基于c形臂的手術(shù)導(dǎo)航相機(jī)標(biāo)定方法

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1、為了確?！敖虒W(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目設(shè)備正常使用，我校做到安裝、教師培訓(xùn)同步進(jìn)行。設(shè)備安裝到位后，中心校組織各學(xué)點(diǎn)管理人員統(tǒng)一到縣教師進(jìn)修學(xué)校進(jìn)行培訓(xùn)，熟悉系統(tǒng)的使用和維護(hù)?；贑形臂的手術(shù)導(dǎo)航相機(jī)標(biāo)定方法　　摘要：針對(duì)基于C形臂的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中相機(jī)標(biāo)定這一關(guān)鍵技術(shù)中存在的過(guò)渡環(huán)節(jié)過(guò)多、參數(shù)求解過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題，提出一種完全忽略相機(jī)模型的解決方法。該方法完全忽略相機(jī)模型，在映射參數(shù)求解過(guò)程中簡(jiǎn)化了過(guò)渡環(huán)節(jié)，使得算法實(shí)現(xiàn)變得高效；同時(shí)，提出了帶有雙層金屬球的校準(zhǔn)靶，通過(guò)識(shí)別小球的投影數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相機(jī)標(biāo)定。在校準(zhǔn)點(diǎn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，可以

2、驗(yàn)證經(jīng)變換后的坐標(biāo)的殘余誤差均不超過(guò)像素；在導(dǎo)航驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，借助初步搭建的導(dǎo)航平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)了探針取點(diǎn)及穿孔。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該相機(jī)標(biāo)定方法的精度能夠滿足手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求?！　￡P(guān)鍵詞：C形臂；校準(zhǔn)靶；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；相機(jī)標(biāo)定；手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)　　中圖分類(lèi)號(hào)：　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A　　0引言為了充分發(fā)揮“教學(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目設(shè)備的作用，我們不僅把資源運(yùn)用于課堂教學(xué)，還利用系統(tǒng)的特色欄目開(kāi)展課外活動(dòng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育、健康教育、反邪教教育等豐富學(xué)生的課余文化生活。為了確?！敖虒W(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目設(shè)備正常使用，我校做到安裝、

3、教師培訓(xùn)同步進(jìn)行。設(shè)備安裝到位后，中心校組織各學(xué)點(diǎn)管理人員統(tǒng)一到縣教師進(jìn)修學(xué)校進(jìn)行培訓(xùn)，熟悉系統(tǒng)的使用和維護(hù)?！　D像引導(dǎo)手術(shù)系統(tǒng)以X線、CT、MRI等醫(yī)學(xué)圖像為載體，采用高精度定位系統(tǒng)跟蹤手術(shù)工具與患者的相對(duì)位姿關(guān)系，并加以實(shí)時(shí)虛擬顯示，以輔助醫(yī)生提高手術(shù)質(zhì)量[1]，其拓展了醫(yī)生的視野，對(duì)于提高手術(shù)定位精度、減少手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時(shí)間等具有非常重要的意義。目前，基于C形臂的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)因無(wú)需進(jìn)行術(shù)前術(shù)中配準(zhǔn)，可在術(shù)中隨時(shí)現(xiàn)場(chǎng)獲取患者解剖圖像及可利用當(dāng)前大多數(shù)醫(yī)院已有的C形臂設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛研究，其中相機(jī)標(biāo)定是該系統(tǒng)的關(guān)鍵

4、技術(shù)之一?！　〉侥壳盀橹梗姸嘌芯空邆冡槍?duì)相機(jī)校準(zhǔn)分別提出了不同的標(biāo)定方法，其中以文獻(xiàn)[2-4]中提出的校準(zhǔn)方法較為經(jīng)典。上述方法均能達(dá)到理想的標(biāo)定效果，其中文獻(xiàn)[4]提出的相機(jī)標(biāo)定方法因在參數(shù)求解和過(guò)渡環(huán)節(jié)等問(wèn)題的處理上與文獻(xiàn)[2-3]中提出的標(biāo)定方法相比均存在顯著優(yōu)勢(shì)而備受推崇，其待求參數(shù)求解環(huán)節(jié)少，計(jì)算公式簡(jiǎn)單，適用于圖像變形校正與C形臂成像系統(tǒng)標(biāo)定嚴(yán)格分離的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)[5-6]。閆士舉[7]針對(duì)Faugeras校準(zhǔn)過(guò)程中仍要經(jīng)歷中間環(huán)節(jié)的問(wèn)題提出了改進(jìn)的Faugeras校準(zhǔn)方法，其直接求取校準(zhǔn)參數(shù)，沒(méi)有中間過(guò)渡環(huán)節(jié)，

5、算法結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化；但是該改進(jìn)方法在參數(shù)求解過(guò)程中的約束條件使得求解過(guò)程還存在一定的繁瑣之處。為了充分發(fā)揮“教學(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目設(shè)備的作用，我們不僅把資源運(yùn)用于課堂教學(xué)，還利用系統(tǒng)的特色欄目開(kāi)展課外活動(dòng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育、健康教育、反邪教教育等豐富學(xué)生的課余文化生活。為了確?！敖虒W(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目設(shè)備正常使用，我校做到安裝、教師培訓(xùn)同步進(jìn)行。設(shè)備安裝到位后，中心校組織各學(xué)點(diǎn)管理人員統(tǒng)一到縣教師進(jìn)修學(xué)校進(jìn)行培訓(xùn)，熟悉系統(tǒng)的使用和維護(hù)?！　∮捎诨贑型臂的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的相機(jī)標(biāo)定的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)3D空間數(shù)據(jù)

6、轉(zhuǎn)換成2D圖像數(shù)據(jù)，本文借鑒閆士舉[7]針對(duì)Faugeras校準(zhǔn)方法改進(jìn)時(shí)所用到的忽略相機(jī)模型的想法，提出一種新的解決方案。該方案完全忽略相機(jī)模型，進(jìn)一步簡(jiǎn)化過(guò)渡環(huán)節(jié)，使得求解過(guò)程變得簡(jiǎn)單，同時(shí)精度也能夠得以保證。本研究還改進(jìn)了校準(zhǔn)靶，借助校準(zhǔn)靶實(shí)現(xiàn)圖像變形矯正，并提取矯正后的校準(zhǔn)靶圖像數(shù)據(jù)用于相機(jī)標(biāo)定；在實(shí)現(xiàn)3D空間坐標(biāo)向2D圖像坐標(biāo)的映射后搭建了導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的解決方法?！　?校準(zhǔn)靶的設(shè)計(jì)　　校準(zhǔn)靶是基于C形臂手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件。根據(jù)功能要求，其上應(yīng)帶有按一定規(guī)則布置的金屬網(wǎng)

7、格或金屬小球。手術(shù)前，先將校準(zhǔn)靶固定在C型臂的影像增強(qiáng)器端，獲取若干幅圖像，然后對(duì)小球在圖像中投影進(jìn)行識(shí)別并提取其幾何數(shù)據(jù)。XRII圖像變形校正及后續(xù)的C型臂成像系統(tǒng)標(biāo)定都必須借助這些幾何數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)。本文研究中，自行設(shè)計(jì)制造了校準(zhǔn)靶?！　∪鐖D1所示：圖為自行設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)靶，側(cè)面裝有3個(gè)供定位跟蹤儀定位使用的跟蹤器，上下兩層有機(jī)玻璃上裝有按一定規(guī)則排列的金屬球，下層鋼珠直徑比上層金屬球大，所拍攝的校準(zhǔn)靶X線圖像如圖所示?！　?相機(jī)標(biāo)定　　相機(jī)標(biāo)定是基于C形臂的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，其本質(zhì)為構(gòu)建一個(gè)從空間3D立

8、體患部到2D圖像的投射模型，并求解3D空間坐標(biāo)到2D圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換映射參數(shù)[8-9]，是手術(shù)實(shí)體可視化的必經(jīng)環(huán)節(jié)?！　?實(shí)驗(yàn)與分析為了充分發(fā)揮“教學(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目設(shè)備的作用，我們不僅把資源運(yùn)用于課堂教學(xué)，還利用系統(tǒng)的特色欄目開(kāi)展課外活動(dòng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全教育、健康