[发明专利]一种基于ARUCO标记的手术器械定位方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于ARUCO标记的手术器械定位方法和系统，其中，手术器械周向具有多个平面，平面上有ARUCO标记，定位方法包括：标定手术器械尖端在每个ARUCO标记坐标系下的坐标；检测识别ARUCO标记，并计算基准坐标系下ARUCO标记四个顶点的三维坐标，根据三维坐标得到ARUCO标记坐标系与基准坐标系的转变换关系；根据变换关系得到基准坐标系下，手术器械尖端的坐标。本发明定位方法可减少标记物定位空间，并能提高定位精度和可靠性。

技术领域

本发明涉及手术器械定位技术领域，更具体的说是涉及一种基于ARUCO标记的手术器械定位方法和系统。

背景技术

手术器械定位系统在手术导航系统中影响重大，基于双目立体视觉的光学定位法因在应用场景、精度、稳定性和成本等方面存在优势，而成为目前最主流的手术器械定位方法。

基于双目立体视觉的方法通常通过双目相机捕获安装在手术器械上标记物的双目图像，在对双目图像上的标记物进行检测和匹配后，利用立体视觉方法计算出标记物的三维坐标，进而通过标记物的三维坐标间接计算出手术器械的姿态和尖端的三维坐标。

上述方法通常选择多个球形物体或粘贴在平面上的黑白格图等标记图作为标记物，使其形成一定的平面结构，如三角形、四边形等，以满足定位要求。但使用这类标记物时存在以下缺点：

(1)在手术器械上安装这类标记物需要占用较多的空间，从而影响医生在手术过程中的操作；

(2)这类标记物在某些情况下会失效，即当标记物组成的平面与相机光轴间的夹角较小时，标记物之间或者手术器械与标记物之间会出现相互遮挡的现象，并且，粘贴在平面上的黑白格图等标记图需要近似正对相机才能被检测识别；

(3)这类标记物仅能提供单一的位姿估计结果，无法通过多组估计结果进一步提高精度和可靠性。

基于此，提供一种克服上述缺陷的手术器械定位方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

同时，应注意，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供了一种基于ARUCO标记的手术器械定位方法和系统，基于ARUCO标记进行定位不仅能够节省空间，而且可显著提高手术器械位姿估计的准确性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明公开了一种基于ARUCO标记的手术器械定位方法，手术器械周向具有多个平面，平面上有ARUCO标记，

定位方法为：

标定手术器械尖端在每个ARUCO标记坐标系下的坐标；

检测识别ARUCO标记，并计算基准坐标系下ARUCO标记四个顶点的三维坐标，根据三维坐标得到ARUCO标记坐标系与基准坐标系的转变换关系；

根据变换关系得到基准坐标系下，手术器械尖端的坐标。

作为优选，根据变换关系，根据如下公式获得手术器械尖端的坐标：

式中，R_j→c表示坐标系之间的旋转矩阵，T_j→c表示坐标系之间的平移向量，P_j表示手术器械尖端在ARUCO标记坐标系下的坐标，j表示第j个标记。

作为优选，当同时检测到多个ARUCO标记时，根据每个ARUCO标记所在平面的法向量与基准成像平面法向量的内积，得到对应的权重，根据权重得到手术器械的定位结果。

作为优选，ARUCO标记所在平面的法向量，通过如下方式获得：