位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機標定裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機標定裝置及方法，特別是用于手 術(shù)導航的位置傳感器與內(nèi)窺鏡攝像機標定的裝置與方法，屬于計算機手術(shù)導航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機的標定是三維腹腔鏡手術(shù)導航的首要問題，標定 的精度是影響導航系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素。
[0003] 光學傳感器的跟蹤精度非常高，但由于存在光學標記遮擋的問題，不能保證跟蹤 定位的連續(xù)性；另外，由于用來計算跟蹤物體位置和姿態(tài)的光學標記必須和跟蹤物體剛性 接觸，所以使光學跟蹤系統(tǒng)的應用范圍受到了一定的限制。
[0004] 電磁位置傳感器利用電磁波的穿透性，可以深入人體內(nèi)，不用考慮標記遮擋的問 題。但對于電磁位置傳感器來說，同樣存在一個自身無法克服的問題，就是磁場的形變問 題。眾所周知，如果在磁場周圍存在鐵磁物體或電磁物體，磁場就極易受到干擾而產(chǎn)生形 變。這對于依靠磁場感應來獲得位置信息的電磁位置傳感器來說，直接導致的后果就是輸 出精度產(chǎn)生偏差。
[0005]文獻"NakadaK，NakamotoM，SatoY，etal.ARapidMethodforMagnetic TrackerCalibrationUsingaMagneto-opticHybridTrackers[C].NewYork: Springer(MICCAI2003)，2003: 285-293." 采用一個光學位置跟蹤系統(tǒng)（0T:Optical trackingsystem)作為參照標準，并借助一個固定了電磁位置傳感器和光學位置跟蹤系 統(tǒng)的磁-光數(shù)據(jù)采集工具。操作者在測量空間中移動這個數(shù)據(jù)采集工具并同時記錄兩種跟 蹤系統(tǒng)的輸出，然后通過比較這兩種輸出的誤差來構(gòu)建一個電磁位置跟蹤系統(tǒng)輸出誤差的 多項式模型，從而推測出電磁位置跟蹤系統(tǒng)的輸出誤差。但是，由于電磁位置跟蹤系統(tǒng)和光 學位置跟蹤系統(tǒng)有著各自的測量頻率和系統(tǒng)時鐘，所以如何獲得與電磁位置跟蹤系統(tǒng)輸出 準確對應的光學位置跟蹤系統(tǒng)輸出是一個難題。文獻"GregorySFischerandRussell HTaylor.ElectromagneticTrackerMeasurementErrorSimulationandToolDesign [C].NewYork:Springer(MICCAI2005)，2005: 73-80." 通過利用采集數(shù)據(jù)時固定采 集工具的方法來獲得準確的電磁位置跟蹤系統(tǒng)和光學位置跟蹤系統(tǒng)的對應輸出，但是由于 需要大量的時間來采集補償模型所需要的樣本數(shù)據(jù)，使之很難應用于實踐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機標定裝置及方法，其 克服了現(xiàn)有電磁位置傳感器由于磁場形變產(chǎn)生的輸出偏差缺陷，標定精確、實時性高；本發(fā) 明操作簡便，僅利用內(nèi)窺鏡攝像機前端固定的電磁位置傳感器和標定網(wǎng)格，即可推定電磁 位置傳感器和內(nèi)窺鏡攝像機的位置關(guān)系。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機標定裝置及方 法，首先利用高精度光學定位系統(tǒng)補償電磁位置傳感器輸出誤差，然后利用標定參考立方 體計算三維腹腔鏡攝像機位置和姿態(tài)，最后使用對偶四元數(shù)分析電磁位置傳感器與三維腹 腔鏡攝像機的坐標關(guān)系；其特征在于具體步驟如下： 1. 電磁位置傳感器誤差補償 (1) 建立光學位置跟蹤系統(tǒng)坐標系光學位置傳感器坐標系'、電磁位置跟蹤系統(tǒng) 坐標系Il、電磁位置傳感器坐標系; (2) 計算電磁位置傳感器在_中的位置和姿態(tài)矩陣，記為; (3) 根據(jù)從美、:的位置關(guān)系轉(zhuǎn)換，將電磁傳感器的位置和姿態(tài) 在光學位置跟蹤系統(tǒng)坐標系中的坐標轉(zhuǎn)換到電磁位置跟蹤系統(tǒng)坐標系下，其位置和姿態(tài)矩 陣記為：t; (4) 比較和獲得電磁位置傳感器輸出誤差，建立誤差補償模型； 2. 攝像機位置和姿態(tài)計算 (1) 制作標定參考立方體 (2) 獲取歐氏坐標系下的坐標X (3) 獲取圖像坐標系下坐標w (4) 建立X、::_之間坐標的對應關(guān)系 (5) 根據(jù)建立攝像機矩陣約束方程組 (6) 求解（5)中約束方程組最小二乘解得攝像機矩陣逆 3. 位置傳感器與內(nèi)窺鏡坐標關(guān)系分析 (1) 對N個空間中的位置取電磁位置傳感器和攝像機的位置和姿態(tài) (2) 計算表達傳感器與攝像機之間變換關(guān)系的對偶四元數(shù) (3) 利用由奇異值分解（SVD)法求的對偶四元數(shù)所包含的變換，即位置傳感器與內(nèi)窺 鏡攝像機位置轉(zhuǎn)換矩陣； 在三維腹腔鏡導航系統(tǒng)中，將內(nèi)窺鏡攝像機、EMT傳感器、磁場發(fā)生器以及MR圖像的坐 標系分別定義為C，S，M和I。攝像機坐標系C下點化.和圖像上點祕:的對應關(guān)系可以表示 為：
表不電磁位置傳感器的輸出； 本發(fā)明旨在標定電磁位置傳感器和內(nèi)窺鏡攝像機的位置關(guān)系，即C到S的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0008] 本發(fā)明的積極效果是針對電磁位置傳感器受環(huán)境干擾產(chǎn)生磁場形變而引起的輸 出偏差缺陷，提出一種固定有光學位置傳感器和電磁位置傳感器的磁-光數(shù)據(jù)采集裝置， 通過建立電磁位置傳感器輸出誤差的補償模型，利用光學傳感器高精度特性，補償電磁傳 感器輸出誤差，提高了電磁定位精度；利用標定立方體計算攝像機的位置和姿態(tài)，并用最小 二乘解作為最終計算結(jié)果；用對偶四元數(shù)計算傳感器和攝像機的位置和姿態(tài)矩陣，節(jié)省了 計算時間。
【附圖說明】
[0009] 圖1三維腹腔鏡導航系統(tǒng)中各個坐標空間的對應關(guān)系。
[0010] 圖2磁-光數(shù)據(jù)采集工具。
[0011] 圖3光學位置傳感器和電磁位置傳感器的位置關(guān)系。
[0012] 圖4用于求解攝像機矩陣的立方體。
[0013] 圖5傳感器和攝像機的坐標關(guān)系。
[0014] 圖6棋盤格標定模型。
[0015] 圖7獲取不同姿態(tài)下標定模型的圖像，并抽取特征點。
[0016] 圖8通過標定模型的圖像來估計攝像機的位置和姿態(tài)。
[0017] 圖9傳感器對于攝像機坐標系的位移及旋轉(zhuǎn)角的計算結(jié)果1。
[0018] 圖10傳感器對于攝像機坐標系的位移及旋轉(zhuǎn)角的計算結(jié)果2。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的描述：如圖1所示，位置傳感器與三 維腹腔鏡攝像機標定裝置，其特征在于：在三維腹腔鏡導航系統(tǒng)中，將內(nèi)窺鏡攝像機、EMT 傳感器、磁場發(fā)生器以及MR圖像的坐標系分別定義為C，S，M和I。攝像機坐標系C下點 Pc和圖像上點的對應關(guān)系可以表不為：
表不電磁位置傳感器的輸出。
[0020] 本發(fā)明旨在標定電磁位置傳感器和內(nèi)窺鏡攝像機的位置關(guān)系，即C到S的轉(zhuǎn)換矩 陣'!_r。
[0021] 位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機標定方法，首先利用高精度光學定位系統(tǒng)補償電 磁位置傳感器輸出誤差，然后利用標定參考立方體計算三維腹腔鏡攝像機位置和姿態(tài)，最 后使用對偶四元數(shù)分析電磁位置傳感器與三維腹腔鏡攝像機的坐標關(guān)系；其特征在于具體 步驟如下： 1.電磁位置傳感器誤差補償 如圖2所示，本發(fā)明設計一個固定有光學位置傳感器和電磁位置傳感器的磁-光數(shù)據(jù) 采集裝置來采集兩種傳感器的輸出。目標是通過光學位置傳感器的輸出來校正電磁位置傳 感器的輸出誤差。因此首先需要保證兩個傳感器的測量點以及測量空間的坐標是一致的。 從圖1中給定的測量工具和圖2所描述的