本發(fā)明屬于內(nèi)窺鏡技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種三目立體內(nèi)窺鏡。

背景技術(shù)：

微創(chuàng)以及無(wú)創(chuàng)外科手術(shù)是當(dāng)代臨床醫(yī)學(xué)中最主要的發(fā)展趨勢(shì)之一，與傳統(tǒng)手術(shù)相比，它能夠大大提高手術(shù)的質(zhì)量，減少手術(shù)部位的創(chuàng)傷，減輕病人的痛苦，縮短了術(shù)后康復(fù)時(shí)間，這也成為了其作為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)的重要支撐。

傳統(tǒng)的立體內(nèi)窺鏡是由兩個(gè)鏡頭組成，即相當(dāng)于雙目攝像機(jī)，其一般的使用過程為：首先在使用前先根據(jù)要求設(shè)定好焦距，再利用標(biāo)定參照物對(duì)立體內(nèi)窺鏡進(jìn)行標(biāo)定，然后再將其通過小創(chuàng)口伸入人體組織進(jìn)行拍攝，由于內(nèi)窺鏡焦距固定的緣故，使得在拍攝過程中往往只能通過改變內(nèi)窺鏡與所要拍攝的人體組織的距離來(lái)獲取清晰地圖像，而這些動(dòng)作將會(huì)大大增加內(nèi)窺鏡導(dǎo)管在介入過程中發(fā)生導(dǎo)管纏繞以及非預(yù)期接觸人體重要器官的概率，而若采取通過調(diào)節(jié)內(nèi)窺鏡的焦距這一操作來(lái)獲取想要的清晰的人體組織圖像，則會(huì)丟失內(nèi)窺鏡的標(biāo)定參數(shù)，而標(biāo)定參數(shù)是立體內(nèi)窺鏡的重要參數(shù)，在手術(shù)過程中，只有結(jié)合標(biāo)定參數(shù)，才能通過立體內(nèi)窺鏡獲取到相關(guān)部位的三維信息，通過所得三維信息，醫(yī)生對(duì)手術(shù)相關(guān)部位有了一個(gè)精確的定位，有利于手術(shù)的正確實(shí)施；同時(shí)在檢測(cè)過程中，標(biāo)定參數(shù)的重要性也不可或缺，通過立體內(nèi)窺鏡的標(biāo)定參數(shù)與所獲取人體組織圖像，可重構(gòu)出相關(guān)組織表面的三維信息，進(jìn)而可以對(duì)病變組織的實(shí)際形狀及大小有一個(gè)更精確的認(rèn)識(shí)，有助于醫(yī)生對(duì)病人病情的診斷。

目前，在不需要參照標(biāo)定物的情況下，通過自標(biāo)定方法可以的獲取到相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，常用的自標(biāo)定方法包括：基于絕對(duì)二次曲面和無(wú)窮遠(yuǎn)平面等自標(biāo)定方法，但是這些傳統(tǒng)自標(biāo)定方法的標(biāo)定精度不高，且魯棒性不足[1](孟曉橋、胡占義，“攝像機(jī)自標(biāo)定方法的研究與進(jìn)展”，自動(dòng)化學(xué)報(bào)，0254-4156)，故而這一方法未能滿足實(shí)際需求。

為了獲得精確的內(nèi)窺鏡標(biāo)定信息，只能通過取出內(nèi)窺鏡，然后在外部環(huán)境中利用標(biāo)定參照物重新進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)于這一解決辦法而言，這大大增加了操作的復(fù)雜度，對(duì)于正在執(zhí)行手術(shù)操作時(shí)使用的立體內(nèi)窺鏡，這一操作是絕對(duì)不允許的。如果能夠?qū)崟r(shí)獲取到其較為精確的相機(jī)參數(shù)，那么就可以有效避免立體內(nèi)窺鏡使用過程中的一些不必要操作了，同時(shí)也降低了操作的復(fù)雜程度，減少給病人帶來(lái)的附加痛苦和危險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三目立體內(nèi)窺鏡，以實(shí)現(xiàn)立體內(nèi)窺鏡實(shí)時(shí)使用中參數(shù)變化后的實(shí)時(shí)標(biāo)定。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡，其特征在于，包括：固定在同一筒狀裝置的三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡和均勻環(huán)繞在三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡周圍的多個(gè)LED組成的光源，以及一個(gè)用于將三目立體內(nèi)窺鏡與電腦相連的USB接口；

所述的三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的位置相對(duì)固定，均勻分布在筒狀裝置內(nèi)，三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的鏡頭位于筒狀裝置前端，與多個(gè)LED組成的光源共同構(gòu)成成像單元，三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的尾部位于筒狀裝置后端，且每個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的尾部擁有一個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)焦距的旋鈕，當(dāng)某一個(gè)電子內(nèi)鏡進(jìn)行縮放或聚焦操作時(shí)，則三目立體內(nèi)窺鏡參數(shù)發(fā)生改變，那么當(dāng)三目立體內(nèi)窺鏡完成初始標(biāo)定后，另外兩個(gè)未調(diào)節(jié)的電子內(nèi)鏡能夠獲取圖像進(jìn)行自標(biāo)定；

當(dāng)患者需要進(jìn)行內(nèi)窺檢查時(shí)，先放入三目立體內(nèi)窺鏡，再通過尾部的旋鈕進(jìn)行聚焦，然后在光源的配合下通過三個(gè)電子內(nèi)鏡成像，最后通過連接在USB接口上的信號(hào)線傳送至電腦。

其中，所述的電子內(nèi)鏡進(jìn)行自標(biāo)定的方法為：

(1)、三目立體內(nèi)窺鏡初始化

使用前，利用標(biāo)定模板對(duì)三目立體內(nèi)窺鏡進(jìn)行標(biāo)定，獲取各內(nèi)鏡的初始標(biāo)定參數(shù)矩陣A_a、A_b、A_c和畸變系數(shù)向量K₁、K₂、K₃，以及各內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[R_ab T_ab]、[R_ac T_ac]、[R_bc T_bc]；

其中，參數(shù)矩陣的通用形式即為：α，β分別為相機(jī)在x和y方向上的焦距，γ為傾斜因子，(u₀ v₀)為相機(jī)光心在像平面投影點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)；K＝[k₁ k₂ k₃ k₄]，k₁，k₂為徑向畸變系數(shù)，k₃，k₄為離心畸變系數(shù)；R為右側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系到左側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為右側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系到左側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；

(2)、當(dāng)某一電子內(nèi)鏡進(jìn)行縮放或聚焦操作時(shí)，先獲取參數(shù)已知的電子內(nèi)鏡與待標(biāo)定電子內(nèi)鏡在同一時(shí)刻的圖像，再利用步驟(1)中所得各電子內(nèi)鏡的畸變系數(shù)k₁，k₂，k₃，k₄對(duì)所得圖像進(jìn)行畸變校正，然后對(duì)校正后的圖像進(jìn)行特征提取，獲取各圖像中的特征點(diǎn)，再進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，最后從三張圖像中均成功匹配的特征點(diǎn)中選取n組特征點(diǎn)；

(3)、根據(jù)步驟(1)中各坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系和步驟(2)中選取的n組特征點(diǎn)構(gòu)造解線性方程組；

設(shè)A電子內(nèi)鏡為待標(biāo)定電子內(nèi)鏡，則構(gòu)造的解線性方程組為：

其中，[u_b v_b 1]^T和[u_c v_c 1]^T分別為特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)已進(jìn)行初始標(biāo)定電子內(nèi)鏡B和C對(duì)應(yīng)圖像中點(diǎn)的像素點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；R_bc、T_bc和R_ab、T_ab分別為電子內(nèi)鏡C的相機(jī)坐標(biāo)系到B相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移量和B相機(jī)坐標(biāo)系到A相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移量；[X_b Y_b Z_b]^T和[X_c Y_c Z_c]^T分別為特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)B、C相機(jī)坐標(biāo)系中三維坐標(biāo)；[X_a Y_a Z_a 1]^T、[X_b Y_b Z_b 1]^T和[X_c Y_c Z_c 1]^T分別為A、B、C相機(jī)坐標(biāo)系的點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；

最后再求解該方程組，獲取n組特征點(diǎn)在待標(biāo)定內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)[X_a1Y_a1 Z_a1]^T......[X_an Y_an Z_an]^T；

(4)、利用n個(gè)待標(biāo)定電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像中特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)[u_a1 v_a1]^T......[u_anv_an]^T和n組特征點(diǎn)在待標(biāo)定內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)[X_a1 Y_a1 Z_a1]^T......[X_an Y_anZ_an]^T，結(jié)合這兩者間的關(guān)系構(gòu)建如下線性方程：

利用最小二乘法求解該線性方程，獲取待標(biāo)定電子內(nèi)鏡的內(nèi)部參數(shù)矩陣，然后利用非線性優(yōu)化算法，引入畸變系數(shù)，對(duì)內(nèi)部參數(shù)矩陣進(jìn)行修正，得到待標(biāo)定電子內(nèi)鏡的新畸變系數(shù)，從而完成待標(biāo)定電子內(nèi)鏡的自標(biāo)定。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡，可以在正常使用過程中不借助外部標(biāo)定模板對(duì)立體內(nèi)窺鏡標(biāo)定；具體講，首先利用標(biāo)定板對(duì)三個(gè)內(nèi)鏡相機(jī)進(jìn)行初始標(biāo)定，獲取其對(duì)應(yīng)初始標(biāo)定參數(shù)；其次，在保證兩個(gè)相機(jī)參數(shù)不變下，對(duì)另外的一個(gè)相機(jī)進(jìn)行縮放或聚焦調(diào)節(jié)，獲取調(diào)節(jié)后三個(gè)相機(jī)同一時(shí)刻拍攝到的三張圖像，對(duì)三張圖像的重合區(qū)域進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)和匹配操作，基于三張圖像的特征點(diǎn)匹配結(jié)果，通過3D重構(gòu)求出特征點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，利用所得特征點(diǎn)三維坐標(biāo)以及所得特征點(diǎn)在待標(biāo)定相機(jī)對(duì)應(yīng)圖像的像素坐標(biāo)信息，再對(duì)待標(biāo)定相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，獲取待標(biāo)定相機(jī)新的參數(shù)。

同時(shí)，本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡還具有以下有益效果：

(1)、本發(fā)明在實(shí)際使用過程中，可以實(shí)現(xiàn)在線獲取內(nèi)鏡標(biāo)定參數(shù)的功能，而不需要將內(nèi)窺鏡從患者體內(nèi)取出標(biāo)定。

(2)、本發(fā)明引入了初始標(biāo)定這一操作，而由于初始標(biāo)定是通過標(biāo)定參照物來(lái)獲取的，即其初始標(biāo)定參數(shù)精度可靠，并以獲得的內(nèi)窺鏡的初始標(biāo)定參數(shù)作為對(duì)參數(shù)變化后內(nèi)鏡進(jìn)行新的標(biāo)定的基礎(chǔ)，故而本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有自標(biāo)定方法結(jié)果更為精確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡鏡頭分布示意圖；

圖3是本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡的原理框圖；

圖4是本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡的自標(biāo)定流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

在本實(shí)施例中，采用三個(gè)超眼5mm規(guī)格的醫(yī)用內(nèi)鏡做為三目立體內(nèi)窺鏡的組成原件，其中的成像傳感器為CMOS光學(xué)傳感器。

如圖1所示，本發(fā)明一種三目立體內(nèi)窺鏡，包括：固定在同一筒狀裝置的三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡和均勻環(huán)繞在三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡周圍的多個(gè)LED組成的光源，以及一個(gè)用于將三目立體內(nèi)窺鏡與電腦相連的USB接口；

如圖2所示，三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的位置相對(duì)固定，均勻分布在筒狀裝置內(nèi)，三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的鏡頭位于筒狀裝置前端，與多個(gè)LED組成的光源共同構(gòu)成成像單元，三個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的尾部位于筒狀裝置后端，且每個(gè)獨(dú)立電子內(nèi)鏡的尾部擁有一個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)焦距的旋鈕，當(dāng)某一個(gè)電子內(nèi)鏡進(jìn)行縮放或聚焦操作時(shí)，則三目立體內(nèi)窺鏡參數(shù)發(fā)生改變，那么當(dāng)三目立體內(nèi)窺鏡完成初始標(biāo)定后，另外兩個(gè)未調(diào)節(jié)的電子內(nèi)鏡能夠獲取圖像進(jìn)行自標(biāo)定；

如圖1所示，圖中的1為鏡頭部分，其由三個(gè)獨(dú)立內(nèi)鏡與光源組成，2、3、4分別為三個(gè)電子內(nèi)鏡的焦距調(diào)節(jié)旋鈕；

當(dāng)患者需要進(jìn)行內(nèi)窺檢查時(shí)，先放入三目立體內(nèi)窺鏡，再通過尾部的旋鈕進(jìn)行聚焦，然后在光源的配合下通過三個(gè)電子內(nèi)鏡成像，其成像原理如圖3所示，最后通過連接在USB接口上的信號(hào)線傳送至電腦。

在實(shí)際的診療過程中，因?qū)崟r(shí)需要改變內(nèi)鏡相機(jī)參數(shù)，因此，三目立體內(nèi)窺鏡需要在相機(jī)參數(shù)改變時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)自標(biāo)定，下面對(duì)電子內(nèi)鏡進(jìn)行自標(biāo)定的方法為：

(1)、三目立體內(nèi)窺鏡初始化

使用前，利用標(biāo)定模板對(duì)三目立體內(nèi)窺鏡進(jìn)行標(biāo)定，獲取各內(nèi)鏡的初始標(biāo)定參數(shù)矩陣A_a、A_b、A_c和畸變系數(shù)向量K₁、K₂、K₃，以及各內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[R_ab T_ab]、[R_ac T_ac]、[R_bc T_bc]，在本實(shí)施例中，標(biāo)定模板選用棋盤格標(biāo)定板；

其中，參數(shù)矩陣的通用形式即為：α，β分別為相機(jī)在x和y方向上的焦距，γ為傾斜因子，(u₀ v₀)為相機(jī)光心在像平面投影點(diǎn)在像素坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)；K＝[k₁ k₂ k₃ k₄]，k₁，k₂為徑向畸變系數(shù)，k₃，k₄為離心畸變系數(shù)；R為右側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系到左側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為右側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系到左側(cè)相機(jī)坐標(biāo)系的平移向量；

其中，畸變系數(shù)對(duì)應(yīng)模型為:

x_u-x＝(k₁x(x²+y²)+k₂x(x²+y²)²)+(2k₃xy+k₄(3x²+y²))

y_u-y＝(k₁y(x²+y²)+k₂y(x²+y²)²)+(k₃(x²+3y²)+2k₄xy)

其中，(x_u y_u)和(x y)分別表示理想沒有畸變和實(shí)際有畸變。

(2)、當(dāng)某一電子內(nèi)鏡進(jìn)行縮放或聚焦操作時(shí)，先獲取參數(shù)已知的電子內(nèi)鏡與待標(biāo)定電子內(nèi)鏡在同一時(shí)刻的圖像，再利用步驟(1)中所得各內(nèi)鏡的畸變系數(shù)k₁，k₂，k₃，k₄對(duì)所得圖像進(jìn)行畸變校正，然后對(duì)校正后的圖像進(jìn)行特征提取，獲取各圖像中的特征點(diǎn)，再進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，最后從三張圖像中均成功匹配的特征點(diǎn)中選取n組特征點(diǎn)；

在本實(shí)施例中，利用尺度不變特征變換算法SIFT，獲取待標(biāo)定電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像a與任意一參數(shù)已知電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像b的特征匹配點(diǎn)集X_ab，再次運(yùn)用SIFT算法分別獲取待標(biāo)定電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像a與另一參數(shù)已知電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像c的匹配點(diǎn)集X_ac和參數(shù)已知單子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像b與參數(shù)已知電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像c的匹配點(diǎn)集X_bc，如X_ab、X_ac與X_bc中的某一點(diǎn)是同一點(diǎn)，則判定此點(diǎn)為三張圖像的匹配點(diǎn)，即得到了三張圖像的匹配點(diǎn)集，匹配點(diǎn)集中匹配點(diǎn)組數(shù)n≥3。

(3)、根據(jù)步驟(1)中各坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系和步驟(2)中選取的n組特征點(diǎn)構(gòu)造解線性方程組；

設(shè)A電子內(nèi)鏡為待標(biāo)定電子內(nèi)鏡，則構(gòu)造的解線性方程組為：

其中，[u_b v_b 1]^T和[u_c v_c 1]^T分別為特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)已進(jìn)行初始標(biāo)定電子內(nèi)鏡B和C對(duì)應(yīng)圖像中點(diǎn)的像素點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；R_bc、T_bc和R_ab、T_ab分別為電子內(nèi)鏡C的相機(jī)坐標(biāo)系到B相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移量和B相機(jī)坐標(biāo)系到A相機(jī)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣、平移量；[X_b Y_b Z_b]^T和[X_c Y_c Z_c]^T分別為特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)B、C相機(jī)坐標(biāo)系中三維坐標(biāo)；[X_a Y_a Z_a 1]^T、[X_b Y_b Z_b 1]^T和[X_c Y_c Z_c 1]^T分別為A、B、C相機(jī)坐標(biāo)系的點(diǎn)的齊次坐標(biāo)；

最后再求解該方程組，獲取n組特征點(diǎn)在待標(biāo)定內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)[X_a1Y_a1Z_a1]^T......[X_an Y_an Z_an]^T；

(4)、利用n個(gè)待標(biāo)定電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像中特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)[u_a1 v_a1]^T......[u_anv_an]^T和n組特征點(diǎn)在待標(biāo)定內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)[X_a1 Y_a1 Z_a1]^T......[X_an Y_anZ_an]^T，結(jié)合這兩者間的關(guān)系有上述可知，一個(gè)匹配點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)可得到兩個(gè)線性方程，而存在5個(gè)未知參數(shù)，即至少需要3個(gè)匹配點(diǎn)才能得到一個(gè)唯一解，故在對(duì)三個(gè)內(nèi)鏡單元對(duì)應(yīng)圖像實(shí)施匹配操作獲取的匹配點(diǎn)組數(shù)需滿足n≥3這一條件。故當(dāng)有n個(gè)匹配點(diǎn)時(shí)，即可得到如下等式構(gòu)建如下線性方程：

利用最小二乘法求解該線性方程，獲取待標(biāo)定電子內(nèi)鏡的內(nèi)部參數(shù)矩陣，然后利用非線性優(yōu)化算法，引入畸變系數(shù)，對(duì)內(nèi)部參數(shù)矩陣進(jìn)行修正，得到待標(biāo)定電子內(nèi)鏡的新畸變系數(shù)，從而完成待標(biāo)定電子內(nèi)鏡的自標(biāo)定。

其中，非線性優(yōu)化算法采用的模型為：

其中，K為畸變系數(shù)，A為內(nèi)部參數(shù)矩陣，m_i表示n組特征點(diǎn)中第i個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)待標(biāo)定電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像的實(shí)際像素坐標(biāo)，M_i為第i個(gè)特征點(diǎn)在待匹配內(nèi)鏡相機(jī)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，m(K,A,M_i)為點(diǎn)M_i在待標(biāo)定電子內(nèi)鏡對(duì)應(yīng)圖像中的投影點(diǎn)的像素坐標(biāo)。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。