基于c形臂的手术导航相机标定方法

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于C形臂的手术导航相机标定方法　　摘要：针对基于C形臂的手术导航系统中相机标定这一关键技术中存在的过渡环节过多、参数求解过程复杂等问题，提出一种完全忽略相机模型的解决方法。该方法完全忽略相机模型，在映射参数求解过程中简化了过渡环节，使得算法实现变得高效；同时，提出了带有双层金属球的校准靶，通过识别小球的投影数据来实现相机标定。在校准点验证实验中，可以

2、验证经变换后的坐标的残余误差均不超过像素；在导航验证实验中，借助初步搭建的导航平台成功实现了探针取点及穿孔。实验结果表明，该相机标定方法的精度能够满足手术导航系统的精度要求。　　关键词：C形臂；校准靶；实验平台；相机标定；手术导航系统　　中图分类号：　　文献标志码：A　　0引言为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、

3、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　图像引导手术系统以X线、CT、MRI等医学图像为载体，采用高精度定位系统跟踪手术工具与患者的相对位姿关系，并加以实时虚拟显示，以辅助医生提高手术质量[1]，其拓展了医生的视野，对于提高手术定位精度、减少手术创伤、缩短手术时间等具有非常重要的意义。目前，基于C形臂的手术导航系统因无需进行术前术中配准，可在术中随时现场获取患者解剖图像及可利用当前大多数医院已有的C形臂设备等优点而受到广泛研究，其中相机标定是该系统的关键

4、技术之一。　　到目前为止，众多研究者们针对相机校准分别提出了不同的标定方法，其中以文献[2-4]中提出的校准方法较为经典。上述方法均能达到理想的标定效果，其中文献[4]提出的相机标定方法因在参数求解和过渡环节等问题的处理上与文献[2-3]中提出的标定方法相比均存在显著优势而备受推崇，其待求参数求解环节少，计算公式简单，适用于图像变形校正与C形臂成像系统标定严格分离的手术导航系统[5-6]。闫士举[7]针对Faugeras校准过程中仍要经历中间环节的问题提出了改进的Faugeras校准方法，其直接求取校准参数，没有中间过渡环节，

5、算法结构大大简化；但是该改进方法在参数求解过程中的约束条件使得求解过程还存在一定的繁琐之处。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　由于基于C型臂的手术导航系统中的相机标定的最终目的是为了实现3D空间数据

6、转换成2D图像数据，本文借鉴闫士举[7]针对Faugeras校准方法改进时所用到的忽略相机模型的想法，提出一种新的解决方案。该方案完全忽略相机模型，进一步简化过渡环节，使得求解过程变得简单，同时精度也能够得以保证。本研究还改进了校准靶，借助校准靶实现图像变形矫正，并提取矫正后的校准靶图像数据用于相机标定；在实现3D空间坐标向2D图像坐标的映射后搭建了导航实验平台，进行了相关实验，进一步验证了本文所提出的解决方法。　　1校准靶的设计　　校准靶是基于C形臂手术导航系统中的一个关键部件。根据功能要求，其上应带有按一定规则布置的金属网

7、格或金属小球。手术前，先将校准靶固定在C型臂的影像增强器端，获取若干幅图像，然后对小球在图像中投影进行识别并提取其几何数据。XRII图像变形校正及后续的C型臂成像系统标定都必须借助这些几何数据才能实现。本文研究中，自行设计制造了校准靶。　　如图1所示：图为自行设计的校准靶，侧面装有3个供定位跟踪仪定位使用的跟踪器，上下两层有机玻璃上装有按一定规则排列的金属球，下层钢珠直径比上层金属球大，所拍摄的校准靶X线图像如图所示。　　2相机标定　　相机标定是基于C形臂的手术导航系统实现所必须解决的关键技术之一，其本质为构建一个从空间3D立

8、体患部到2D图像的投射模型，并求解3D空间坐标到2D图像坐标系的转换映射参数[8-9]，是手术实体可视化的必经环节。　　3实验与分析为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康