專利名稱：一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子技術領域，特別涉及一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法及系統。
背景技術：
公知的手術工具實時檢測裝置，傳統的采用機械定位方式，機械結構的剛體特性的主要缺點是體積大，重量重，安裝和操作比較復雜。另外一個比較大的問題是，由于導航裝置是一個懸臂，手術工具與機械導航裝置的定位孔發生接觸時，會造成機械導航工具的較大形變誤差。而且隨著使用過程，由于機械磨損導致精度降低而不能使用。
近年還出現了采用電磁方式和雙目視覺進行定位。電磁感應則存在精度有限，而且易于受到環境干擾；雙目視覺則由于必須配置至少兩個圖像傳感器，處理計算能力要求高，因而體積和成本都不能得到有效降低。而且這些定位裝置，都必須有專用的導航系統軟件和計算機，同時必須事先對手術環境的坐標系與定位裝置的坐標系、醫學圖像坐標系三者進行配準，體積龐大，成本高昂，用戶的使用必須經過專業的學習。在中小型手術時，劣勢尤其明顯。
本發明基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其操作步驟與定位原理都與原有的機械定位導航裝置類似。但是采用光學定位取代了機械定位，第一使得手術工具與導航裝置的基準沒有物理接觸，因為不會因為機械力造成形變誤差；第二可以采用計算機圖像數據記錄手術規劃路徑，比使用機械刻度存儲靈活性大，存儲空間豐富。第三，由于現在SOC應用處理器的小型化和普及化，其成本和體積、重量也比上述基準導航裝置具有較大的優勢。
同時因為基準標志單元的標志圖形支持編碼，因而即使存在多個手術工具同時使用，并存在多個不同的基準標志單元時，也可以正常工作而互不干擾。需要多個工具協同時，也可以通過WIFI互通信息。每個圖像采集及人機交互單元的體積和重量都和普通的手機或者MP4播放器相當，根據手術行程，用戶可以靈活選擇不同大小的基準標志單元。因而，其完全可以勝任大型手術導航系統完成的工作，但是由于其體積小巧，操作簡單，成本也低廉許多，必將逐漸取代大型導航系統。發明內容
本發明的目的在于提供基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法及系統。以解決現有技術中的導航裝置成本高，使用步驟繁瑣的問題。
為了達到上述目的，本發明采取了以下技術方案: 一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，使用光學定位原理進行手術工具的位姿實時檢測，其中，所述單目視覺手術工具位姿實時檢測系統包括: 基準標志單元，用于確定一基于患者身體的基準坐標系； 圖像采集及人機交互單元， 用于進行圖像采集，獲取手術工具相對基準坐標系的旋轉姿態和平移位置； 所述基準標志單元與患者身體剛性連接，所述圖像采集及人機交互單元剛性固著于手術工具上。
所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其中，所述基準標志單元的個數為一個或多個，所述基準標志單元由至少兩個互不平行的平面構成，兩個平面共一條邊，每個平面印刷有特征點圖形。
所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其中，所述圖像采集及人機交互單元進一步包括:嵌入式處理系統、顯示面板和圖像采集單元；所述嵌入式處理系統連接顯示面板和圖像采集單元。
所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其中，所述顯示面板為帶觸摸屏的液晶顯示屏；所述圖像采集單元為CMOS圖像采集單元；所述嵌入式處理系統進一步包括一圖像應用處理器，RAM芯片，用于存放程序固件的FLASH和一 WIFI網絡接口卡。
一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，使用光學定位原理進行手術工具的位姿實時檢測，其中，所述 單目視覺手術工具位姿實時檢測方法包括以下步驟: 51、將基準標志單元與患者身體的待手術處剛性連接，并將圖像采集及人機交互單元固著到手術工具上； 52、圖像采集及人機交互單元采集帶有標準標識單元的患者身體的待手術處的圖像信息，獲取手術工具相對世界坐標系的旋轉姿態和平移位置； 53、圖像采集及人機交互單元引導手術工具到達目標手術位姿，并進行手術導航，指引手術工具逐一進行手術實施，完成手術的全部操作。
所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，其中，所述步驟S2中圖像采集及人機交互單元在獲取手術工具相對世界坐標系的旋轉姿態和平移位置時，包括: 使用數字圖像傳感器檢測基準標志單元的特征點位置，利用投影關系解算出數字圖像傳感器相對于基準標志單元的位姿。
所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，其中，所述步驟S3中進一步包括: 圖像采集及人機交互單元會與患者身體的待手術處的規劃位置比對。如果比對結果差異小于預設的誤差下限，那么會提示進入手術導航；如果比對結果差異大于等于預設的誤差下限，但是小于錯誤誤差上限，則提示是否進行手術規劃位置修正，如果確認修正，那么在圖像上標志出修正后的結果，并進入手術導航；如果拒絕修正，那么進入錯誤狀態，停止本次導航；如果比對結果差異大于錯誤誤差上限，那么圖像采集及人機交互單元停止本次導航。
所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，其中，當需要多個手術工具協同工作時，其包括以下步驟: 基于同一個基準標準單元，各個手術工具附屬的圖像采集及人機交互單元分別計算自己相對于基準標準單元的位姿，并將自己的位姿數據發送到需要協同的手術工具，計算二者的相互位姿。
有益效果:本發明基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法及系統，因為使用了光學定位取代了傳統的機械定位，并進一步使用單目視覺和嵌入式系統取代了電磁定位和雙目視覺定位裝置及與其配套使用的大型手術導航系統。使得手術工具位姿實時檢測系統的體積和重量都得到了大幅的降低；由于在導航過程中，手術工具與基準標志單元沒有物理接觸，因此也避免了對基準標志單元的物理干擾，提高了導航裝置的穩定性。同時使用數字圖像傳感器采集圖像并經圖像應用處理器處理后，可以得到手術工具的精確位姿，并存儲在非易失存儲器中，極大地增加了導航裝置的靈活性和便捷性。在操作過程中，圖像采集及人機交互單元具有聲音和圖像雙重提示功能，也極大地降低了操作人員的工作強度和操作難度。小巧的體積和簡單的操作流程，則進一步降低了用戶的學習難度和對手術環境的要求。
圖1為本發明單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統的結構框圖。
圖2為本發明實例使用的一種基準標志單元三維示意圖。
圖3為本發明實例使用的一種易于識別的基準標志單元特征點位置X特征圖像。
圖4為本發明實例的膝關節置換腿骨手術導航流程圖。
圖5為本發明的單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。
請參閱圖1，其為本發明的單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統的結構框圖。如圖所示，所述單目視覺手術工具位姿實時檢測系統包括:基準標志單元100、圖像采集及人機交互單元200,其中,所述基準標志單元100與患者身體剛性連接,所述圖像采集及人機交互單元200剛性固著于手術工具上。
具體來說，所述基準標志單元100用于確定一基于患者身體的基準坐標系。在本實施例中，所述基準標志單元100其包含兩個相互正交的剛性平面，兩個平面具有一條公共邊，每個平面都印刷有具備特征點的圖案。所述基準標志單元，通過一個剛性裝置固著在患者待實施手術的身體部位，以保證其形變十分微小。該基準標志單元作為手術坐標系的基準，剛性裝置保證了其穩定性，其微小形變不會影響到手術的操作精度。
應當理解地是，所述基準標志單元100也可以采用互不平行的非正交平面，雖然會在一定程度上增加坐標轉換時的計算量，但是卻大大提高了系統的適用性。
所述圖像采集及人機交互單元200用于進行圖像采集，獲取手術工具相對基準坐標系的旋轉姿態和平移位置(下 面會通過一個具體的實施例來進行描述)。
進一步地，圖像采集及人機交互單元200進一步包括:嵌入式處理系統、顯示面板和圖像采集單元；所述嵌入式處理系統連接顯示面板和圖像采集單元。更進一步地，所述顯示面板為帶觸摸屏的液晶顯示屏；所述圖像采集單元為CMOS圖像采集單元；所述嵌入式處理系統進一步包括一圖像應用處理器，RAM芯片，用于存放程序固件的FLASH和一 WIFI網絡接口卡。所述圖像采集及人機交互單元200其主體通過螺孔剛性連接到手術工具上，以保證CMOS圖像采集單元與手術工具的空間幾何關系變化十分微小，不會影響到手術的操作精度。可觸控操作的液晶顯示屏，其角度可變化，以方便手術操作。當然，還可以在所述圖像采集及人機交互單元200上設置一用于提供電源的電源裝置(如電池)，并根據需要來設定，電源裝置的大小。
其中，所述圖像采集及人機交互單元200獲取手術工具相對世界坐標系的旋轉姿態和平移位置(為本發明之關鍵)，其具體方法如下: 首先我們定義基準標志單元為我們的世界坐標系基準，如附圖2，以基準標志單元兩正交平面的公共邊作為世界坐標系的X軸，公共邊左側或者上側平面中與X軸垂直邊作為Y軸，公共邊右側或者下側中與X軸垂直邊作為Z軸。三個軸的交點作為世界坐標系的原點，得到一個右手坐標系，世界坐標以
權利要求
1.一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，使用光學定位原理進行手術工具的位姿實時檢測，其特征在于，所述單目視覺手術工具位姿實時檢測系統包括: 基準標志單元，用于確定一基于患者身體的基準坐標系； 圖像采集及人機交互單元，用于進行圖像采集，獲取手術工具相對基準坐標系的旋轉姿態和平移位置； 所述基準標志單元與患者身體剛性連接，所述圖像采集及人機交互單元剛性固著于手術工具上。
2.根據權利要求1所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其特征在于，所述基準標志單元的個數為一個或多個，所述基準標志單元由至少兩個互不平行的平面構成，兩個平面共一條邊，每個平面印刷有特征點圖形。
3.根據權利要求1所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其特征在于，所述圖像采集及人機交互單元進一步包括:嵌入式處理系統、顯示面板和圖像采集單元；所述嵌入式處理系統連接顯示面板和圖像采集單元。
4.根據權利要求3所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測系統，其特征在于，所述顯示面板為帶觸摸屏的液晶顯示屏；所述圖像采集單元為CMOS圖像采集單元；所述嵌入式處理系統進一步包括一圖像應用處理器，RAM芯片，用于存放程序固件的FLASH和一WIFI網絡接口卡。
5.一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，使用光學定位原理進行手術工具的位姿實時檢測，其特征在于，所述單目視覺手術工具位姿實時檢測方法包括以下步驟: 51、將基準標志單元與患者身體的待手術處剛性連接，并將圖像采集及人機交互單元固著到手術工具上； 52、圖像采集及人機交互單元采集帶有標準標識單元的患者身體的待手術處的圖像信息，獲取手術工具相對基準坐標系的旋轉姿態和平移位置； 53、圖像采集及人機交互單元引導手術工具到達目標手術位姿，并進行手術導航，指引手術工具逐一進行手術實施，完成手術的全部操作。
6.根據權利要求5所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，其特征在于，所述步驟S2中圖像采集及人機 交互單元在獲取手術工具相對基準坐標系的旋轉姿態和平移位置時,包括: 使用數字圖像傳感器檢測基準標志單元的特征點位置，利用投影關系解算出數字圖像傳感器相對于基準標志單元的位姿。
7.根據權利要求5所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，其特征在于，所述步驟S3中進一步包括: 圖像采集及人機交互單元會與患者身體的手術目標的規劃位置比對； 如果比對結果差異小于預設的誤差下限，那么會提示進入手術導航；如果比對結果差異大于等于預設的誤差下限，但是小于錯誤誤差上限，則提示是否進行手術規劃位置修正，如果確認修正，那么在圖像上標志出修正后的結果，并進入手術導航；如果拒絕修正，那么進入錯誤狀態，停止本次導航；如果比對結果差異大于錯誤誤差上限，那么圖像采集及人機交互單元停止本次導航。
8.根據權利要求5所述基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法，其特征在于，當需要多個手術工具協同工作時，其包括以下步驟: 基于同一個基準標準單元，各個手術工具附屬的圖像采集及人機交互單元分別計算自己相對于基準標準單元的位姿，并將自己的位姿數據發送到需要協同的手術工具，計算二者的相互位姿。`
全文摘要
本發明公開了一種基于單目視覺的手術工具位姿實時檢測方法及系統，使用光學定位原理進行手術工具的位置和姿態實時檢測。其中，所述單目視覺手術工具位姿實時檢測系統包括用于確定一基于患者身體的基準坐標系的基準標志單元和用于進行圖像采集，獲取手術工具相對世界坐標系的旋轉姿態和平移位置的圖像采集及人機交互單元，所述基準標志單元與患者身體剛性連接，所述圖像采集及人機交互單元剛性固著于手術工具上。本發明由于采用了光學圖像定位系統取代了以往基于機械和雙目視覺定位方式的手術工具實時檢測工具，使得手術工具實時檢測裝置的體積更輕巧，操作更簡單，使用更穩定，精度更高。
文檔編號A61B19/00GK103142313SQ20131008745
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者張巍 申請人:張巍