近红外光学跟踪系统以其高精度、便捷的特点迅速发展成为手术导航中的重要组成部分。基于双目视觉设计了一套高精度、低成本的光学跟踪系统，该系统使用安装在器械上的被动标记球（NDI Passive Sphere）作为标记，并在双目相机镜头前添加近红外滤光片，以消除环境光的干扰。首先，采用轮廓过滤算法，用于标记轮廓的提取，使用最小二乘椭圆拟合算法获取标记投影中心的像素坐标；其次，设计了器械识别算法，使每个器械可以单独有序储存标记球的中心像素坐标，用于多个器械的分辨；最后，通过左右视图对应标记中心匹配，重建其空间坐标，进而推导出器械尖端在世界坐标系中的坐标。实验使用该系统跟踪器械，利用器械的无规则摆放实验验证了器械识别算法的准确性和鲁棒性，准确率达95%，平均识别时间仅需4 ms。并对系统进行了稳定性、静态定位精度、动态跟踪等测试。结果表明：稳定性误差可达0.13 mm，静态定位精度可达0.373 mm，所提出的近红外光学跟踪系统具有较高的精度和稳定性，可以满足手术导航的要求。
器械识别 手术导航 光学定位 双目视觉 instrument recognition surgical navigation optical positioning binocular vision 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210517
1 首都医科大学生物医学工程学院，北京 100069
2 临床生物力学应用基础研究北京市重点实验室，北京 100069
多视点光学定位系统因其可以减少手术中的定位盲区、获得更大的视野范围，已成为弥补光学定位中光线遮挡弊端的一种有效解决方案。本文提出基于重建精度最优的多视点光学定位算法，以解决光学定位中光线遮挡问题。算法首先通过分析各视点中光学定位标记物数量判断各视点与手术器械的光线遮挡情况；然后根据平行式立体视觉测量精度分析模型，分析平行式多视点的结构及标记物与相机之间的位置关系对三维测量精度的影响；最后选择重建精度最优并且不存在遮挡的视点对手术器械定位。实验结果表明，当存在某视点光线遮挡时，所提算法能实现手术器械的精确定位和实时跟踪。
视觉光学 建模 多视点 光学定位 误差分析 平行式立体视觉 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1133001
1 Faculty of Applied Science, University of British Columbia, Kelowna, BC V1V 1V7, Canada
2 Technical University of Denmark, Anker Engelunds Vej 1 Bygning 101A, 2800 Kgs. Lyngby, Denmark
Frontiers of Optoelectronics
2018, 11(2): 116–127
