基于双目视觉的手术器械跟踪定位技术

　　计算机辅助外科手术(comPuterAssistedSurgery，简称CAS)是一门新兴的研究领域。它通过合理、定量地利用CT、MRI、SPET等医学诊断设备提供的多模图像数据和立体手术导航定位系统，辅助外科医生进行手术的计划和干预。将双目立体视觉技术应用于CAS中，建立CAS的手术导航定位系统，通过对手术器械进行跟踪定位，可以辅助外科医生完成高难度的手术，它对于选择最佳手术路径、提高手术定位精度、缩短手术时间、减小手术损伤和提高手术成功率等均具有十分重要的意义[1.2.3]。本文详细讨论了在CAS中利用双目立体视觉理论对手术器械进行跟踪定位的原理和关键技术。

　　l双目立体视觉定位原理

　　双目立体视觉定位同人类双眼视觉的立体感知过程相类似。假设摄像机成像符合小孔成像模型，两台摄像机完全相同，焦距均为f，左、右摄像机处于平行对准状态，即以左、右　摄像机光心分别作为左、右摄像机坐标系(CCS)的原点QL和QR，以光心的连线作为它们共同的x轴，光心之间的距离称为基线b，两摄像机的光轴相互平行，作为各自的z轴，y轴垂直于xz平面(未画出)，符合右手定则。成像平面坐标系(ICS)的原点分别为左、右CCS的z轴与摄像机成像平面的交点门CS的x轴和y轴分别平行于CCS的x轴和y轴，如图1所示(只画出了在xz平面上的投影)。

　　当然，实际上无法做到使两台摄像机光轴完全平行，所以需要首先对摄像机进行标定，求出任意配置的双摄像机的投影变换矩阵(或内、外部参数)，得到两个CCS与W℃S之间的变换关系，然后进行投影校正，使校正后的两摄像机等效为平行对准状态。这样找到并计算出目标点对应的ICS坐标，然后即可利用(l)式，计算出目标点的空间三维坐标。

　　2基于双目视觉的手术器械跟踪定位系统

　　2.1系统跟踪定位的实现思想和方法

　　两架摄像机固定安装在刚性金属框架内，摄像机外部装有同步触发信号，以保证采集到的图像是同步的。摄像机采集到的视频信号经图像采集卡接人计算机，通过图像采集程序采集视频图像。在标准手术器械、刚性内窥镜导管或显微镜等物体上贴有标记为特殊颜色的两个定位标记点，手术前已精确测知手术器械与两个定位标记点之间的相对位置和方向关系，这样，在手术进行中三维定位系统就是通过对两个标记点定位，推知目前手术器械当前的位置和运动方向。图像监视器可以显示病人头部配准后的三维立体图像，术前所作的手术路径规划，以及经定位系统计算得到的手术器械目前所在的位置。外科医生及其助手可以通过监视器观察目前手术器械的具体方位(可显示任意剖面)，然后根据术前所作的路径规划，由医生本人或控制机械手进行下一步的操作，避开重要的功能区、神经以及血管，选择安全的手术路径。