一种有源红外空间跟踪系统中光源的设计和制作
作者：周猛 李修往 魏民
单位：第一军医大学医学图像全军重点实验室 广州 510515
关键词：颅脑手术可视化；立体定位；有源红外技术
北京生物医学工程000409 摘 要 有源红外空间跟踪系统中的光源，应用于跟踪系统从定标到跟踪的全过程，红外光源的形状、强度等参数的设计对于有源红外跟踪系统的精度有很大影响，本文根据在颅脑手术可视化有源红外跟踪系统开发中的经验，介绍一种高精度红外光源的设计和制作方法，并给出实际应用的效果。
A Design of a Light Source in an Active Infrared Ray Tracking System
Zhou Meng，Li Xiuwang，Wei Min
, http://www.100md.com
(Key Laboratory of Medical Imaging,The First Military Medical University,Guangzhou 510515)
Abstract Light source of active infrared ray space tracking system is used during all the process,starting from calibration to tracking.The parameters of light source design such as shape and intensity,effect the system accuracy greatly.In this paper,a design for a kind of high precision light source is introduced,based on experience during development of a visualized active infrared ray tracking system for brain surgery,and the result of practical application is given as well.
, 百拇医药
Key words:Brain surgery, Visualization, Three dimensional location, Infrared ray technology
0 引 言
空间跟踪系统是颅脑手术可视化系统的重要组成部分，它在手术场空间建立一套基准空间坐标系，用于对空间点的位置进行度量。借助于模拟手术刀等跟踪工具，它可以跟踪该空间中每一点的三维坐标。由于该系统可以跟踪模拟手术刀等跟踪工具的精确位置和方向，因此颅脑手术可视化系统可以将手术工具所指位置周围的颅脑结构按一定的要求显示出来，以便引导手术的进行。但手术场空间是非常特殊的一种环境，对空间跟踪系统的精度、抗干扰性、灵活性以及使用的方便性等都有很高的要求。模拟手术刀是和空间跟踪系统配套使用的，因此它的设计也随空间跟踪系统的不同而不同。如何扩大它的可跟踪范围、减少遮挡以及提高精度是模拟手术刀设计中首先应考虑的问题。
, http://www.100md.com 根据跟踪系统的不同，在实际应用过程中，所采取的跟踪技术也不同，有多种方案可以选择。目前采用的技术有：机械手跟踪定位法、超声波跟踪定位法、电磁跟踪定位法和光学跟踪定位法。其中光学跟踪法[1～4]是最精确的跟踪方法。用几个摄像机来观察目标的自然表面，然后重建目标的位置和表面形状，根据图像坐标和自然坐标的关系来对目标进行空间位置跟踪。光学跟踪法又分为无源光学跟踪法和有源光学跟踪法。无源光学跟踪系统中的被观察目标本身不发射光线，由于周围光线和其它表面光滑的物体可在摄像机视野中产生伪影，将降低处理速度和最后结果的精度。为了克服无源系统的不足，可以采用有源目标系统。典型的方法是在目标物体上安装一组小的红外发光二极管。红外发光二极管的发光强度较强，成像清晰，目标与背景有很大的反差，大大增加了目标的可识别性。由于红外目标光源应用于跟踪系统从定标到跟踪的全过程，因此红外光源的形状、强度等参数的设计对于有源红外跟踪系统的精度有很大影响，本文根据在颅脑手术可视化有源红外跟踪系统开发中的经验介绍一种高精度红外光源的设计和制作方法。
, 百拇医药 1 红外光源的设计和制作
红外光源在颅脑手术可视化有源红外跟踪系统中的应用表现在两个方面：其一，应用于定标架中定标点的制作，目的是校正摄像机的姿态参数，确定手术场空间的坐标系；其二，应用于模拟手术刀，用于手术中的空间位置示踪。从红外光源的应用来看，它对于系统的跟踪精度有着巨大的影响。
1.1 红外发光体的选择
在空间跟踪系统中，系统所处环境的光线影响是一个比较突出的问题。颅脑手术可视化系统应用于颅脑手术当中，因此要考虑手术环境中各种环境光对系统跟踪、定位的影响。特别是手术中使用的无影灯光线较强，对系统的影响最大。本文为克服环境光的影响选取红外发光体作为光源，明显地增加了系统的跟踪范围。
红外发光体选择GaAs红外发光二极管，其工作电压为3V，工作电流为10μA，光线峰值波长940nm，光束角度为34°。
, 百拇医药
图1 摄像机光谱特性曲线
图2 GaAs红外发光二极管的光谱特性曲线
图3 红外窄带滤光片的光谱特性曲线
1.2 摄像机镜头处理
本课题的跟踪系统选用的摄像机是黑白CCD摄像机，加装精工AVENIER SE1614 16毫米镜头，该摄像机是低照度摄像机，在近红外区有一定的响应，光谱特性如图1所示。
而太阳光谱作为连续光谱，在近红外区有很强的响应。作为定位标记点的GaAs发光二极管的光谱，如图2所示，为窄带光谱[5]，其光谱能量集中在中心波长为940nm、带宽为20～30nm的范围内，落在摄像机的不敏感区。在不加滤光片的情况下，虽然发光二极管的发光强度较强，但覆盖了摄像机整个感应区的太阳光谱也会将它淹没，因此需要在摄像机的镜头上加装滤光片。单纯加装红外滤光片，太阳的近红外光仍然会明显影响摄像机对发光二极管的成像，对跟踪系统的实时性产生不利影响。为此，本文采用中心波长为940nm±5nm、带宽为20nm的窄带滤光片，光谱如图3所示，滤除发光二极管光谱之外的所有的背景光，极大地改善了红外发光二极管的成像质量，简化了图像的处理过程。
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1.3 红外光源的处理
红外发光二极管作为定标架上的定位标记点，或作为模拟手术刀上的球形跟踪标记点，均要求发光体产生的光源具有规则的几何形状，其中球形是最理想的光源几何形状，由于球形在任意方向的投影均为圆，而透视投影的圆心即为球心。但通常的发光二极管形成的光源为锥形的，如前所述的GaAs发光二极管的光束角度为34°，如不作任何处理的话，将不能保证光源在任意方向投影到摄像机上的几何形状均为圆形。这将会影响到系统的跟踪精度。为此进行了如下处理；在红外发光二极管的外面加装具有特殊光学性能的球形有机玻璃球罩，该球形有机玻璃罩具有将锥形光源转换成所要求的球形光源的作用。
经过这些处理后，就可保证定标点为圆球形，经过透视投影变换后，透视投影的中心即为球心的投影；由于采用圆球形标记点，又可以保证在较大的范围内都可以得到圆球的正确的投影。
1.4 实际应用效果
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以上方法设计的有源红外发光体已经应用于颅脑手术可视化的立体定标架和模拟手术刀的设计和制作中，并达到了预期的效果。图4和图5给出了定标架和模拟手术刀上的定标点投影到不同角度的两个摄像机上的成像情况，从图中可以看出投影结果是几何形状规则的圆形。
图4 定标架上定标点的投影结果
图5 模拟手术刀上示踪点的投影结果
2 结 论
作为有源红外跟踪系统中的一个重要组成部分，红外光源对系统的定位、跟踪精度具有巨大的影响，本文从系统对光源的特殊要求出发并考虑到环境的影响，提出了一种高精度的光源制作方法，并对相应的摄像机镜头的处理也作了详细介绍。该方法设计的红外发光体，已成功应用于本颅脑手术可视化的立体跟踪定位系统中，并具有1mm以内的跟踪精度。
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作者简介：周猛(1957- )，男，副教授。
参考文献
[1] Tebo SA,Leopold DA,Long DM, et al.An optical 3D digitilzer for frameless stereotactic surgery.IEEE Computer Graph App,1996,55～64
[2] Smith KR,Frank KJ,Bucholz RD.The neurostationTM-a highly accuracy minimally invasive solution to frameless stereotactic neurosurgery.Computer Med Imag Graph,1994,18(4):247～256
[3] Adams L,Knepper A,et al.An optical navigator for brain surgery.IEEE Computer,1996,48～54
[4] 费保蔚.计算机辅助外科手术(CAS)及其立体定位方法.国外医学生物医学工程分册，1997，20(4)：199～204
[5] 林家明 译.红外发光二极管(LED)工作原理与特性.光学技术，1994，4：12～14
(1999-05-31收稿，2000-01-20修回), http://www.100md.com
单位：第一军医大学医学图像全军重点实验室 广州 510515
关键词：颅脑手术可视化；立体定位；有源红外技术
北京生物医学工程000409 摘 要 有源红外空间跟踪系统中的光源，应用于跟踪系统从定标到跟踪的全过程，红外光源的形状、强度等参数的设计对于有源红外跟踪系统的精度有很大影响，本文根据在颅脑手术可视化有源红外跟踪系统开发中的经验，介绍一种高精度红外光源的设计和制作方法，并给出实际应用的效果。
A Design of a Light Source in an Active Infrared Ray Tracking System
Zhou Meng，Li Xiuwang，Wei Min
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(Key Laboratory of Medical Imaging,The First Military Medical University,Guangzhou 510515)
Abstract Light source of active infrared ray space tracking system is used during all the process,starting from calibration to tracking.The parameters of light source design such as shape and intensity,effect the system accuracy greatly.In this paper,a design for a kind of high precision light source is introduced,based on experience during development of a visualized active infrared ray tracking system for brain surgery,and the result of practical application is given as well.
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Key words:Brain surgery, Visualization, Three dimensional location, Infrared ray technology
0 引 言
空间跟踪系统是颅脑手术可视化系统的重要组成部分，它在手术场空间建立一套基准空间坐标系，用于对空间点的位置进行度量。借助于模拟手术刀等跟踪工具，它可以跟踪该空间中每一点的三维坐标。由于该系统可以跟踪模拟手术刀等跟踪工具的精确位置和方向，因此颅脑手术可视化系统可以将手术工具所指位置周围的颅脑结构按一定的要求显示出来，以便引导手术的进行。但手术场空间是非常特殊的一种环境，对空间跟踪系统的精度、抗干扰性、灵活性以及使用的方便性等都有很高的要求。模拟手术刀是和空间跟踪系统配套使用的，因此它的设计也随空间跟踪系统的不同而不同。如何扩大它的可跟踪范围、减少遮挡以及提高精度是模拟手术刀设计中首先应考虑的问题。
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, 百拇医药 1 红外光源的设计和制作
红外光源在颅脑手术可视化有源红外跟踪系统中的应用表现在两个方面：其一，应用于定标架中定标点的制作，目的是校正摄像机的姿态参数，确定手术场空间的坐标系；其二，应用于模拟手术刀，用于手术中的空间位置示踪。从红外光源的应用来看，它对于系统的跟踪精度有着巨大的影响。
1.1 红外发光体的选择
在空间跟踪系统中，系统所处环境的光线影响是一个比较突出的问题。颅脑手术可视化系统应用于颅脑手术当中，因此要考虑手术环境中各种环境光对系统跟踪、定位的影响。特别是手术中使用的无影灯光线较强，对系统的影响最大。本文为克服环境光的影响选取红外发光体作为光源，明显地增加了系统的跟踪范围。
红外发光体选择GaAs红外发光二极管，其工作电压为3V，工作电流为10μA，光线峰值波长940nm，光束角度为34°。
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图1 摄像机光谱特性曲线
图2 GaAs红外发光二极管的光谱特性曲线
图3 红外窄带滤光片的光谱特性曲线
1.2 摄像机镜头处理
本课题的跟踪系统选用的摄像机是黑白CCD摄像机，加装精工AVENIER SE1614 16毫米镜头，该摄像机是低照度摄像机，在近红外区有一定的响应，光谱特性如图1所示。
而太阳光谱作为连续光谱，在近红外区有很强的响应。作为定位标记点的GaAs发光二极管的光谱，如图2所示，为窄带光谱[5]，其光谱能量集中在中心波长为940nm、带宽为20～30nm的范围内，落在摄像机的不敏感区。在不加滤光片的情况下，虽然发光二极管的发光强度较强，但覆盖了摄像机整个感应区的太阳光谱也会将它淹没，因此需要在摄像机的镜头上加装滤光片。单纯加装红外滤光片，太阳的近红外光仍然会明显影响摄像机对发光二极管的成像，对跟踪系统的实时性产生不利影响。为此，本文采用中心波长为940nm±5nm、带宽为20nm的窄带滤光片，光谱如图3所示，滤除发光二极管光谱之外的所有的背景光，极大地改善了红外发光二极管的成像质量，简化了图像的处理过程。
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1.3 红外光源的处理
红外发光二极管作为定标架上的定位标记点，或作为模拟手术刀上的球形跟踪标记点，均要求发光体产生的光源具有规则的几何形状，其中球形是最理想的光源几何形状，由于球形在任意方向的投影均为圆，而透视投影的圆心即为球心。但通常的发光二极管形成的光源为锥形的，如前所述的GaAs发光二极管的光束角度为34°，如不作任何处理的话，将不能保证光源在任意方向投影到摄像机上的几何形状均为圆形。这将会影响到系统的跟踪精度。为此进行了如下处理；在红外发光二极管的外面加装具有特殊光学性能的球形有机玻璃球罩，该球形有机玻璃罩具有将锥形光源转换成所要求的球形光源的作用。
经过这些处理后，就可保证定标点为圆球形，经过透视投影变换后，透视投影的中心即为球心的投影；由于采用圆球形标记点，又可以保证在较大的范围内都可以得到圆球的正确的投影。
1.4 实际应用效果
, http://www.100md.com
以上方法设计的有源红外发光体已经应用于颅脑手术可视化的立体定标架和模拟手术刀的设计和制作中，并达到了预期的效果。图4和图5给出了定标架和模拟手术刀上的定标点投影到不同角度的两个摄像机上的成像情况，从图中可以看出投影结果是几何形状规则的圆形。
图4 定标架上定标点的投影结果
图5 模拟手术刀上示踪点的投影结果
2 结 论
作为有源红外跟踪系统中的一个重要组成部分，红外光源对系统的定位、跟踪精度具有巨大的影响，本文从系统对光源的特殊要求出发并考虑到环境的影响，提出了一种高精度的光源制作方法，并对相应的摄像机镜头的处理也作了详细介绍。该方法设计的红外发光体，已成功应用于本颅脑手术可视化的立体跟踪定位系统中，并具有1mm以内的跟踪精度。
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作者简介：周猛(1957- )，男，副教授。
参考文献
[1] Tebo SA,Leopold DA,Long DM, et al.An optical 3D digitilzer for frameless stereotactic surgery.IEEE Computer Graph App,1996,55～64
[2] Smith KR,Frank KJ,Bucholz RD.The neurostationTM-a highly accuracy minimally invasive solution to frameless stereotactic neurosurgery.Computer Med Imag Graph,1994,18(4):247～256
[3] Adams L,Knepper A,et al.An optical navigator for brain surgery.IEEE Computer,1996,48～54
[4] 费保蔚.计算机辅助外科手术(CAS)及其立体定位方法.国外医学生物医学工程分册，1997，20(4)：199～204
[5] 林家明 译.红外发光二极管(LED)工作原理与特性.光学技术，1994，4：12～14
(1999-05-31收稿，2000-01-20修回), http://www.100md.com