內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微創(chuàng)外科（MinimallyInvasiveSurgery,MIS)手術(shù)是臨床醫(yī)學(xué)主要的發(fā)展趨 勢之一，而圖像引導(dǎo)外科（Image-GuidedSurgery,IGS)技術(shù)則是飛速發(fā)展的微創(chuàng)外科手 術(shù)技術(shù)中至關(guān)重要的一部分。圖像引導(dǎo)外科技術(shù)利用多種醫(yī)學(xué)設(shè)備制定有效的手術(shù)治療 方案，并在手術(shù)過程中實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航，從而減低了手術(shù)的治療風(fēng)險(xiǎn)并提高了治療精度。同 時(shí)，隨著內(nèi)窺鏡、超聲、計(jì)算機(jī)斷層掃描、磁共振等越來越多樣化的醫(yī)療設(shè)備的出現(xiàn)，可實(shí) 現(xiàn)不同模態(tài)的醫(yī)學(xué)成像，從而使得多模態(tài)圖像引導(dǎo)外科技術(shù)（MultimodalImage-Guide SUrgery，MIS)得到了長足的發(fā)展，并成為圖像引導(dǎo)外科研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。多模態(tài)圖像 引導(dǎo)外科技術(shù)將術(shù)中圖像和術(shù)前圖像進(jìn)行融合，使得醫(yī)生可以同時(shí)觀測到不同模態(tài)的圖像 信息，為醫(yī)生提供了更多的輔助信息，從而為外科手術(shù)的進(jìn)行帶來了極大的便利。現(xiàn)有技術(shù) 中，多模態(tài)圖像引導(dǎo)外科技術(shù)一般利用醫(yī)療內(nèi)窺鏡將術(shù)中實(shí)時(shí)獲取的內(nèi)窺鏡圖像與術(shù)前掃 描圖像（例如，超聲圖像、X射線圖像、計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像、磁共振圖像等）進(jìn)行融合。而 內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)為圖像融合技術(shù)中的關(guān)鍵步驟，其為多模態(tài)圖像引導(dǎo)外科技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。
[0003] 內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)技術(shù)主要涉及在全局坐標(biāo)系中跟蹤內(nèi)窺鏡照相機(jī)通道之內(nèi)的內(nèi)窺鏡 相機(jī)，以便將內(nèi)窺鏡的位置與術(shù)前所得圖像相關(guān)聯(lián)，從而顯示融合后的多模態(tài)圖像。現(xiàn)有的 用于內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)的方法主要包括基于實(shí)況圖像配準(zhǔn)的內(nèi)窺鏡跟蹤和校準(zhǔn)方法和基于電磁 (EM)位置傳感器的內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)方法。然而，基于實(shí)況圖像配準(zhǔn)的內(nèi)窺鏡跟蹤和校準(zhǔn)方法計(jì) 算復(fù)雜、時(shí)間復(fù)雜度高且容易出錯(cuò)，同時(shí)基于電磁（EM)位置傳感器的內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)方法由于 需要將EM位置傳感器插入到內(nèi)窺鏡工作通道中從而會(huì)長期占用內(nèi)窺鏡工作通道。
[0004] 現(xiàn)有的用于內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)的方法主要分為兩種。第一種基于實(shí)況圖像的配準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi) 窺鏡跟蹤和校準(zhǔn)，第二種基于安裝在內(nèi)窺鏡中的位置傳感器進(jìn)行內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)。相較于第二 種方法，第一種方法不需要附加相應(yīng)的外部設(shè)備，但是由于其計(jì)算過程復(fù)雜，時(shí)間復(fù)雜度高 且容易出錯(cuò)，因而第二種方法仍為現(xiàn)有的用于內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)的主流方法。
[0005] 現(xiàn)有的基于位置傳感器進(jìn)行內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)的方法大多采用將EM位置傳感器插入到 內(nèi)窺鏡工作通道中，通過確定內(nèi)窺鏡相機(jī)通道內(nèi)的內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)系相對(duì)于EM位置傳 感器的位置和取向進(jìn)行內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)。利用EM位置傳感器的讀數(shù)可動(dòng)態(tài)地確定內(nèi)窺鏡相機(jī) 的位置參數(shù)。盡管這種方法可以方便、有效地實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)，但是由于EM位置傳感器需 要插入到內(nèi)窺鏡工作通道中從而長期占用了內(nèi)窺鏡工作通道，在內(nèi)窺鏡工作過程中帶來了 諸多限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，有必要提供一種內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法。
[0007] 本發(fā)明提供一種內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括內(nèi)窺鏡模塊、標(biāo)定模板 模塊及光學(xué)跟蹤模塊，其中：所述內(nèi)窺鏡模塊包括：內(nèi)窺鏡前端和位于內(nèi)窺鏡照相機(jī)通道 內(nèi)的內(nèi)窺鏡相機(jī)；所述標(biāo)定模板模塊為具有等間距實(shí)心圓陣列圖案的平板或者帶有棋盤 格圖案的平板等類型的標(biāo)定平板；所述光學(xué)跟蹤模塊包括：安置在內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)跟蹤 器、附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器以及光學(xué)位置傳感器。
[0008] 其中，所述光學(xué)位置傳感器用于實(shí)時(shí)地獲取安置在內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)跟蹤器和附 加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的位置信息。
[0009] 所述光學(xué)跟蹤模塊用于計(jì)算得到安置在內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系E與 光學(xué)位置傳感器的系統(tǒng)參考空間坐標(biāo)系R的變換矩陣TER，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體 表示為：
[0010] I安置在內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)空間
為系統(tǒng)多、，工?IKIP'」：=K1Z」、工JKI，lEHCirt了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。
[0011] 所述光學(xué)跟蹤模塊還用于計(jì)算得到光學(xué)位置傳感器的系統(tǒng)參考空間坐標(biāo)系R與 附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系T的變換矩陣Trt，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體 表示為：
[0012]
為系統(tǒng)參考空間的坐標(biāo)空間
丨附加在標(biāo)定模板的 光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)空間，Trt包含了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。
[0013] 所述光學(xué)跟蹤模塊還用于計(jì)算得到附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系T與 標(biāo)定模板模塊的坐標(biāo)系G的變換矩陣TTC，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體表示為，
[0014]
付加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)空間 ％ 標(biāo)定模板的坐標(biāo)空間，TTe包含了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。
[0015] 所述標(biāo)定模板模塊用于計(jì)算得到標(biāo)定模板的坐標(biāo)系G與內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)系C的 變換矩陣TeD其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體表示為：
[0016：
b標(biāo)定模板的坐標(biāo)空間 為內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)空 間，Tgc包谷丨堀轉(zhuǎn)和干移矩陣。
[0017] 所述光學(xué)跟蹤模塊還用于利用矩陣之間的變換關(guān)系，計(jì)算得到安置在內(nèi)窺鏡前端 的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系E與內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)系C的變換矩陣TEe，其變換關(guān)系具體為：
[0018] Tec - T ER ? Trt ? Ttg ? Tgc〇
[0019] 本發(fā)明還提供一種內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：計(jì)算得到 安置在內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系E與光學(xué)位置傳感器的系統(tǒng)參考空間坐標(biāo)系R的 變換矩陣TER，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體表示為
％安置在 內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)空|1
系統(tǒng)參考空間的坐標(biāo)空間，TER包含了旋轉(zhuǎn)和 平移矩陣；計(jì)算得到光學(xué)位置傳感器的系統(tǒng)參考空間坐標(biāo)系R與附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟 蹤器的坐標(biāo)系T的變換矩陣Trt，，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體表示為：
其中
9系統(tǒng)參考空間的坐標(biāo)空間
％附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)空間， Trt包含了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣；計(jì)算得到附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系T與標(biāo)定模板 模塊的坐標(biāo)系G的變換矩陣TTC，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體表示為
其弓
為附加在標(biāo)定模板的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)空間，
為標(biāo)定模板的坐標(biāo)空間，'^包 含了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣；計(jì)算得到標(biāo)定模板的坐標(biāo)系G與內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)系C的變換矩陣 ，其坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可具體表示為
|標(biāo)定模板的坐標(biāo) 空間
為內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)空間，Tec包含了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣；計(jì)算得到安置在內(nèi)窺鏡 前端的光學(xué)跟蹤器的坐標(biāo)系E與內(nèi)窺鏡相機(jī)的坐標(biāo)系C的變換矩陣TEe，其變換關(guān)系具體為： Tec-TER ?Trt ?Ttg ?TGC。。
[0020] 本發(fā)明內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法，計(jì)算簡單，時(shí)間復(fù)雜度低，不易出錯(cuò)，可用于實(shí)時(shí) 的手術(shù)導(dǎo)航。本發(fā)明無需將EM位置傳感器插入到內(nèi)窺鏡工作通道中從而避免長期占用內(nèi) 窺鏡工作通道，可實(shí)時(shí)、高效、快捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)，并為多模態(tài)圖像引導(dǎo)外科手術(shù) 技術(shù)后續(xù)的多模態(tài)圖像配準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0025] 參閱圖1所示，是本發(fā)明內(nèi)窺鏡校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖。該系統(tǒng)包括內(nèi)窺鏡模塊 101、標(biāo)定模板模塊102及光學(xué)跟蹤模塊103。
[0026] 所述內(nèi)窺鏡模塊101包括：內(nèi)窺鏡前端和位于內(nèi)窺鏡照相機(jī)通道內(nèi)的內(nèi)窺鏡相 機(jī)。
[0027] 所述標(biāo)定模板模塊102可以為具有等間距實(shí)心圓陣列圖案的平板或者帶有棋盤 格圖案的平板等類型的標(biāo)定平板，且可根據(jù)系統(tǒng)要求改變平板上的圖案類型和排列方式以 及平板的材質(zhì)。
[0028] 所述光學(xué)跟蹤模塊103包括：安置在內(nèi)窺鏡前端上的光學(xué)跟蹤器1031、附加在標(biāo) 定模板上的光學(xué)跟蹤器1032以及光學(xué)位置傳感器1033。
[0029] 為了更清楚地闡明本發(fā)明，請(qǐng)同時(shí)參閱圖2。所述光學(xué)位置傳感器1033用于實(shí)時(shí) 地獲取光學(xué)跟蹤器1031和光學(xué)跟蹤器1032的位置信息。所述光學(xué)跟蹤器1031和光學(xué)跟 蹤器1032上具有相應(yīng)的光反射球，可實(shí)時(shí)地被光學(xué)位置傳感器1033檢測。光反射球的數(shù) 量、形狀和排列方式并不是單一的，可根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行相應(yīng)的改變。所述光學(xué)跟蹤器1031 和光學(xué)跟蹤器1032可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際條件靈活的改變其在內(nèi)窺鏡模塊101和標(biāo)定模板模 塊102上的位置和安置方式。
[0030] 本系統(tǒng)主要包含5個(gè)坐標(biāo)空間，分別為光學(xué)位置傳感器1033所提供的系統(tǒng)參考空 間坐標(biāo)系R，標(biāo)定模板模塊102的坐標(biāo)系G，內(nèi)窺鏡模塊101相機(jī)工作通道內(nèi)的內(nèi)窺鏡相機(jī) 的坐標(biāo)系C，安裝在內(nèi)窺鏡前端上的光學(xué)跟蹤器1031的坐標(biāo)系E以及附加在標(biāo)定模板模塊 102上的光學(xué)跟蹤器1032的坐標(biāo)系T。