[01252974]手术导航中高精度光学定位关键技术研究

针对光学定位系统的几个核心技术进行了深入的研究，取得的工作成果如下：

1.光学定位系统设计构建了近红外光学定位系统，并对系统的标定、手术工具的跟踪定位等进行了全面系统的分析。本系统由两个近红外摄像机组成，且两个近红外摄像机之间存在一定的夹角。所用的近红外摄像机由普通黑白摄像机和近红外滤光片组成。构建此系统为标定技术和立体匹配技术提供了研究平台。经验证，本研究所构建的光学定位系统对手术工具上标记点的平均跟踪误差达到0.01mm以下，具有极高的定位精度。该成果发表在SCI二区期刊“Journal of Medical Systems”上，题为“Development and Validation of a Near-Infrared Optical System for Tracking Surgical Instruments”。

另外，针对传统手术导航中光学定位系统两相机图像采集不同步所造成的两个摄像机获取的标记点可能不在同一个位置的问题，本研究利用FPGA芯片控制两块具有被动模式的数字图像传感器芯片，得到了一套双目视觉图像同步采集系统，此系统能有效解决摄像机不同步的问题。

该成果发表在SCI二区期刊“Journal of Medical Systems”上，题为“Synchronization Design and Error Analysis of Near-Infrared Cameras in Surgical Navigation”。

2.近红外摄像机的标定在本项目为了标定近红外摄像机，设计了一种专门针对近红外摄像机的标定板。将贴片近红外发光管按阵列分布固定在一块刚性板上制作成标定板，利用已标定的普通摄像机系统对所有发光点进行三维坐标重建，最后将多组发光点三维坐标进行旋转、平移，最终得到近红外标定模板。

该成果发表在SCI二区期刊“Journal of Intelligent and Fuzzy Systems”上，题为“An intelligent NIR camera calibration method for optical surgical navigation system”。

3. 注册算法研究针对手术中更换手术工具需要重新定位尖端位置的问题，要求实时测量手术工具空间位置和姿态，为此本项目提出了一种手术工具的注册算法，用以精确的计算出手术器械的尖端位置绕着尖端转动手术器械，通过光学定位系统计算安装在手术工具上的标志点在不同位置时的三维坐标，利用过渡平面的方法计算标记点在相邻位置时的坐标变换关系，根据尖端位置与标志点坐标间的关系计算尖端坐标。

此方法避免了迭代运算的繁琐和耗时，满足手术导航对精度的要求。该成果发表在SCI二区期刊“Journal of Medical Systems”上，题为“Development and Validation of a Near-Infrared Optical System for Tracking Surgical Instruments”。

4. 手术工具跟踪定位算法研究为确定近红外导航术中手术工具的空间位置，本研究利用近红外双目视觉系统拍摄发光点的左右图像提取其亚像素坐标，根据系统的内外部参数求取发光点在系统坐标系下的光线方程。

同时，空间同一发光点的两条光线相交，且由此得到的发光点坐标满足手术器械上发光点间的距离关系，从而实现对不同位置发光点的正确匹配。此方法可以正确匹配手术器械及发光点，能够有效实现对手术器械的定位和跟踪，能为手术导航系统提供定位技术支持。

该成果发表在SCI二区期刊“Infrared Physics ＆ Technology”上，题为“Real-time automatic registration in optical surgical navigation”。

5. 大视场获取方法研究

针对基于双目视觉的光学定位系统有效视场小，当手术器械离开双目视觉系统的有效视场后定位不准确的问题，本项目开发出了一种使用两个双目视觉系统的手术器械跟踪方法。利用机械臂搭载第一个双目视觉系统来跟踪定位手术器械的位置，通过第二个双目视觉来获取第一个系统的位置，从而根据坐标变换关系确定手术器械在三维空间坐标系中的位置，实现手术器械在大视场下的跟踪定位。

本项目就该成果已获得了实用新型专利授权4项，并发表在SCI三区期刊“Computer Assisted Surgery”上，题为“Tracking multiple surgical instruments in a near-infrared optical system”。