CN115281850A - 基于半球激光列表法的器具姿态评价方法 - Google Patents
基于半球激光列表法的器具姿态评价方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法。该方法包括：将透明的棋盘贴纸粘贴在半球外表面上，用双目内窥镜测量系统捕捉某一帧k，包含左、右两张图片，由视觉匹配算法计算得到一张深度图Dk，获得深度图M个点的三维坐标值；将器具尖端放在半球上的每个标记点，调整器具姿态，使实时姿态
与估计的法向量姿态
重合；激光投射光斑到ECG上，记录
的姿态坐标值
重复执行放置器具尖端、调整姿态、投射光斑及记录姿态坐标值的操作，直至达到一定数量的数据样本；根据姿态估计的函数表达式，计算每一次的姿态误差角大小。本发明提供的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法能根据实验者意愿来增加测量点样本数，提高精度分析的可信度。
Description
技术领域
本发明涉及医工结合技术领域，特别是涉及一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法。
背景技术
人体骨头(如膝关节，脊椎外轮廓)多数情况是一个自由曲面，而且表面凹凸不平，当需要在骨表面施术时，仅凭外科医生的个人感觉难以获得一致、可靠的精度。基于视觉测量的姿态估计和定位在医工结合领域(如骨外科的机器人辅助诊断)上有着极其重要的地位，因其能以固定的姿态和进给量进行器具的插入或钻取骨头。目前，常见的姿态估计和器具定位方法是建立在三维图像或二维关键帧的基础上进行的，然而，这些评价方法并没有针对方法自身的特点设立误差分析，而是通过对比分析来进行评价，例如，与经验丰富的外科大夫徒手操作结果进行对比，或以现有的商业光学定位仪器作为黄金标准进行对比。这样的对比分析只能提供一个精度参考标准，不能发掘姿态估计算法误差产生的来源，也不能提供控制或改善误差的建议，因此无法提高姿态估计算法的精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，不需要复杂的构件和苛刻的实验环境，能根据实验者意愿来增加测量点样本数，以提高精度分析的可信度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，所述方法包括：透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系；分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器Si(i＝2,4)；在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧Rn，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角
在Rn上标记N(N≥1)个点，将Rn均等为N+1份小节弧；绕z轴逆时针转动半球
角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移；将透明的棋盘贴纸粘贴在半球外表面上，用双目内窥镜测量系统捕捉某一帧k，其中包含左、右两张图片，同时由视觉匹配算法计算得到一张深度图Dk，获得深度图
个点的三维坐标值；将器具尖端放在半球上的每个标记点，调整器具姿态，使实时姿态
与估计的法向量姿态
重合；激光投射光斑到ECG上，记录
的姿态坐标值
重复执行放置器具尖端、调整姿态、投射光斑及记录姿态坐标值的操作，直至达到一定数量的数据样本；根据姿态估计的函数表达式，计算每一次的姿态误差角大小。
在一些实施方式中，透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系，包括：在非金属工作台上固定医学心电图记录纸ECG，将透明标准半球模型置于ECG纸上，并定义球系三维坐标系xoy，使x,y轴位于ECG纸上，z轴过半球的上顶点。
在一些实施方式中，分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器Si(i＝2,4)，包括：分别在内窥镜和半球模型上布置位姿跟踪传感器S2和S4。
在一些实施方式中，传感器的布置规则包括：每个传感器跟内窥镜、半球是刚性连接；发射器位于半球模型的1平方米附件，以确保精度；测量时，周边不能有金属物件，以免影响精度。
在一些实施方式中，在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧Rn，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角
包括：选定初始弧线，在Oxy平面内，在半球边缘上等间隔平分水平转角
每个转角
对应着一条弧长为πr/2的圆弧，在半球上共标记n条弧长为πr/2的圆弧，每一条圆弧定义为Rn(n＝1,2,3,…,n)。
在一些实施方式中，在Rn上标记N(N≥1)个点，将Rn均等为N+1份小节弧，包括：在圆弧Rn上标记N(N≥1)个点，如第n条弧上的第N个标记点
，均等分为N+1段小圆弧，每段小圆弧所对应的圆心角θ相等。
在一些实施方式中，标记之后，顶点K到点
的弧长所对应的圆心角为
。
在一些实施方式中，绕z轴逆时针转动半球
角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移，包括：使ECG纸固定，并保持半球的上顶点位于z轴上，限制半球x，y方向的自由度，使半球绕z轴逆时针转动
角度。
在一些实施方式中，激光投射光斑到ECG上，记录
的姿态坐标值
包括：由半球半径r、标记点
的圆心角
标记点
所在圆弧Rn的转角
根据球面坐标系，利用如下公式，可计算出圆弧Rn上点
的三维坐标值
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明将内窥镜获取的三维图像和激光透视测量引入到姿态精度评价方法中，实现了以下创新：(1)器具姿态误差角的测量，是基于获取的三维图像上进行分析的，与其他的分析方法相比，更能体现内窥镜自身测量与自身评价的一致性，便于寻找姿态算法的误差来源；(2)利用标准透明球模型的优点，避免了其他几何造型(如平面，柱面)难以获取被测点理论法向量的问题；(3)借助内嵌激光模组将当前器具姿态透视到半球水平截面，由此建立了估算姿态与理论姿态的误差表达式。而且，可根据自定义提高被测点的样本数量来提高评价的可信度。综合上述创新，本方法实现了评价可靠性和效率的统一。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的流程示意图；
图2为内窥镜的目标物体轮廓采样示意图；
图3为双目内窥镜的光学设计布局示意图；
图4为器具的结构示意图；
图5为器具姿态估计和定位示意图；
图6为姿态评价方法的原理示意图。
附图标记说明：
21 电磁发射器 22 电磁传感器2
23 双目内窥镜 24 电磁传感器4
25 半球模型 26 ECG记录纸
31 双目摄像仪 32 散斑发射器模组
33 电磁传感器3 41 电磁传感器
42 通孔 43 激光
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
步骤一：在非金属工作台上固定医学心电图记录纸ECG26，将透明标准半球模型25(半径为r)置于ECG纸26上，并定义球系三维坐标系xoy，使x，y轴位于ECG纸26上，z轴过半球25的上顶点，如图2所示。
步骤二：如图3所示，分别在内窥镜23和半球模型25上布置位姿跟踪传感器S222和S424。传感器布置原则：(1)每个传感器跟内窥镜23、半球25是刚性连接，(2)发射器21位于半球模型25的1平方米附件，以确保精度，(3)测量时，周边不能有金属物件，以免影响精度。
步骤三：选定初始弧线，在Oxy平面内，在半球边缘上等间隔平分水平转角(绕z轴)
每个转角
对应着一条弧长为πr/2的圆弧，在半球25上共标记n条弧长为πr/2的圆弧，每一条圆弧定义为Rn(n＝1,2,3,…,n)。
步骤四：在圆弧Rn上标记N(N≥1)个点，如第n条弧上的第N个标记点
均等分为N+1段小圆弧，每段小圆弧所对应的圆心角θ相等。此外，半球25的上顶点K到点的弧长
所对应的圆心角为
顶点K到点的弧长
所对应的圆心角为
由此类推，顶点K到点的弧长
所对应的圆心角为
步骤五：使ECG纸26固定，并保持半球25的上顶点位于z轴上，限制半球x，y方向的自由度，使半球25绕z轴逆时针转动
角度。
步骤六：将透明的棋盘贴纸粘贴在半球25外表面上，用双目内窥镜23测量系统捕捉(要求尽可能多的标记点被左右摄像头拍摄到)某一帧k，其中包含左、右两张图片，通过视觉匹配算法(Semiglobal Matching算法)计算得到一张深度图Dk，该深度图具有画面上
个点的三维坐标值。
当双目内窥镜23对半球25表面进行扫描和计算时，三维重建的表面将在电磁发射器21坐标系中逐渐显示。令
表示扫描场景第k帧中的一个点集，cPi表示内窥镜23相机坐标系统下产生的点云坐标，则可以通过式1将3D点云转化到电磁发射器21坐标系下显示：
式(1)中，
表示传感器222相对于发射器21的方位，
表示相机相对于传感器222的方位，tPs2表示传感器222在发射器21坐标系下的位置，s2d是传感器222和相机之间的相对距离。
在步骤六中，扫描前后的粘贴和移除棋盘纸的操作，会对半球模型25产生位移和旋转，若利用式1来展示三维重建的曲面，则后续的位姿评估则或受到干扰或中断，因为半球模型25发生了平移。因此，在本方案中，我们提一种三维点的局部显示方法。该方法具有很好的鲁棒性和抗移动干扰的能力。
在半球表面上添加一个传感器4 24，如步骤二所述，并以传感器4 24替代式1中以电磁发射器21为中心的显示方法。因此，扫描场景第k帧中的3D点可以通过式2来显示：
式(2)中，tPs4表示传感器424在发射器21坐标系下的位置。基于式2的显示方法，可以避免被测物体扫描后因位置、姿态偏移后定位配准不同步的问题，因为式2是基于传感器424的显示方法，而传感器424与被测物半球模型25是刚性固定。
步骤七：本方案所采用的器具结构如图4所示。器具的轴向有一个通孔42，器具顶部通孔处内嵌一个微型激光模组43，该模组43能投射激光点图案。此外，器具顶部还固定安装一个电磁传感器41。
如图5所示，将器具尖端触碰半球上的标记点，如第n条弧上的第N个标记点
此时电脑屏幕上会显示两个向量。调整器具的姿态，使器具实时姿态
与姿态估计算法获得的法向量姿态
重合。投射激光光斑，激光透过半球投射到ECG纸26上，记录ECG纸26上(Oxy平面)得到点
与其坐标值。
步骤八：如图6所示，由半球半径r、标记点
的圆心角
标记点
所在圆弧Rn的转角
根据球面坐标系，可计算出圆弧Rn上点
的三维坐标值
重复步骤七、步骤八，直至达到一定数量的数据样本。标记点
测量越多，越具有评价意义。
步骤九：从步骤八可知
的三维坐标值
如图6所示，由坐标系原点O、标记点的
坐标、光斑在ECG纸上的点
的坐标可知线段
的长度，再由半球半径r，即已知三角形
三条边的长度，根据余弦定理，计算每一次标记点测量的姿态误差角β，如式4表示。对多次测量的姿态误差角进行统计，采用平均值和标准差的方式表示其误差精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，包括：
透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系；
分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器Si(i＝2,4)；
在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧Rn，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角
在Rn上标记N个点，将Rn均等为N+1份小节弧；
绕z轴逆时针转动半球
角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移；
将透明的棋盘贴纸粘贴在半球外表面上，用双目内窥镜测量系统捕捉某一帧k，其中包含左、右两张图片，同时由视觉匹配算法计算得到一张深度图Dk，获得深度图M个点的三维坐标值；
将器具尖端放在半球上的每个标记点，调整器具姿态，使实时姿态
与估计的法向量姿态
重合；
激光投射光斑到ECG上，记录
的姿态坐标值
重复执行放置器具尖端、调整姿态、投射光斑及记录姿态坐标值的操作，直至达到一定数量的数据样本；
根据姿态估计的函数表达式，计算每一次的姿态误差角大小。
2.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，透明标准半球模型置于医学心电图记录纸ECG上，定义球系三维坐标系，包括：
在非金属工作台上固定医学心电图记录纸ECG，将透明标准半球模型置于ECG纸上，并定义球系三维坐标系xoy，使x,y轴位于ECG纸上，z轴过半球的上顶点。
3.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，分别在内窥镜和半球模型上布置好位姿跟踪传感器Si(i＝2,4)，包括：
分别在内窥镜和半球模型上布置位姿跟踪传感器S2和S4。
4.根据权利要求3所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，传感器的布置规则包括：
每个传感器跟内窥镜、半球是刚性连接；
发射器位于半球模型的1平方米附件；
测量时，周边不能有金属物件。
5.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，在半球上标记n条弧长为πr/2的圆弧Rn，且每条圆弧均绕z轴等间隔水平转角
包括：
选定初始弧线，在Oxy平面内，在半球边缘上等间隔平分水平转角
每个转角
对应着一条弧长为πr/2的圆弧，在半球上共标记n条弧长为πr/2的圆弧，每一条圆弧定义为Rn(n＝1,2,3,…,n)。
6.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，在Rn上标记N个点，将Rn均等为N+1份小节弧，包括：
在圆弧Rn上标记N个点，如第n条弧上的第N个标记点
均等分为N+1段小圆弧，每段小圆弧所对应的圆心角θ相等。
7.根据权利要求6所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，标记之后，顶点K到点
的弧长所对应的圆心角为
8.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，绕z轴逆时针转动半球
角度，旋转时确保ECG纸保持不动，且半球没有x，y方向的平移，包括：
使ECG纸固定，并保持半球的上顶点位于z轴上，限制半球x，y方向的自由度，使半球绕z轴逆时针转动
角度。
9.根据权利要求1所述的基于半球激光列表法的器具姿态评价方法，其特征在于，激光投射光斑到ECG上，记录
的姿态坐标值
包括：
由半球半径r、标记点
的圆心角
标记点
所在圆弧Rn的转角
根据球面坐标系，利用如下公式，可计算出圆弧Rn上点
的三维坐标值
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