阅读说明：本技术 基于Zynq的手术导航定位系统 (Zynq-based surgical navigation positioning system ) 是由 刘大鹏 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于Zynq的手术导航定位系统,涉及手术导航领域,包括图像采集模块、外部通信模块、系统检测模块、信息显示模块和控制模块,图像采集模块与信息显示模块与PL端连接,并受处理系统PS端控制；外部通信模块及系统检测模块通过PS端的通用外设接口,包括以太网、USO-TGO、UART串口等与PS端直接相连,其中PS端和PL端之间通过AXI互联矩阵并根据不同的通信需求利用AXI_HP和AXI_GP接口实现相互通信。该系统采用近红外滤光片能够滤除大部分的可见光,由此抑制可见光对标记点提取的干扰,实现标记点图像采集,极大降低了图像标记点提取的难度,该系统基于Zynq主控芯片,同时具备了硬件编程和软件编程功能,使得有足够多的资源保证标记点坐标的计算速度。(The invention discloses a Zynq-based surgical navigation positioning system, which relates to the field of surgical navigation and comprises an image acquisition module, an external communication module, a system detection module, an information display module and a control module, wherein the image acquisition module and the information display module are connected with a PL (personal digital assistant) end and are controlled by a PS (personal digital assistant) end of a processing system; the external communication module and the system detection module are directly connected with the PS end through a general peripheral interface of the PS end, including an Ethernet, a USO-TGO, a UART serial port and the like, wherein the PS end and the PL end are mutually communicated through an AXI interconnection matrix and AXI _ HP and AXI _ GP interfaces according to different communication requirements. The system adopts the near-infrared filter to filter most visible light, so that the interference of the visible light on the extraction of the mark points is inhibited, the image acquisition of the mark points is realized, and the difficulty of the extraction of the image mark points is greatly reduced.)

基于Zynq的手术导航定位系统

技术领域

本发明涉及手术导航技术领域，具体涉及基于Zynq的手术导航定位系统。

背景技术

在口腔种植技术发展的基础阶段，诊断和方案制定仅以衣服全景图像和

石膏模型为依据，种植操作也全依赖于术者的个人经验完成，一些复杂病例难以获得满意效果。后来随着三维成像技术的发展，出现了种植导板，这项技术提高了种植操作的精度，但它的设计加工制作过程较为复杂且需要一定的周期，增加了患者的就诊时间，而且整个手术过程中重要解剖仍然是不可见的，且体积较大影响操作。

因此为弥补这些缺点，同时进一步提高种植手术的精度和安全性，我们有必要针对现有技术的不足而提供一种基于Zynq的手术导航定位系统。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提出基于Zynq的手术导航定位系统，其能够进一步提高手术精度。

为了实现上述目的，本发明的基于Zynq的手术导航定位系统，包括图像采集模块、外部通信模块、系统检测模块、信息显示模块和控制模块，图像采集模块与信息显示模块与PL端连接，并受处理系统PS端控制；外部通信模块及系统检测模块通过PS端的通用外设接口，包括以太网、 USO-TGO、UART串口等与PS端直接相连，其中PS端和PL端之间通过AXI 互联矩阵并根据不同的通信需求利用AXI_HP和AXI_GP接口实现相互通信。

控制模块包括由主控芯片、SDRAM、Wi-Fi模组电路、LCD电路、彩色相机控制电路以及外部接口电路集成的主控电路板。

图像采集模块包括彩色相机模组、CMOS图像采集芯片、光学镜头、近红外滤光片和红外光源，其中红外光源设计呈圆环状放置在光学镜头前方，红外光源发射的红外光通过反光标记点发射并经近红外滤光片过滤后被彩色相机模组采集，与彩色相机模组连接的CMOS图像采集芯片对图像数据处理。

外部通信模块采用以太网、通用串行总线及Wi-Fi三种通信方式，外部通信模块将图像采集模块标定时需要获取的标定板图像的内部参数计算结果传输给控制模块；

系统检测模块包括碰撞检测传感器，碰撞检测传感器整合陀螺仪和加速度传感器实现对手术器械各种运动实时、精准的跟踪。

信息显示模块包括液晶显示屏，液晶显示屏通过SCL、SDA、INT以及 RESET引脚与电路板的LCD电路连接。

优选的，图像采集模块包括左图像采集模块和右图像采集模块，左图像采集模块和右图像采集模块分别用独立的电路进行实现，并通过FFC排线设计与主控制电路板连接，其中左图像采集模块中的左相机控制电路和右图像采集模块中的右相机控制电路分别连接电路板中的两个SDRAM。

优选的，左图像采集模块和右图像采集模块中的红外光源均通过红外 LED电路连接电路板的外部接口电路。

优选的，Wi-Fi模组通过标准接口外接天线。

优选的，导航定位系统利用DDR存储器为图像缓存提供存储空间，并开辟片内BRAM空间用于系统状态信息及标记点坐标数据的存储。

优选的，导航定位系统采用的标记点定位子位技术通过双目视觉图像中的标记点搜索与坐标计算实现定位功能，彩色相机模组采用近红外滤光片避免环境光的干扰，因此所搜集的图像中只有标记点会形成两点区域，针对某一标记点点亮点区域采用灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标，算法公式如下：

其中q为此亮点区域的中心坐标，n为区域中的像素点个数，qi和vi分别为每个像素点的坐标及灰度值。

优选的，在灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标后还需要去除环境光因素，设环境光阈值为s，则灰度加权公式变为：

本发明具有以下有益效果：

1、该系统采用近红外滤光片能够滤除大部分的可见光，由此抑制可见光对标记点提取的干扰，实现标记点图像采集，极大降低了图像标记点提取的难度，同时采用碰撞检测传感器，整合陀螺仪和加速度传感器解决了手术器械注册等过程中因抖动而引入系统误差的问题。

2、该系统基于Zynq主控芯片，同时具备了硬件编程和软件编程功能，使得有足够多的资源保证标记点坐标的计算速度，兼具光学定位技术实现所需的数据实时处理与复杂功能需求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1是本发明基于Zynq的手术导航定位系统的硬件结构示意图。

图2是图1中基于Zynq的手术导航定位系统的框架结构示意图。

图3是图1中基于Zynq的手术导航定位系统的亚像素坐标提取流程。

具体实施方式

下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

实施例

如图1和图2所示，本发明的基于Zynq的手术导航定位系统，包括图像采集模块、外部通信模块、系统检测模块、信息显示模块和控制模块，图像采集模块与信息显示模块与PL端连接，并受处理系统PS端控制；外部通信模块及系统检测模块通过PS端的通用外设接口，包括以太网、 USO-TGO、UART串口等与PS端直接相连，其中PS端和PL端之间通过AXI 互联矩阵并根据不同的通信需求利用AXI_HP和AXI_GP接口实现相互通信。 PL是等价于一片FPGA的可编程逻辑，PS是个是由双核ARM CortexA9构成的处理系统，PL部分用来实现高速逻辑、算术和数据流子系统，而PS 支持软件程序或操作系统，具有固定的架构，承载了处理器和系统存储区， PL和PS之间的链接采用了工业标准的高级可扩展接口连接方式，这两部分可以单独使用，也可以合起来用。

控制模块包括由主控芯片、SDRAM、Wi-Fi模组电路、LCD电路、彩色相机控制电路以及外部接口电路集成的主控电路板，其中主控芯片采用 Xi l inx公司的可编程Soc芯片ZYNQ XC7Z035-2FFG676I，其集成了ARM Cortex-A9双核CPU，275K可编程逻辑单元，同时具备了硬件编程和软件编程功能，使得有足够多的资源保证标记点坐标的计算速度，兼具光学定位技术实现所需的数据实时处理与复杂功能需求，SDRAM在响应主控芯片控制输入钱会等待一个时钟信号，保证与主控芯片的系统总线同步，Wi-Fi 模组电路用于控制Wi-Fi通信，LCD电路用来控制液晶显示屏，彩色相机控制电路用于控制彩色相机模组，外部接口电路可以连接12V的外部电源，也可以连接USB或以太网接口。

图像采集模块包括彩色相机模组、CMOS图像采集芯片、光学镜头、近红外滤光片和红外光源，其中红外光源设计呈圆环状放置在光学镜头前方，红外光源发射的红外光通过反光标记点发射并经近红外滤光片过滤后被彩色相机模组采集，与彩色相机模组连接的CMOS图像采集芯片对图像数据处理。

外部通信模块采用以太网、通用串行总线及Wi-Fi三种通信方式，外部通信模块将图像采集模块标定时需要获取的标定板图像的内部参数计算结果传输给控制模块，且系统搭建时需要参考相机实际成像效果调节的焦距等参数进行图像数据传输。

系统检测模块包括碰撞检测传感器，碰撞检测传感器整合陀螺仪和加速度传感器实现对手术器械各种运动实时、精准的跟踪，本实施例中碰撞检测传感器采用集成的6轴运动处理组件MPU-6050，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。

信息显示模块包括液晶显示屏，液晶显示屏通过SCL、SDA、INT以及 RESET引脚与电路板的LCD电路连接，且实际使用中需要不同信息显示界面的切换及系统控制等操作，信息显示模块还需要具备触摸控制功能。

作为本发明的一种技术优化方案，图像采集模块包括左图像采集模块和右图像采集模块，左图像采集模块和右图像采集模块分别用独立的电路进行实现，并通过FFC排线设计与主控制电路板连接，其中左图像采集模块中的左相机控制电路和右图像采集模块中的右相机控制电路分别连接电路板中的两个SDRAM。

通过采用上述技术方案，主控电路板可以通过两个SDRAM分别给左相机控制电路和右相机控制电路输出控制信号，并且FFC排线设计能够满足手术导航空间需求的有限视场范围。

作为本发明的一种技术优化方案，左图像采集模块和右图像采集模块中的红外光源均通过红外LED电路连接电路板的外部接口电路。

通过采用上述技术方案，从而主控电路板可以通过红外LED电路控制红外光源的工作状态。

作为本发明的一种技术优化方案，Wi-Fi模组通过标准接口外接天线。

通过采用上述技术方案，从而可以有效增强Wi-Fi信号。

作为本发明的一种技术优化方案，导航定位系统利用DDR存储器为图像缓存提供存储空间，并开辟片内BRAM空间用于系统状态信息及标记点坐标数据的存储。

作为本发明的一种技术优化方案，导航定位系统采用的标记点定位子位技术通过双目视觉图像中的标记点搜索与坐标计算实现定位功能，彩色相机模组采用近红外滤光片避免环境光的干扰，针对某一标记点点亮点区域采用灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标，算法公式如下：

所搜集的图像中只有标记点会形成两点区域，针对某一标记点点亮点区域采用灰度加权平均算法精准计算标记点的亚像素坐标，该方法的工作流程如图3所示，其可以在不缓存图像的条件下依据PCLK串行实时甲酸亚像素坐标，不需要再花费额外的时间进行处理。

假设手术器械上安装n个标记点，则再左右相机拍摄的图像中有相应的n个光点区域。设在第j(j＝1,2....n)个光点区域有m个像素点的灰度值大于指定阈值s，其中第i i(i＝1,2...m)个像素点的左边表示为 q_i＝[q_ix,q_iy]^T,并且该像素点的灰度值表示为v_i。则该光点的亚像素坐标q_j可以由下式得到。

这种通过灰度加权来计算坐标的方法，需要确保其像素的灰度值不达到灰度的最大可取值(如灰度的数据位数为8时，其值不能达到255)，否则就失去了加权的意义。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。