机(a3)坐标系的变换矩阵，记为
4)内窥镜(a2)坐标系至相机(a3)坐标系的变换矩阵，记为
5)棋盘标定板(b)坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为
步骤二：在手术中，将光学跟踪设备(d)捕获的内窥镜(a2)在世界坐标系下的位姿信息O与利用组合装置(a)捕获的内窥镜(a2)在世界坐标系下的位姿信息B修正后的位姿信息B’输入扩展卡尔曼滤波器中，由扩展卡尔曼滤波器估计出较优的位姿信息，并以此作为内窥镜(a2)的跟踪结果；其中，当光学跟踪设备(d)的跟踪光线没有被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器根据位姿信息O与修正后的位姿信息B’来估计出较优的位姿信息；当跟踪光线被遮挡时，扩展卡尔曼滤波器根据修正后的组合装置(a)捕获的内窥镜(a2)的位姿信息B'来估计出较优的位姿信息。
2.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤一中第1)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用相机(a3)、被动式跟踪刚体(a1)、棋盘标定板(b)、光学跟踪设备(d)根据张正友标定法，获取相机(a3)的内参矩阵M与棋盘标定板(b)坐标系至相机(a3)坐标系的变换矩阵并通过光学跟踪设备(d)记录当前位姿下被动式跟踪刚体(a1)坐标系至世界坐标系的变换矩阵，记为/>
3.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤一中第2)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用内窥镜(a2)、被动式跟踪刚体(a1)、棋盘标定板(b)、光学跟踪设备(d)根据手眼标定法，获取被动式跟踪刚体(a1)坐标系至内窥镜(a2)坐标系的变换矩阵，记为
4.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤一中第3)条获取的变换矩阵的方法具体为：
利用相机(a3)、被动式跟踪刚体(a1)、棋盘标定板(b)、光学跟踪设备(d)根据手眼标定法，获取被动式跟踪刚体(a1)坐标系至相机(a3)坐标系的变换矩阵
5.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤一中第4)条获取的变换矩阵的方法具体为：
根据式(一)求得内窥镜(a2)坐标系至相机(a3)坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵。
6.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤一中第5)条获取的变换矩阵的方法具体为
根据公式(二)求解出棋盘标定板(b)坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵。
7.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤二中所述的光学跟踪设备(d)捕获的内窥镜(a2)的位姿信息O具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ、利用光学跟踪设备(d)、被动式跟踪刚体(a1)根据光学跟踪法，获取当前被动式跟踪刚体(a1)至世界坐标系的变换矩阵，记为
步骤Ⅱ、根据公式(三)计算获得当前位姿下内窥镜(a2)坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为术前获得的/>的逆矩阵；
变换矩阵即为由光学跟踪设备(d)获取的内窥镜(a2)在世界坐标系下的位姿信息，记为O。
8.根据权利要求1所述导航系统，其特征在于，步骤二中所述的组合装置(a)捕获的内窥镜(a2)的位姿信息B具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ、从相机(a3)在当前位姿下获取的图像与棋盘标定板(b)板坐标系中提取四对匹配点{Pa，Pb，Pc，Pd}与{PA，PB，PC，PD},PA与Pa、PB与Pb、PC与Pc、PD与Pd,一一对应；其中小写字母表示的点是大写字母表示的点在相机(a3)成像平面上的投影，根据这四对匹配点利用P3P方法即可求出点Pa、Pb、Pc在相机(a3)坐标系的坐标；其中，{PD,Pd}为验证点对，所以不需要求出Pd在相机(a3)坐标系的坐标；
步骤Ⅱ、根据点Pa、Pb、Pc在相机(a3)坐标系的坐标利用ICP方法即可求出棋盘标定板坐标系到相机(a3)坐标系的变换矩阵
步骤Ⅲ、根据公式(四)求得当前位姿下内窥镜(a2)坐标系至世界坐标系的变换矩阵
其中：为/>的逆矩阵；
变换矩阵即为由组合装置(a)获取的内窥镜(a2)在世界坐标系下的位姿信息，记为B。
9.根据权利要求8所述导航系统，其特征在于，所述的修正后的位姿信息B'具体包括以下步骤：
步骤Ⅰ、求取偏置误差E；
当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，利用公式(五)求得偏置误差E；
E＝O-B (五)
当跟踪光线被遮挡时，利用公式(六)求得偏置误差E；其中，Ow为跟踪光线没有被遮挡时光学跟踪设备(d)最后捕获的内窥镜(a2)的位姿信息，Bw为跟踪光线没有被遮挡时组合装置(a)最后捕获的内窥镜(a2)的位姿信息；
E＝Ow-Bw (六)
步骤Ⅱ、根据公式(七)修正位姿信息B；
B′＝B+E (七)
公式中E为偏置误差，当光学跟踪设备的跟踪光线没有被遮挡时，通过公式(五)求得，当跟踪光线被遮挡时，通过公式(六)求得；
从而得到修正后的位姿信息B'。
CN202210238950.2A 2022-03-08 2022-03-08 一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法 Active CN114451997B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210238950.2A CN114451997B (zh) 2022-03-08 2022-03-08 一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210238950.2A CN114451997B (zh) 2022-03-08 2022-03-08 一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114451997A CN114451997A (zh) 2022-05-10
CN114451997B true CN114451997B (zh) 2023-11-28

Family

ID=81416511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210238950.2A Active CN114451997B (zh) 2022-03-08 2022-03-08 一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114451997B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109674534A (zh) * 2017-10-18 2019-04-26 深圳市掌网科技股份有限公司 一种基于增强现实的手术导航图像显示方法和系统
CN111590594A (zh) * 2020-06-22 2020-08-28 南京航空航天大学 基于视觉引导的机器人轨迹跟踪控制方法
CN112991457A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 北京理工大学 手术导航中投影仪空间位置和内外参标定方法、装置
CN113940755A (zh) * 2021-09-30 2022-01-18 南开大学 一种术像一体的外科手术规划与导航方法
CN114027980A (zh) * 2021-10-30 2022-02-11 浙江德尚韵兴医疗科技有限公司 一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7892165B2 (en) * 2006-10-23 2011-02-22 Hoya Corporation Camera calibration for endoscope navigation system
US10426554B2 (en) * 2011-04-29 2019-10-01 The Johns Hopkins University System and method for tracking and navigation
US10105186B2 (en) * 2014-06-09 2018-10-23 The Johns Hopkins University Virtual rigid body optical tracking system and method
WO2017117517A1 (en) * 2015-12-30 2017-07-06 The Johns Hopkins University System and method for medical imaging
JP2019534717A (ja) * 2016-08-16 2019-12-05 インサイト メディカル システムズ インコーポレイテッド 医療処置における感覚増強のためのシステム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109674534A (zh) * 2017-10-18 2019-04-26 深圳市掌网科技股份有限公司 一种基于增强现实的手术导航图像显示方法和系统
CN111590594A (zh) * 2020-06-22 2020-08-28 南京航空航天大学 基于视觉引导的机器人轨迹跟踪控制方法
CN112991457A (zh) * 2021-02-22 2021-06-18 北京理工大学 手术导航中投影仪空间位置和内外参标定方法、装置
CN113940755A (zh) * 2021-09-30 2022-01-18 南开大学 一种术像一体的外科手术规划与导航方法
CN114027980A (zh) * 2021-10-30 2022-02-11 浙江德尚韵兴医疗科技有限公司 一种介入手术机器人系统及其标定与误差补偿方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A hand-eye calibration method for computer assisted endoscopy;Wei He, Kumsok Kang, Huamin Yang;11th International Conference on Natural Computation;全文 *
一种目标遮挡情况下的自动跟踪控制方法;李超;吴玉敬;徐飞飞;赵创社;张慧;孟立新;;应用光学(第05期);全文 *
基于CBCT 影像与双目视觉技术的颞下颌关节运动可视化系统开发与实现;李维维;中国优秀硕士学位论文全文数据库;全文 *
基于视觉的内窥镜端部位姿模型分析;易新华;钱晋武;张震;章亚男;沈林勇;;高技术通讯(第12期);全文 *
用于增强现实手术导航系统的光学-惯性混合跟踪方法;贺长宇;刘越;王涌天;;计算机辅助设计与图形学学报(第03期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114451997A (zh) 2022-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220054200A1 (en) Calibration method and device for dental implant navigation surgery, and tracking method and device for dental implant navigation surgery
JP6334052B2 (ja) 術中追跡方法
US10799316B2 (en) System and method for dynamic validation, correction of registration for surgical navigation
WO2018010040A1 (zh) 影像增强真实度的方法与应用该方法在可穿戴式眼镜的手术导引
US20180263698A1 (en) Image registration and augmented reality system and method augmented reality thereof
US6782287B2 (en) Method and apparatus for tracking a medical instrument based on image registration
CN111281540B (zh) 基于虚实融合的骨科微创术中实时可视化导航系统
CN103948361B (zh) 无标志点的内窥镜定位跟踪方法和系统
JP2002186603A (ja) 対象物の案内のための座標変換法
Zeng et al. A surgical robot with augmented reality visualization for stereoelectroencephalography electrode implantation
CN110464462B (zh) 腹部外科介入手术的图像导航配准系统及相关装置
CN112515763B (zh) 目标物的定位显示方法、系统、装置和电子设备
EP3897425A1 (en) Robotic surgery systems and surgical guidance methods thereof
CN114451997B (zh) 一种解决光学遮挡的手术导航装置及导航方法
CN113143459B (zh) 腹腔镜增强现实手术导航方法、装置及电子设备
WO2021111223A1 (en) Registration of an image with a tracking system
CN116458904A (zh) 平板c臂校准方法、装置、存储介质及电子设备
Salah et al. Improved navigated spine surgery utilizing augmented reality visualization
CN116188594A (zh) 沙姆相机的标定方法、标定系统、装置和电子设备
CN114283179A (zh) 基于超声图像的骨折远近端空间位姿实时获取与配准系统
Wei et al. Multi-Camera AR Navigation System for CT-Guided Needle Insertion Task
CN113786229A (zh) 一种基于ar增强现实的辅助穿刺导航方法
US11832895B2 (en) Method and system for register operating space
Konen et al. An image-based navigation support system for neuroendoscopic surgery
TWI741889B (zh) 手術空間註冊系統與方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant