用于立体内窥镜手术导航的虚拟立体内窥镜显示方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于立体内窥镜手术导航的虚拟立体内窥镜显示方法及设备，即 在立体内窥镜和虚拟立体内窥镜三维图像的显示方法；可用于在虚拟立体内窥镜监视器上 显示与立体内窥镜监视器出屏距离一致的虚拟三维内窥镜图像。
【背景技术】
[0002] 微创手术因其有损伤小、术后并发症少和患者康复快等特点，近年在临床上受到 了广泛关注。内窥镜手术作为微创手术的一种主要技术手段，在外科手术中的应用越来 越广泛。立体内窥镜是为了解决普通内窥镜视野中空间信息不足而产生的一种可以观察 手术区域内立体图像信息的内窥镜设备。中国发明专利【申请号】200910068276. 2,名称 为：双目内窥镜手术系统，以及中国发明专利【申请号】201010245492. 2,名称为：可自由转 角的立体内窥镜系统，是通过立体成像原理，将手术区域的立体图像输出到立体监视器，通 过增加医生对手术区域空间信息的感知量来提高手术的安全性。中国发明专利【申请号】 200910045399. 4,名称为：微创手术导航系统，提供了一种利用CT等三维医学图像信息来 生成手术区域对应导航信息的导航方法，用来增加微创手术的安全性。但是这些方法没有 解决立体内窥镜对应的虚拟立体内窥镜导航信息的表示问题，没有将CT等三维医学图像 的空间信息和立体内窥镜的空间信息有效地结合起来。
[0003] 为了更有效地弥补内窥镜手术在空间感知上的不足，增加对手术区域监控和导航 的空间信息容量，生成与立体内窥镜监视器对应的虚拟立体内窥镜图像来辅助立体内窥镜 手术是一种可取方法。虽然通过把与立体内窥镜左右眼对应的左右眼虚拟内窥镜图像显示 在一个立体监视器上，可以实现虚拟立体内窥镜图像的显示，但由于左右眼的视点差以及 监视器上对应点的像差都会影响人眼感知三维物体的空间位置关系，所以生成和显示与立 体内窥镜监视器一致的虚拟立体内窥镜图像是一个十分有意义的话题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于立体内窥镜手术导航的虚拟立体内窥镜显示方 法及设备；在虚拟立体内窥镜监视器上显示与立体内窥镜监视器出屏距离一致的虚拟三维 内窥镜图像，通过立体的方式实现手术导航；不仅能够为医生提供由三维医学影像所生成 的手术区域影像，而且能以立体的方式展现给医生，让医生更容易掌握手术区域的空间信 息，从而提高诊查的准确性和手术的安全性。
[0005] 本发明是的技术方案是这样实现的，一种用于立体内窥镜手术导航的虚拟立体内 窥镜图像的显示设备，由立体内窥镜，有线或无线6自由度位置传感器，主动立体眼镜，计 算机，左右眼视频捕捉卡，位置传感器接口，主动立体视频输出卡，主动立体眼镜信号控制 器，立体内窥镜图像监视器，虚拟立体内窥镜图像监视器，以及网格图像标定板组成；其特 征在于：立体内窥镜左右眼摄像机的视频信号经由视频输出线接入到左右眼视频捕捉卡； 6自由度位置传感器的输出由位置传感器接口输入到计算机中；主动立体眼镜信号控制 器、立体内窥镜图像监视器、以及虚拟立体内窥镜图像监视器的数据分别来自于主动立体 视频输出卡；用于生成虚拟立体内窥镜图像的3维医学图像存储在计算机中。
[0006] -种用于立体内窥镜手术导航的虚拟立体内窥镜显示方法，包括立体内窥镜成像 模块、立体内窥镜图像显示模块、内窥镜标定模块、虚拟立体内窥镜成像模块以及虚拟立体 内窥镜图像显示模块；其特征在于：立体内窥镜成像模块负责采集左右两视点（左右眼） 的原始手术区域图像；立体内窥镜图像显示模块负责将左右眼的内窥镜图像通过立体监视 系统显示在立体监视器上，同时提供医生获得立体视觉图像的实现；内窥镜标定模块负责 立体内窥镜与虚拟立体内窥镜的成像位置对应，以及负责在立体监视器上成像后立体视觉 效果的一致性和同步性；虚拟立体内窥镜成像模块负责生成与立体内窥镜左右眼图像对应 的虚拟内窥镜左右眼图像；虚拟立体内窥镜图像显示模块负责将虚拟立体内窥镜图像显示 在立体监视器上，同时提供医生获得立体视觉的实现； 具体步骤如下： 1、 对立体内窥镜的左右眼摄像机进行标定，分别得到立体内窥镜的左右眼摄像机的内 参矩阵^以及左右眼摄像机坐标系之间的变换矩阵#+ :; 2、 开始将网格图像标定板置于用立体内窥镜视场；计算机读取立体内窥镜左右眼摄像 机所拍摄到的标定板的图像; 3、 改变网格图像标定板在立体内窥镜视场中的位置和姿态；用计算机读取立体内窥镜 左右眼摄像机所拍摄到的标定板的图像If ; 4、 重复步骤3,用计算机获取立体内窥镜左右眼摄像机所拍摄到的标定板的图像序列 If1和对以上； 5、 在标定板上设定坐标系Cjj，并设定标定板网格图形各个交叉点在中的空间坐 标； 6、 用计算机4读取图像序列If I If中标定板网格图形各个交叉点的图像坐标； 7、 根据步骤5所获得的交叉点空间坐标以及步骤6所获得的对应交叉点图像坐标，利 用张正友标定法可以计算出立体内窥镜左右眼摄像机的内部参数矩阵;同时可以 获得与图像^ 对应的外部参数矩阵分？和，即图像/fZ ^ If1对应立体 内窥镜的左右摄像机坐标系与坐标系￡^的变换矩阵为; 8、 由立体内窥镜的左右摄像机坐标系与坐标系的变换矩阵和可以获 得立体内窥镜的右摄像机坐标系与立体内窥镜的左摄像机坐标系之间的变换矩阵为 江。（JrrY1的均值 9、 借助患者身上的特征点和位置传感器，来获取患者坐标系Cjr和三维医学图像坐标 系之间的变换矩阵奸； 10、 将患者放置于手术工作台上，用位置传感器测量选取的特征点在坐标系Cjr中的 坐标if; 11、 用计算机获取步骤10的特征点在三维医学图像中对于坐标系<^T的坐标; 12、 根据两组点集^/^和^&利用最小二乘法^以获得坐标系一与^/之间的变 换 T?.r; 13、 获取位置传感器与立体内窥镜的左摄像机之间的坐标变换关系# ; 14、 在位置传感器的测量空间中固定标定板； 15、 将用于导航的位置传感器固定于立体内窥镜上，处于手术导航时的设置状态，保证 位置传感器与立体内窥镜的左右眼摄像机为刚性连接； 16、 在位置传感器的测量空间内移动立体内窥镜，让立体内窥镜（1)的左眼摄像机拍 摄固定在位置传感器测量空间的标定板，用计算机获取位置传感器和立体内窥镜的左眼摄 像机的位置信息和图像信息序列； 17、 在位置传感器的测量空间内移动立体内窥镜，让立体内窥镜的左眼摄像机拍摄固 定在位置传感器测量空间的标定板，用计算机获取位置传感器位置和姿态信息序列，同时 获取对应位置的立体内窥镜左眼摄像机的图像信息序列； 18、 根据获得的标定板的图像序列，计算立体内窥镜左眼摄像机的位置和姿态信息序 列； 19、 根据获得的立体内窥镜左眼摄像机和位置传感器的位置和姿态信息序列，计算位 置传感器与立体内窥镜的左摄像机之间的坐标变换关系〗r ; 20、 借助位置传感器的输出，获取立体内窥镜的左右摄像机在三维医学图像中的对应 姿态和位置； 21、 用计算机获取位置传感器的位置和姿态信息1^r ; 22、 根据位置传感器和立体内窥镜的左摄像机之间的坐标变换关系江，计算出立体内 窥镜的左右摄像机在Crr的位置和姿态信息; 23、 根据患者坐标系C『和三维医学图像坐标系f7之间的变换矩阵女，计算立体内窥 镜的左右摄像机在三维医学图像中的对应姿态和位置江和江； 24、 生成与立体内窥镜的左右摄像机对应的虚拟立体内窥镜左右眼摄像机图像； 25、 将立体内窥镜的左右摄像机在三维医学图像中的对应姿态和位置#和ir设定为 虚拟立体内窥镜的左右眼摄像机的位置和姿态； 26、 根据虚拟立体内窥镜的左右眼摄像机在三维医学图像中的位置和姿态，利用光线 投射方法，生成虚拟立体内窥镜左右眼摄像机的图像； 27、 显示立体内窥镜的左右眼摄像机所拍摄到的手术区域影像； 28、 用左右眼视频捕捉卡抓取立体内窥镜的左右眼摄像机所拍摄到的手术区域图像； 29、 将左右眼视频捕捉卡所获得立体内窥镜的左右眼摄像机图像提交给的主动立体视 频输出卡； 30、 利用立体视频输出卡将获得的立体内窥镜的左右眼摄像机图像通过分时的方式显 示在立体内窥镜图像监视器上，完成立体内窥镜的左右眼摄像机图像的显示； 31、 显示虚拟立体内窥镜的左右眼摄像机图像，所生成的虚拟立体内窥镜左右眼摄像 机图像提交给的主动立体视频输出卡； 32、 利用立体视频输出卡将获得