用于立體內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)航的虛擬立體內(nèi)窺鏡顯示方法及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于立體內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)航的虛擬立體內(nèi)窺鏡顯示方法及設(shè)備，即 在立體內(nèi)窺鏡和虛擬立體內(nèi)窺鏡三維圖像的顯示方法；可用于在虛擬立體內(nèi)窺鏡監(jiān)視器上 顯示與立體內(nèi)窺鏡監(jiān)視器出屏距離一致的虛擬三維內(nèi)窺鏡圖像。
【背景技術(shù)】
[0002] 微創(chuàng)手術(shù)因其有損傷小、術(shù)后并發(fā)癥少和患者康復(fù)快等特點(diǎn)，近年在臨床上受到 了廣泛關(guān)注。內(nèi)窺鏡手術(shù)作為微創(chuàng)手術(shù)的一種主要技術(shù)手段，在外科手術(shù)中的應(yīng)用越來(lái) 越廣泛。立體內(nèi)窺鏡是為了解決普通內(nèi)窺鏡視野中空間信息不足而產(chǎn)生的一種可以觀察 手術(shù)區(qū)域內(nèi)立體圖像信息的內(nèi)窺鏡設(shè)備。中國(guó)發(fā)明專利【申請(qǐng)?zhí)枴?00910068276. 2,名稱 為：雙目?jī)?nèi)窺鏡手術(shù)系統(tǒng)，以及中國(guó)發(fā)明專利【申請(qǐng)?zhí)枴?01010245492. 2,名稱為：可自由轉(zhuǎn) 角的立體內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，是通過(guò)立體成像原理，將手術(shù)區(qū)域的立體圖像輸出到立體監(jiān)視器，通 過(guò)增加醫(yī)生對(duì)手術(shù)區(qū)域空間信息的感知量來(lái)提高手術(shù)的安全性。中國(guó)發(fā)明專利【申請(qǐng)?zhí)枴?200910045399. 4,名稱為：微創(chuàng)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，提供了一種利用CT等三維醫(yī)學(xué)圖像信息來(lái) 生成手術(shù)區(qū)域?qū)?yīng)導(dǎo)航信息的導(dǎo)航方法，用來(lái)增加微創(chuàng)手術(shù)的安全性。但是這些方法沒(méi)有 解決立體內(nèi)窺鏡對(duì)應(yīng)的虛擬立體內(nèi)窺鏡導(dǎo)航信息的表示問(wèn)題，沒(méi)有將CT等三維醫(yī)學(xué)圖像 的空間信息和立體內(nèi)窺鏡的空間信息有效地結(jié)合起來(lái)。
[0003] 為了更有效地彌補(bǔ)內(nèi)窺鏡手術(shù)在空間感知上的不足，增加對(duì)手術(shù)區(qū)域監(jiān)控和導(dǎo)航 的空間信息容量，生成與立體內(nèi)窺鏡監(jiān)視器對(duì)應(yīng)的虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像來(lái)輔助立體內(nèi)窺鏡 手術(shù)是一種可取方法。雖然通過(guò)把與立體內(nèi)窺鏡左右眼對(duì)應(yīng)的左右眼虛擬內(nèi)窺鏡圖像顯示 在一個(gè)立體監(jiān)視器上，可以實(shí)現(xiàn)虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像的顯示，但由于左右眼的視點(diǎn)差以及 監(jiān)視器上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像差都會(huì)影響人眼感知三維物體的空間位置關(guān)系，所以生成和顯示與立 體內(nèi)窺鏡監(jiān)視器一致的虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像是一個(gè)十分有意義的話題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于立體內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)航的虛擬立體內(nèi)窺鏡顯示方 法及設(shè)備；在虛擬立體內(nèi)窺鏡監(jiān)視器上顯示與立體內(nèi)窺鏡監(jiān)視器出屏距離一致的虛擬三維 內(nèi)窺鏡圖像，通過(guò)立體的方式實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航；不僅能夠?yàn)獒t(yī)生提供由三維醫(yī)學(xué)影像所生成 的手術(shù)區(qū)域影像，而且能以立體的方式展現(xiàn)給醫(yī)生，讓醫(yī)生更容易掌握手術(shù)區(qū)域的空間信 息，從而提高診查的準(zhǔn)確性和手術(shù)的安全性。
[0005] 本發(fā)明是的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種用于立體內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)航的虛擬立體內(nèi) 窺鏡圖像的顯示設(shè)備，由立體內(nèi)窺鏡，有線或無(wú)線6自由度位置傳感器，主動(dòng)立體眼鏡，計(jì) 算機(jī)，左右眼視頻捕捉卡，位置傳感器接口，主動(dòng)立體視頻輸出卡，主動(dòng)立體眼鏡信號(hào)控制 器，立體內(nèi)窺鏡圖像監(jiān)視器，虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像監(jiān)視器，以及網(wǎng)格圖像標(biāo)定板組成；其特 征在于：立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像機(jī)的視頻信號(hào)經(jīng)由視頻輸出線接入到左右眼視頻捕捉卡； 6自由度位置傳感器的輸出由位置傳感器接口輸入到計(jì)算機(jī)中；主動(dòng)立體眼鏡信號(hào)控制 器、立體內(nèi)窺鏡圖像監(jiān)視器、以及虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像監(jiān)視器的數(shù)據(jù)分別來(lái)自于主動(dòng)立體 視頻輸出卡；用于生成虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像的3維醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。
[0006] -種用于立體內(nèi)窺鏡手術(shù)導(dǎo)航的虛擬立體內(nèi)窺鏡顯示方法，包括立體內(nèi)窺鏡成像 模塊、立體內(nèi)窺鏡圖像顯示模塊、內(nèi)窺鏡標(biāo)定模塊、虛擬立體內(nèi)窺鏡成像模塊以及虛擬立體 內(nèi)窺鏡圖像顯示模塊；其特征在于：立體內(nèi)窺鏡成像模塊負(fù)責(zé)采集左右兩視點(diǎn)（左右眼） 的原始手術(shù)區(qū)域圖像；立體內(nèi)窺鏡圖像顯示模塊負(fù)責(zé)將左右眼的內(nèi)窺鏡圖像通過(guò)立體監(jiān)視 系統(tǒng)顯示在立體監(jiān)視器上，同時(shí)提供醫(yī)生獲得立體視覺(jué)圖像的實(shí)現(xiàn)；內(nèi)窺鏡標(biāo)定模塊負(fù)責(zé) 立體內(nèi)窺鏡與虛擬立體內(nèi)窺鏡的成像位置對(duì)應(yīng)，以及負(fù)責(zé)在立體監(jiān)視器上成像后立體視覺(jué) 效果的一致性和同步性；虛擬立體內(nèi)窺鏡成像模塊負(fù)責(zé)生成與立體內(nèi)窺鏡左右眼圖像對(duì)應(yīng) 的虛擬內(nèi)窺鏡左右眼圖像；虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像顯示模塊負(fù)責(zé)將虛擬立體內(nèi)窺鏡圖像顯示 在立體監(jiān)視器上，同時(shí)提供醫(yī)生獲得立體視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)； 具體步驟如下： 1、 對(duì)立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，分別得到立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)的內(nèi) 參矩陣^以及左右眼攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的變換矩陣#+ :; 2、 開(kāi)始將網(wǎng)格圖像標(biāo)定板置于用立體內(nèi)窺鏡視場(chǎng)；計(jì)算機(jī)讀取立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像 機(jī)所拍攝到的標(biāo)定板的圖像; 3、 改變網(wǎng)格圖像標(biāo)定板在立體內(nèi)窺鏡視場(chǎng)中的位置和姿態(tài)；用計(jì)算機(jī)讀取立體內(nèi)窺鏡 左右眼攝像機(jī)所拍攝到的標(biāo)定板的圖像If ; 4、 重復(fù)步驟3,用計(jì)算機(jī)獲取立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像機(jī)所拍攝到的標(biāo)定板的圖像序列 If1和對(duì)以上； 5、 在標(biāo)定板上設(shè)定坐標(biāo)系Cjj，并設(shè)定標(biāo)定板網(wǎng)格圖形各個(gè)交叉點(diǎn)在中的空間坐 標(biāo)； 6、 用計(jì)算機(jī)4讀取圖像序列If I If中標(biāo)定板網(wǎng)格圖形各個(gè)交叉點(diǎn)的圖像坐標(biāo)； 7、 根據(jù)步驟5所獲得的交叉點(diǎn)空間坐標(biāo)以及步驟6所獲得的對(duì)應(yīng)交叉點(diǎn)圖像坐標(biāo)，利 用張正友標(biāo)定法可以計(jì)算出立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣;同時(shí)可以 獲得與圖像^ 對(duì)應(yīng)的外部參數(shù)矩陣分？和，即圖像/fZ ^ If1對(duì)應(yīng)立體 內(nèi)窺鏡的左右攝像機(jī)坐標(biāo)系與坐標(biāo)系￡^的變換矩陣為; 8、 由立體內(nèi)窺鏡的左右攝像機(jī)坐標(biāo)系與坐標(biāo)系的變換矩陣和可以獲 得立體內(nèi)窺鏡的右攝像機(jī)坐標(biāo)系與立體內(nèi)窺鏡的左攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的變換矩陣為 江。（JrrY1的均值 9、 借助患者身上的特征點(diǎn)和位置傳感器，來(lái)獲取患者坐標(biāo)系Cjr和三維醫(yī)學(xué)圖像坐標(biāo) 系之間的變換矩陣奸； 10、 將患者放置于手術(shù)工作臺(tái)上，用位置傳感器測(cè)量選取的特征點(diǎn)在坐標(biāo)系Cjr中的 坐標(biāo)if; 11、 用計(jì)算機(jī)獲取步驟10的特征點(diǎn)在三維醫(yī)學(xué)圖像中對(duì)于坐標(biāo)系<^T的坐標(biāo); 12、 根據(jù)兩組點(diǎn)集^/^和^&利用最小二乘法^以獲得坐標(biāo)系一與^/之間的變 換 T?.r; 13、 獲取位置傳感器與立體內(nèi)窺鏡的左攝像機(jī)之間的坐標(biāo)變換關(guān)系# ; 14、 在位置傳感器的測(cè)量空間中固定標(biāo)定板； 15、 將用于導(dǎo)航的位置傳感器固定于立體內(nèi)窺鏡上，處于手術(shù)導(dǎo)航時(shí)的設(shè)置狀態(tài)，保證 位置傳感器與立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)為剛性連接； 16、 在位置傳感器的測(cè)量空間內(nèi)移動(dòng)立體內(nèi)窺鏡，讓立體內(nèi)窺鏡（1)的左眼攝像機(jī)拍 攝固定在位置傳感器測(cè)量空間的標(biāo)定板，用計(jì)算機(jī)獲取位置傳感器和立體內(nèi)窺鏡的左眼攝 像機(jī)的位置信息和圖像信息序列； 17、 在位置傳感器的測(cè)量空間內(nèi)移動(dòng)立體內(nèi)窺鏡，讓立體內(nèi)窺鏡的左眼攝像機(jī)拍攝固 定在位置傳感器測(cè)量空間的標(biāo)定板，用計(jì)算機(jī)獲取位置傳感器位置和姿態(tài)信息序列，同時(shí) 獲取對(duì)應(yīng)位置的立體內(nèi)窺鏡左眼攝像機(jī)的圖像信息序列； 18、 根據(jù)獲得的標(biāo)定板的圖像序列，計(jì)算立體內(nèi)窺鏡左眼攝像機(jī)的位置和姿態(tài)信息序 列； 19、 根據(jù)獲得的立體內(nèi)窺鏡左眼攝像機(jī)和位置傳感器的位置和姿態(tài)信息序列，計(jì)算位 置傳感器與立體內(nèi)窺鏡的左攝像機(jī)之間的坐標(biāo)變換關(guān)系〗r ; 20、 借助位置傳感器的輸出，獲取立體內(nèi)窺鏡的左右攝像機(jī)在三維醫(yī)學(xué)圖像中的對(duì)應(yīng) 姿態(tài)和位置； 21、 用計(jì)算機(jī)獲取位置傳感器的位置和姿態(tài)信息1^r ; 22、 根據(jù)位置傳感器和立體內(nèi)窺鏡的左攝像機(jī)之間的坐標(biāo)變換關(guān)系江，計(jì)算出立體內(nèi) 窺鏡的左右攝像機(jī)在Crr的位置和姿態(tài)信息; 23、 根據(jù)患者坐標(biāo)系C『和三維醫(yī)學(xué)圖像坐標(biāo)系f7之間的變換矩陣女，計(jì)算立體內(nèi)窺 鏡的左右攝像機(jī)在三維醫(yī)學(xué)圖像中的對(duì)應(yīng)姿態(tài)和位置江和江； 24、 生成與立體內(nèi)窺鏡的左右攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的虛擬立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像機(jī)圖像； 25、 將立體內(nèi)窺鏡的左右攝像機(jī)在三維醫(yī)學(xué)圖像中的對(duì)應(yīng)姿態(tài)和位置#和ir設(shè)定為 虛擬立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)的位置和姿態(tài)； 26、 根據(jù)虛擬立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)在三維醫(yī)學(xué)圖像中的位置和姿態(tài)，利用光線 投射方法，生成虛擬立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像機(jī)的圖像； 27、 顯示立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)所拍攝到的手術(shù)區(qū)域影像； 28、 用左右眼視頻捕捉卡抓取立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)所拍攝到的手術(shù)區(qū)域圖像； 29、 將左右眼視頻捕捉卡所獲得立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)圖像提交給的主動(dòng)立體視 頻輸出卡； 30、 利用立體視頻輸出卡將獲得的立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)圖像通過(guò)分時(shí)的方式顯 示在立體內(nèi)窺鏡圖像監(jiān)視器上，完成立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)圖像的顯示； 31、 顯示虛擬立體內(nèi)窺鏡的左右眼攝像機(jī)圖像，所生成的虛擬立體內(nèi)窺鏡左右眼攝像 機(jī)圖像提交給的主動(dòng)立體視頻輸出卡； 32、 利用立體視頻輸出卡將獲得