CN112043381A - 手术导航***及其识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机视觉技术领域，提供了一种手术导航***及其识别方法。该手术导航***，包括：视觉标记基体，所述视觉标记基体的外侧面沿所述视觉标记基体的轴向和周向均设置有视觉特征点；视觉导航仪，所述视觉导航仪设有差错控制编码模块，所述视觉标记基体和所述差错控制编码模块电连接。本发明通过沿视觉标记基体的轴向和周向均等间设置视觉特征点，视觉导航仪实时探测其视野范围内的视觉特征点的空间坐标，差错控制编码模块对探测的空间坐标进行纠错编码处理，进而识别视觉标记基体准确的空间位置和姿态，提高检测精度和可靠性。

Description

手术导航***及其识别方法

技术领域

本发明涉及计算机视觉技术领域，特别是涉及一种手术导航***及其识别方法。

背景技术

随着计算机技术的发展，手术导航以其精准、灵活、微创等优点，给外科手术带来了革命性的变化，引领现代医学从“直觉医疗”走向“精准医疗”。基于视觉导航技术的术中引导可以辅助医生按照预先确定的手术规划，精准的实施手术，并能最大限度地降低意外损伤邻近重要解剖结构的风险。

视觉导航技术的关键步骤是要准确可靠的识别出视觉标记的空间位置和姿态，一般在手术导航***中会使用视觉或电磁导航仪器作为关键的检测部件，来探测其视野范围内视觉标记的空间位置及姿态。视觉传感器在使用中受到光照条件、电磁干扰、视觉遮挡等环境因素影响，会造成导航偏差，影响手术精度，甚至造成医疗事故。传统的手术导航***中视觉标记结构过于简单，不具备冗余信息，进行视觉标记识别时，容易受环境影响，可靠性不够高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种手术导航***，以解决现有视觉导航仪检测精度低，可靠性差的问题。

本发明还提出一种手术导航***识别方法。

根据本发明第一方面实施例的一种手术导航***，包括：

视觉标记基体，所述视觉标记基体的外侧面沿所述视觉标记基体的轴向和周向均设置有视觉特征点；

视觉导航仪，所述视觉导航仪设有差错控制编码模块，所述视觉标记基体和所述差错控制编码模块电连接。

根据本发明的一个实施例，所述视觉标记基体的外侧面设有凹槽，所述视觉特征点可拆卸的设于所述凹槽内。

根据本发明的一个实施例，所述凹槽内设有磁铁，所述视觉特征点的安装端与所述磁铁吸附适配。

根据本发明的一个实施例，所述视觉特征点的检测端设有反光件。

根据本发明的一个实施例，所述视觉特征点的检测端设有沉头孔，所述反光件设于所述沉头孔内。

根据本发明的一个实施例，还包括手术器械，所述手术器械与所述视觉标记基体连接。

根据本发明的一个实施例，所述视觉导航仪还包括显示屏，所述显示屏与所述差错控制编码模块电连接。

根据本发明第二方面实施例的一种手术导航***识别方法，包括如下步骤：

将所述视觉标记基体设于人体待检测位置；

通过所述视觉导航仪采集所述视觉特征点在视觉坐标系下的空间坐标点信息；

通过所述差错控制编码模块对所述视觉导航仪的采集信息进行纠错编码处理；

通过所述视觉导航仪显示所述差错控制编码模块处理推算出的视觉坐标系下所述视觉标记基体的空间位置以及姿态。

根据本发明的一个实施例，所述通过所述差错控制编码模块对所述视觉导航仪的采集信息进行纠错编码处理步骤中，通过所述差错控制编码模块历遍所有坐标点信息，筛选三个以上共线的坐标点形成信息码组。

根据本发明的一个实施例，所述通过所述差错控制编码模块对所述视觉导航仪的采集信息进行纠错编码处理步骤中，通过所述差错控制编码模块向信息码组中增加监督码，并进行纠错编码处理。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

通过沿视觉标记基体的轴向和周向均等间设置视觉特征点，视觉导航仪实时探测其视野范围内的视觉特征点的空间坐标，差错控制编码模块对探测的空间坐标进行纠错编码处理，进而识别视觉标记基体准确的空间位置和姿态，提高检测精度和可靠性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例手术导航***的结构示意图；

图2为本发明实施例手术导航***中视觉标记基体的结构示意图；

图3为本发明实施例手术导航***中视觉特征点的结构示意图；

图4为本发明实施例手术导航***识别方法中点集匹配示意图。

附图标记：

100、视觉标记基体；110、视觉特征点；120、凹槽；130、磁铁；140、反光件；150、沉头孔；200、视觉导航仪；300、手术器械。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种手术导航***，包括：

视觉标记基体100，视觉标记基体100的外侧面沿视觉标记基体100的轴向和周向均设置有视觉特征点110；

视觉导航仪200，视觉导航仪200设有差错控制编码模块，视觉标记基体100和差错控制编码模块电连接。可以理解的是，视觉标记基体100呈圆柱状，在视觉标记基体100的外侧壁上设有视觉特征点110。为了方便对人体待检测部位全方位视察，沿视觉标记基体100的轴向和周向分别设置视觉特征点110。值得说明的，相邻两个视觉特征点110之间的距离可根据实际手术需要具体设置，可以选择等间距设置，也可以选择设定间距设置。

进一步地，视觉导航仪200与视觉标记基体100相对设置，且视觉导航仪200的探测视野覆盖视觉标记基体100，实现对视觉标记的检测，进而间接获取相对人体的位置。

其中，视觉导航仪200设有差错控制编码模块，视觉导航仪200自设视觉坐标系，进而采集视觉特征点110的空间坐标点信息。差错控制编码模块对采集的空间坐标点信息进行纠错编码处理，提高检测的精准度，保证视觉导航仪200显示图像的准确度，保证手术的顺利完成。

根据本发明的一个实施例，视觉标记基体100的外侧面设有凹槽120，视觉特征点110可拆卸的设于凹槽120内。可以理解的是，视觉标记基体100的外侧壁上设有凹槽120，凹槽120沿视觉标记基体100的轴向和周向均等间距设置。视觉特征点110可拆卸的设于凹槽120内，实现对视觉特征点110的拆卸更换，保证检测的准确度。值得说明的，视觉特征点110可选择性的安装在凹槽120内，也就是说，根据实际检测需要，视觉特征点110可连续的安装在凹槽120内，也可以间隔安装，并非每个凹槽120内必须设置有视觉特征点110。

根据本发明的一个实施例，凹槽120内设有磁铁130，视觉特征点110的安装端与磁铁130吸附适配。可以理解的是，凹槽120内设置磁铁130，视觉特征点110采用铁金属材料制成，实现视觉特征点110的安装端与磁铁130吸附适配。也就是说，反复多次使用视觉标记基体100可能会造成视觉特征点110上的反光涂层破坏，影响视觉识别精度与效果，所以需要更换视觉特征点110，通过磁铁130紧密吸附，保证检测过程中的视觉特征点110的稳定安装，需要更换时，只需借助外力将视觉特征点110与磁铁130脱离，进行拆卸即可，操作方便。

根据本发明的一个实施例，视觉特征点110的检测端设有反光件140。可以理解的是，视觉特征点110的检测端设置反光件140，用以与视觉导航仪200对应检测适配。反光件140优选反光片或反光球。值得说明的，也可采用在视觉特征点110的检测端涂设反光层的方式。反光件140的圆心即为视觉特征点110的坐标位置。

根据本发明的一个实施例，视觉特征点110的检测端设有沉头孔150，反光件140设于沉头孔150内。可以理解的是，视觉特征点110的检测设有用以安装反光件140的沉头孔150，实现将反光件140稳定的安装在沉头孔150内，保证检测过程中的安装的稳定强度。

根据本发明的一个实施例，还包括手术器械300，手术器械300与视觉标记基体100连接。可以理解的是，手术器械300可采用机械连接方式，如螺纹连接、卡扣连接、紧定螺钉连接或焊接，与视觉标记基体100连接，通过视觉导航仪200获取视觉标记基体100的空间位置，间接获取手术器械300的空间位置姿态。

根据本发明的一个实施例，视觉导航仪200还包括显示屏，显示屏与差错控制编码模块电连接。可以理解的，显示屏用以接收差错控制编码模块处理后的信息，并以图像的形式显示出来，供医护人员查看。

根据本发明第二方面实施例的一种手术导航***识别方法，包括如下步骤：

将视觉标记基体100设于人体待检测位置；

通过视觉导航仪200采集视觉特征点110在视觉坐标系下的空间坐标点信息；

通过差错控制编码模块对视觉导航仪200的采集信息进行纠错编码处理；

通过视觉导航仪200显示差错控制编码模块处理推算出的视觉坐标系下视觉标记基体100的空间位置以及姿态。

根据本发明的一个实施例，通过差错控制编码模块对视觉导航仪200的采集信息进行纠错编码处理步骤中，通过差错控制编码模块历遍所有坐标点信息，筛选三个以上共线的坐标点形成信息码组。

本发明实施例的手术导航***识别方法的具体步骤如下：

沿视觉标记基体圆柱面的轴线方向等距分布着若干个视觉特征点，这样一列特征点够成一个信息码组。沿圆柱面的周向等距分布着若干列信息码组。信息码组中码元a_i＝1或0，a_i＝1代表视觉导航仪200识别到该特征点，a_i＝0代表视觉导航仪200由于某些原因(如视线遮挡)没能识别出该视觉特征点。

在信息码序列中对原码字增加多余的码元即监督码，即把原码字按某种规则变成有一定冗余度的码字，并使每个码字的码之间有一定的关系，这种方法称为差错控制编码，也叫纠错编码。不同的编码方法有不同的检错和纠错能力，增加监督码元越多，纠错能力越强。

本发明使用循环码来检测视觉识别中的随机或突发错误。循环码检(纠)错能力较强，还具有循环性。即任一码组循环移位(循环左移或右移)后得到的码组，仍是该码中的一个码组。

将信息码分组，然后每组信息码附加若干监督码的编码称为分组码，用符号(n，k)表示，k是信息码的位数，n是编码组总位数，r＝n-k为监督位数。本发明实施例使用(7，4)循环码，即每个码组由7位二进制数表示，其中4位为信息位，剩下3位为监督位，则一共有2⁴＝16种不同的码组。

根据通信原理中的相关理论，设定循环码生成多项式为

g(x)＝x³+x²+1，则生成矩阵为：

或写成：

对G进行初等行变换可将其化为典型矩阵：

获得生成矩阵后可由它产生整个码组，即有[a₆a₅a₄a₃a₂a₁a₀]＝[a₆a₅a₄a₃]·G，得到的码组中a₆a₅a₄a₃为信息位，a₂a₁a₀为附加的3位监督位。根据该公式可计算出16个不同的码组，如下表所示：

(7，4)循环码表

可见表中的16个不同码组不论循环右移或循环左移，其结果均在该循环码组的集合中。该分组码的最小码距d₀＝3，即任意两个码组中对应位上数字不同的位数最小为3，若用于检错最多可以检测出2个错码；若用于纠错能纠正1个错码。

从上表的码组中选择最低为为1的码字(除去全是1的码组)，一共7种，排列分布在圆柱形视觉标记基体的外轮廓面上。选择的码组如下：

S₁＝0001101

S₂＝0010111

S₃＝0100011

S₄＝0111001

S₅＝1001011

S₆＝1010001

S₇＝1100101

理论上在视觉标记基体面向视觉导航仪200的一侧上的视觉特征点可以被检测到。能连续检测到的码组于其在视觉标记基体的圆柱面上的分布有关。这里设定视觉标记基体的圆柱面上等距分布15组循环码，朝向视觉导航仪200一侧的是S₁、S₂、S₃、S₄、S₅。

循环码在圆柱面上的排列要保证不能有最小3个的连续序列重复出现，否则可能会出现定位歧义。

视觉标记基体在视觉导航仪200的视觉坐标系{V}(如图1所示)下的位置和姿态可由检测出的循环码间接推算出来。

视觉标记基体可通过3D打印或金属加工制作而成，其外表面上每个视觉特征点相对于视觉标记基体坐标系(如图2中位于圆柱面底面圆心处的坐标系{O})的位置都已知。

由于视觉导航仪200检测到的只是一系列空间坐标点，为了从这些坐标点中得到具体的码组信息，循环进行如下步骤：

(1)遍历所有检测出的坐标点，将三个以上共线的点记录成组{A_i}；

(2)由于视觉特征点分布、共线判别阈值及传感器检测精度等问题，可能会出现圆弧面上三个或以上点共线的情况。为了避免将其错误的归为一组，需要进行判别。每组循环码特征点的间距为L(如图2中所示)，即每组内点到点的距离应L的整数倍，剔除不符合的组，剩余{B_i}；

(3)将每组按照点的分布转换成二进制数得到{C_i}。为了能仅根据空间坐标点转换成对应的二进制码组，前面在表1中挑选循环码时选择了最低为都为1的码组。对应图2中视觉标记基体的圆柱面最右侧的一圈全部设置有反光件。因此，在检测时可比较其视觉坐标系下X轴的坐标值，X分量最小的坐标点即为边界。在已知了边界和特征点间距的情况下，即可获得该共线的坐标点对应的二进制码组序列。若图1中视觉标记基体更换了朝向，比如手术器械300末端朝向右侧(即朝向视觉导航仪200X轴负方向)，此时应该反向遍历，即寻找X坐标分量最大的值来确定边界，进行码组序列转换；

(4)如果上一步计算出的对应的编码不在{S_i}中(由于视觉遮挡等原因导致某些特征点没被检测到)，则需要进行纠错。例如循环码序列S₄如果完全准确的检测出来应为：0111001。若某视觉特征点(下划线标识)被遮挡，则识别出的序列变为：0101001，编码不在{S_i}中。由于码组添加了3个监督位，所以有3个监督关系式。根据生成矩阵G可构造出监督矩阵H：

对于错误识别出的序列B＝[0101001]，计算其校正子：S＝B·H^T＝[0101001]·H^T＝[111]，可见校正子不全是0，即不满足监督关系式，表示有错。根据S＝[111]是H矩阵第3列的转置，可知错码位置在a₄，错误图样为E＝[0010000]，因此纠错后的码组为：

A＝B+E＝[0101001]+[0010000]＝[0111001]

(5)经过上一步纠错后，选择连续的3～5组循环码，可以唯一确定圆柱形视觉标记基体(坐标系{O})在导航仪器视觉坐标系{V}的空间位置和姿态，为手术器械300的定位和导航提供基础。

计算原理如下：

已知多组纠错后的循环码对应的视觉坐标系{V}中的坐标点构成一个空间点集X，又已知与点集X中一一对应的在圆柱坐标系{O}中的特征点的坐标，构成另一个点集P。对这种确定对应关系的点集可通过奇异值分解(SVD)的方法计算最优变换，来获得两个点集之间的空间转换关系，从而推算出圆柱体在视觉坐标系下的空间位置以及姿态。

如图4所示，对点集P＝{p₁,p₂,...,p_n}和X＝{x₁,x₂,...,x_n}进行配准，通过旋转平移将其匹配在一起的过程即为求解一个旋转矩阵R和平移向量t使得变换后的误差最小，即求解R和t使配准误差E(R,t)最小：

根据相关理论，可先计算出两个点集的质心，分别为：

和

然后在两个点集中分别减去对应的质心，将点集移到原点，得到两个新的点集，即X′＝{x_i-μ_x}＝{x′_i}，P′＝{p_i-μ_p}＝{p′_i}。

接下来构造矩阵W，令

通过对矩阵W进行奇异值分解求解旋转矩阵R。若

则R＝UV^T。计算出旋转矩阵R后可求解平移向量t＝μ_x-Rμ_p。

计算出两个对应点集的空间变换关系后，即可将视觉标记基体坐标系{O}变换到导航仪器视觉坐标系{V}中，即知道了视觉标记基体相对导航仪器的位置和姿态。

根据本发明的一个实施例，通过所述差错控制编码模块对视觉导航仪200的采集信息进行纠错编码处理步骤中，通过差错控制编码模块向信息码组中增加监督码，并进行纠错编码处理。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

通过沿视觉标记基体的轴向和周向均设置视觉特征点，视觉导航仪实时探测其视野范围内的视觉特征点的空间坐标，差错控制编码模块对探测的空间坐标进行纠错编码处理，进而识别视觉标记基体准确的空间位置和姿态，提高检测精度和可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种手术导航***，其特征在于，包括：

视觉标记基体，所述视觉标记基体的外侧面沿所述视觉标记基体的轴向和周向均设置有视觉特征点；

视觉导航仪，所述视觉导航仪设有差错控制编码模块，所述视觉标记基体和所述差错控制编码模块电连接。

2.根据权利要求1所述的手术导航***，其特征在于，所述视觉标记基体的外侧面设有凹槽，所述视觉特征点可拆卸的设于所述凹槽内。

3.根据权利要求2所述的手术导航***，其特征在于，所述凹槽内设有磁铁，所述视觉特征点的安装端与所述磁铁吸附适配。

4.根据权利要求3所述的手术导航***，其特征在于，所述视觉特征点的检测端设有反光件。

5.根据权利要求4所述的手术导航***，其特征在于，所述视觉特征点的检测端设有沉头孔，所述反光件设于所述沉头孔内。

6.根据权利要求1所述的手术导航***，其特征在于，还包括手术器械，所述手术器械与所述视觉标记基体连接。

7.根据权利要求1所述的手术导航***，其特征在于，所述视觉导航仪还包括显示屏，所述显示屏与所述差错控制编码模块电连接。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的手术导航***的识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述视觉标记基体设于人体待检测位置；

通过所述视觉导航仪采集所述视觉特征点在视觉坐标系下的空间坐标点信息；

通过所述差错控制编码模块对所述视觉导航仪的采集信息进行纠错编码处理；

通过所述视觉导航仪显示所述差错控制编码模块处理推算出的视觉坐标系下所述视觉标记基体的空间位置以及姿态。

9.根据权利要求8所述的手术导航***识别方法，其特征在于，所述通过所述差错控制编码模块对所述视觉导航仪的采集信息进行纠错编码处理步骤中，通过所述差错控制编码模块历遍所有坐标点信息，筛选三个以上共线的坐标点形成信息码组。

10.根据权利要求9所述的手术导航***识别方法，其特征在于，所述通过所述差错控制编码模块对所述视觉导航仪的采集信息进行纠错编码处理步骤中，通过所述差错控制编码模块向信息码组中增加监督码，并进行纠错编码处理。

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