專利名稱：手術刀跟蹤方法與裝置及數字立體顯微鏡系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及手術導航技術領域，特別是涉及一種手術刀跟蹤方法與裝置及數字立體顯微鏡系統。
背景技術：
數字顯微鏡，將CXD或者CMOS等成像元器件內置到顯微鏡內部，再通過USB、1394接口或視頻接口將圖像導入到PC內或顯示在監視器上。采用高分辨率的成像元器件，可以獲得更高的放大倍數，從而擺脫了光學目鏡對觀察者的束縛。
在眾多的手術器械當中，手術刀是應用最為廣泛的一種，它是外科手術操作過程中，在組織或器官上造成切口的唯一工具。如果采用數字顯微鏡對手術刀進行跟蹤，獲取手術刀在當前手術區域的各種位置和深度信息，提供有價值的數據，有利于醫生對手術的遠程遙控。由于普通的數字顯微鏡所拍攝的圖像是平面的，對圖像進行分析所提取的手術刀的位置和深度信息與實際位置和深度仍有差距，而差距將增加手術風險，不利于提高手術操作的質量。

發明內容
基于上述情況，本發明提出了一種手術刀跟蹤方法與裝置及數字立體顯微鏡系統，以提聞手術刀跟蹤的精確度。一種手術刀跟蹤方法，包括步驟采用數字立體顯微鏡系統獲取手術區域的左右雙目視頻圖像；在其中一目視頻圖像中，以預定大小的宏塊為單位，采用幀差法確定圖像中的運動區域，根據手術刀與機體組織的色彩差，從所述運動區域中定位出手術刀區域；在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域，將該區域作為所述另一目視頻圖像的手術刀區域，所述其中一目為左右雙目中的任意一目。一種手術刀跟蹤裝置，包括視頻圖像獲取模塊，用于采用數字立體顯微鏡系統獲取手術區域的左右雙目視頻圖像；手術刀區域單目定位模塊，用于在其中一目視頻圖像中，以預定大小的宏塊為單位，采用幀差法確定圖像中的運動區域，根據手術刀與機體組織的色彩差，從所述運動區域中定位出手術刀區域；手術刀區域對應搜索模塊，用于在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域，將該區域作為所述另一目視頻圖像的手術刀區域，
所述其中一目為左右雙目中的任意一目。本發明手術刀跟蹤方法與裝置及數字立體顯微鏡系統，由于采用了前述基于宏塊的幀差法，解決了區域檢測容易受背景干擾的問題，提高了手術刀定位的準確度，又由于采用了基于色彩差異的對比分析法，并利用左右目圖像對應關系，參考其中一目手術刀區域確定另一目手術刀區域，能夠快速準確地對手術刀進行定位，提高了跟蹤效率。從所定位出的左右兩目視頻圖像中的手術刀區域中提取的位置和深度信息更為精確，經過后續疊加處理，得到三維顯示效果，為醫生提供具有立體感的手術環境。


圖1為為本發明手術刀跟蹤方法的流程示意圖；
圖2為采用本發明手術刀跟蹤方法定位出的左右雙目視頻圖像中手術刀區域的示意圖；圖3為本發明手術刀跟蹤裝置的結構示意圖。
具體實施例方式數字立體顯微系統，具有兩個并排的成像元器件，在不同的視角實時采集被觀察物體，對得到的雙目圖像經過處理后，可以形成立體視覺。在很多專業領域，如手術操作過程、對空間探索機器人的遠程操控等領域，需要為操作者提供實時的帶有立體感的視覺感受，通過立體顯示技術，被觀察的物體的第三維信息得以被探知，從而實現精確控制工作過程、減少誤判斷的目的，數字立體顯微顯示系統既可以滿足這種需求。本發明借助上述數字立體顯微鏡系統實現對手術刀的跟蹤，下面結合附圖與實施例詳細解釋本發明。本發明手術刀跟蹤方法，如圖1所示，包括步驟步驟S101、采用數字立體顯微鏡系統獲取手術區域的左右雙目視頻圖像；步驟S102、在其中一目視頻圖像中，以預定大小的宏塊為單位，采用幀差法確定圖像中的運動區域，根據手術刀與機體組織的色彩差，從所述運動區域中定位出手術刀區域；步驟S103、在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域，將該區域作為所述另一目視頻圖像的手術刀區域。所述其中一目為左右雙目中的任意一目。如上述步驟所述，本方法利用數字立體顯微鏡系統的雙目攝像頭來獲取手術現場的視頻，視頻分為左目視頻和右目視頻，對兩類視頻中的每幀圖像進行分析，分別定位出左右兩目視頻圖像中的手術刀區域，實現手術刀跟蹤。本方法先確定出左右雙目中任意一目視頻圖像的手術刀區域，再據此找出另一目視頻的手術刀區域，省去了重復檢測的過程，節省了跟蹤定位的時間。在尋找其中一目視頻圖像的手術刀區域時，如步驟S102所述，先在圖像中檢測運動區域，再對運動區域進一步分析，從中摳取手術刀區域。在檢測運動區域時可以采用幀差法，幀差法是一種簡單的背景減除算法，其對前后幀圖像對應像素點相減，由于是以像素點為單位的，本算法對運動特別敏感，很細微的運動都能被檢測出來，在進行定位跟蹤時，檢測結果容易受背景的干擾。為此，本方法對傳統的幀差法作了改進，將圖像劃分為若干宏塊，即鄰近的像素點構成一個宏塊，該宏塊取代像素點成為每幀圖像的基本單元。以宏塊為單位進行幀差檢測，減輕了對運動的敏感度，消除了背景的干擾，有利于提高手術刀定位的準確度。宏塊的確定方法是在原巾貞中選取大小為size*size的正方形,將該正方形中所有像素點的色彩均值作為該宏塊的色彩值，該正方形的中心點表征宏塊的位置。size的大小可以任意選取，但size過大將降低定位的精確度，過小則難以解決背景的干擾，且降低了定位的速度，因此，可以根據具體情況選擇合適的大小。在實際手術過程中，手術刀對應的前景與機體組織對應的背景的色彩差異較大，因此可以對初步確定的運動區域中每個像素點的色彩值進行統計，找出色彩值劇烈變化的邊界，再根據已知的手術刀的色彩值的范圍，將手術刀區域從運動區域中摳取出來。由于前 景與背景的色彩對比強烈，因此這種方法準確而高效。數字立體顯微顯示系統中，用于雙目采集的雙目攝像頭是經過幾何校正的，左右視場內的圖像是沒有垂直視差的。如果已知左目中手術刀的未知區域，即可通過在水平方向上進行一維搜索的方式找出右目中同樣的手術刀區域，而不用再對右目進行幀差分析和色彩統計來獲取相應的手術刀區域。例如先確定了左目視頻圖像的手術刀區域，以該手術刀區域作為參考，得出其區域的大小和位置信息，大小包括該區域的長度和寬度，位置信息可以用區域中心點的坐標來表示。在同時被采集的右目視頻圖像中，與左目手術刀區域中心點在同一縱坐標的像素行上尋找對應的手術刀區域中心。具體做法是，從最左邊像素點開始，以該像素點為中心，建立與左目手術刀區域大小相同的區域，計算兩個區域的相似度。相似度用兩個區域對應像素點的色彩差異之和來表示，色彩差異即是對應像素點的RGB三通道分量的差值。這個和越大，表示兩個區域色彩差異越大，反之表示兩個區域越相近。根據個原則，找出與左目手術刀區域相似度最高或者說色彩值差異最小的區域，將該區域作為右目視頻圖像的手術刀區域。如圖2所示，為立體顯微顯示系統中，雙目跟蹤手術刀的畫面，畫面由左目視頻圖像和右目視頻圖像組成。圖中的兩個方框即為左右目實時跟蹤到的手術刀區域。本發明手術刀跟蹤裝置與上述手術刀跟蹤方法相對應，如圖3所示，包括視頻圖像獲取模塊，用于采用數字立體顯微鏡系統獲取手術區域的左右雙目視頻圖像；手術刀區域單目定位模塊，用于在其中一目視頻圖像中，以預定大小的宏塊為單位，采用幀差法確定圖像中的運動區域，根據手術刀與機體組織的色彩差，從所述運動區域中定位出手術刀區域；手術刀區域對應搜索模塊，用于在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域，將該區域作為所述另一目視頻圖像的手術刀區域，所述其中一目為左右雙目中的任意一目。作為一個優選地實施例，所述手術刀區域對應搜索模塊用于在所述其中一目視頻圖像中，確定手術刀區域中心點的水平位置，在所述另一目視頻圖像中同一水平方向上搜索手術刀區域，所搜索的手術刀區域的中心點在所述水平方向上，區域大小與所述其中一目視頻圖像的手術刀區域大小一致，區域中像素點的色彩值與所述其中一目視頻圖像的手術刀區域中對應像素點的色彩值差異最小。作為一個優選地實施例，所述手術刀區域對應搜索模塊用于采用RGB三通道分量的差值表征像素點與像素點的色彩值差異。作為一個優選地實施例，所述預定大小的宏塊的大小與本裝置的跟蹤精確度和跟蹤效率相適應。本發明數字立體顯微鏡系統，包括手術刀跟蹤裝置，所述手術刀跟蹤裝置與上述的手術刀跟蹤裝置具有同樣的技術特征，在此不予贅述。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種手術刀跟蹤方法，其特征在于，包括步驟采用數字立體顯微鏡系統獲取手術區域的左右雙目視頻圖像；在其中一目視頻圖像中，以預定大小的宏塊為單位，采用幀差法確定圖像中的運動區域，根據手術刀與機體組織的色彩差，從所述運動區域中定位出手術刀區域；在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域，將該區域作為所述另一目視頻圖像的手術刀區域，所述其中一目為左右雙目中的任意一目。
2.根據權利要求1所述的手術刀跟蹤方法，其特征在于，所述步驟在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域具體包括在所述其中一目視頻圖像中，確定手術刀區域中心點的水平位置，在所述另一目視頻圖像中同一水平方向上搜索手術刀區域，所搜索的手術刀區域的中心點在所述水平方向上，區域大小與所述其中一目視頻圖像的手術刀區域大小一致，區域中像素點的色彩值與所述其中一目視頻圖像的手術刀區域中對應像素點的色彩值差異最小。
3.根據權利要求2所述的手術刀跟蹤方法，其特征在于，采用RGB三通道分量的差值表征像素點與像素點的色彩值差異。
4.根據權利要求1或2或3所述的手術刀跟蹤方法，其特征在于，所述預定大小的宏塊的大小與本方法的跟蹤精確度和跟蹤效率相適應。
5.一種手術刀跟蹤裝置，其特征在于，包括視頻圖像獲取模塊，用于采用數字立體顯微鏡系統獲取手術區域的左右雙目視頻圖手術刀區域單目定位模塊，用于在其中一目視頻圖像中，以預定大小的宏塊為單位，采用幀差法確定圖像中的運動區域，根據手術刀與機體組織的色彩差，從所述運動區域中定位出手術刀區域；手術刀區域對應搜索模塊，用于在另一目視頻圖像中，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，尋找色彩值與所述其中一目視頻圖像的所述手術刀區域的色彩值差異最小的區域，將該區域作為所述另一目視頻圖像的手術刀區域，所述其中一目為左右雙目中的任意一目。
6.根據權利要求5所述的手術刀跟蹤裝置，其特征在于，所述手術刀區域對應搜索模塊用于在所述其中一目視頻圖像中，確定手術刀區域中心點的水平位置，在所述另一目視頻圖像中同一水平方向上搜索手術刀區域，所搜索的手術刀區域的中心點在所述水平方向上，區域大小與所述其中一目視頻圖像的手術刀區域大小一致，區域中像素點的色彩值與所述其中一目視頻圖像的手術刀區域中對應像素點的色彩值差異最小。
7.根據權利要求6所述的手術刀跟蹤裝置，其特征在于，所述手術刀區域對應搜索模塊用于采用RGB三通道分量的差值表征像素點與像素點的色彩值差異。
8.根據權利要求5或6或7所述的手術刀跟蹤裝置，其特征在于，所述預定大小的宏塊的大小與本裝置的跟蹤精確度和跟蹤效率相適應。
9.一種數字立體顯微鏡系統，其特征在于，包括手術刀跟蹤裝置，所述手術刀跟蹤裝置為 5-8項任意一項所述的手術刀跟蹤裝置。
全文摘要
本發明公開了一種手術刀跟蹤方法與裝置及數字立體顯微鏡系統，采用數字立體顯微鏡系統獲取雙目視頻圖像，先對其中一目視頻圖像進行分析，利用基于宏塊的幀差法及基于色彩差異的對比分析法來確定手術刀區域，再以該手術刀區域為參照，按照左右目視頻圖像的位置對應關系，確定另一目視頻圖像的手術刀區域。由于采用了基于宏塊的幀差法，解決了區域檢測容易受背景干擾的問題，又由于采用了基于色彩差異的對比分析法，并利用其中一目的手術刀區域確定另一目的手術刀區域，能夠快速準確地對手術刀進行定位。從所得的左右兩目視頻圖像的手術刀區域中提取的位置和深度信息更為精確，經過后續疊加處理，獲得三維顯示效果，為醫生提供立體手術環境。
文檔編號A61B19/00GK103006332SQ20121057961
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者邵航, 吳勉, 葉斌, 朱春興 申請人:廣東圣洋信息科技實業有限公司