<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xml:lang="en" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">72031</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2025.072031</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A Computational Modeling Approach for Joint Calibration of Low-Deviation Surgical Instruments</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">A Computational Modeling Approach for Joint Calibration of Low-Deviation Surgical Instruments</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">A Computational Modeling Approach for Joint Calibration of Low-Deviation Surgical Instruments</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Yang</surname><given-names>Bo</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Zhou</surname><given-names>Yu</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Tian</surname><given-names>Jiawei</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-4">4</xref><email>tianjiawei@hanyang.ac.kr</email></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Zhang</surname><given-names>Xiang</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-5" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Guo</surname><given-names>Fupei</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-6" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Liu</surname><given-names>Shan</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-5">5</xref><email>liusha@marshall.edu</email></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>School of Artificial Intelligence, Guangzhou Huashang College</institution>, <addr-line>Guangzhou, 511300</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>School of Automation, University of Electronic Science and Technology of China</institution>, <addr-line>Chengdu, 610054</addr-line>, <country>China</country></aff>
<aff id="aff-3"><label>3</label><institution>Research Institute of AI Convergence, Hanyang University ERICA</institution>, <addr-line>Ansan-si, 15577</addr-line>, <country>Republic of Korea</country></aff>
<aff id="aff-4"><label>4</label><institution>Department of Computer Science and Engineering, Hanyang University</institution>, <addr-line>Ansan-si, 15577</addr-line>, <country>Republic of Korea</country></aff>
<aff id="aff-5"><label>5</label><institution>Department of Biomedical and Electrical Engineering, Marshall University</institution>, <addr-line>Huntington, WV 25755</addr-line>, <country>USA</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Authors: Jiawei Tian. Email: <email>tianjiawei@hanyang.ac.kr</email>; Shan Liu. Email: <email>liusha@marshall.edu</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic">
<day>26</day><month>11</month><year>2025</year>
</pub-date>
<volume>145</volume>
<issue>2</issue>
<fpage>2253</fpage>
<lpage>2276</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>18</day>
<month>08</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>23</day>
<month>10</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2025 The Authors.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Published by Tech Science Press.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_72031.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>Accurate calibration of surgical instruments and ultrasound probes is essential for achieving high precision in image guided minimally invasive procedures. However, existing methods typically treat the calibration of the needle tip and the ultrasound probe as two independent processes, lacking an integrated calibration mechanism, which often leads to cumulative errors and reduced spatial consistency. To address this challenge, we propose a joint calibration model that unifies the calibration of the surgical needle tip and the ultrasound probe within a single coordinate system. The method formulates the calibration process through a series of mathematical models and coordinate transformation models and employs a gradient descent based optimization to refine the parameters of these models. By establishing and iteratively optimizing a template coordinate system through modeling of constrained spherical motion, the proposed joint calibration model achieves submillimeter accuracy in needle tip localization. Building upon this, an N line based calibration model is developed to determine the spatial relationship between the probe and the ultrasound image plane, resulting in an average pixel deviation of only 1.2373 mm. Experimental results confirm that this unified modeling approach effectively overcomes the limitations of separate calibration schemes, significantly enhancing both precision and robustness, and providing a reliable computational model for surgical navigation systems that require high spatial accuracy without relying on ionizing radiation.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Surgical navigation system</kwd>
<kwd>joint calibration model</kwd>
<kwd>ultrasound probe calibration</kwd>
<kwd>needle tip localization</kwd>
<kwd>N-line calibration</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="awg1">
<funding-source>Sichuan Science and Technology Program</funding-source>
<award-id>2023YFSY0026</award-id>
<award-id>2023YFH0004</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>With the advancement of society, increasing attention to individual health has been accompanied by growing investments in healthcare technologies [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-2">2</xref>]. Engineering and technical professionals increasingly offer technical support to physicians based on specific clinical needs. The close cooperation between technology experts and medical professionals has significantly accelerated the development of medical technology, leading to the emergence of numerous innovative techniques. Among these innovations, image-guided surgical techniques [<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>], a cutting-edge minimally invasive treatment, have become widely adopted.</p>
<p>CT scans, fluoroscopy, magnetic resonance imaging (MRI), or ultrasound images are usually used to guide needle insertion in minimally invasive medical procedures. The use of CT has limitations, primarily due to the high doses of ionizing radiation patients are exposed to during the procedure [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]. Instruments made of non-magnetic and dielectric materials are restricted to permeabilization procedures [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>]. Ultrasound is considered a safe and readily available imaging modality for observing needles and targets during surgery [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>].</p>
<p>Calibration of surgical instruments is essential for surgical navigation before surgery [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]. The accuracy of instruments calibration determines the overall precision of surgical navigation, playing a critical role in the effectiveness and safety of surgery. Thus, the positioning and calibration of the probe needle in the surgical navigation systems remains a research focus. Traditional hand-eye calibration methods are challenging to implement in the confined spaces of the body. To address this challenge, researchers have proposed an autonomous instrument calibration method using a monocular camera [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>]. This method utilizes visual feedback to track the instrument&#x2019;s motion trajectory, followed by a two-stage parameter estimation process to achieve autonomous calibration. This approach overcomes the limitations of hand-eye observation, enhancing the safety of minimally invasive surgery. Some researchers have shifted their focus to surgical instruments, such as robotic arms, applying image-guided techniques to track their paths [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>]. An economical, high-precision optical tracking system has been introduced by researchers. Within this system, Bumblebee2 stereo cameras are utilized to capture images of objects marked with distinctive identifiers. The central pixel coordinates of these markers are extracted, and specialized image processing techniques are applied to reconstruct the coordinates of the surgical instrument&#x2019;s tip, facilitating tracking. This approach significantly enhances the system&#x2019;s resilience to interference.</p>
<p>In recent years, the precision of surgical navigation systems has increasingly relied on accurate localization of the needle tip and robust calibration of ultrasound probes. However, most existing methods approach these two processes independently, leading to cumulative spatial errors during interventional procedures. For instance, Beigi et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>] developed techniques to enhance needle visibility and localization in ultrasound images, yet their method focuses solely on image-based improvements without addressing hardware alignment or spatial registration. Recent advancements have also proposed calibration schemes for ultrasound probes using either phantoms or robotic assistance. Wang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>] introduced a dual-arm surgical navigation platform with independent ultrasound probe calibration via fiducial phantoms, achieving reasonable precision but at the cost of system complexity and multi-step workflows. Meanwhile, Seitel et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>] employed miniaturized electromagnetic tracking to guide needle insertions in real time, demonstrating accuracy improvements but still requiring separate probe-needle calibration steps. More recently, Che et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>] utilized deep learning to improve needle tip detection in ultrasound-based navigation, but their framework assumes pre-calibrated devices and does not consider joint optimization. These studies collectively reveal a significant research gap: there remains a lack of integrated calibration models that simultaneously account for both needle tips and ultrasound probe alignment within a unified coordinate system. This fragmentation results in accumulated spatial errors and hinders real-time surgical adaptability.</p>
<p>Despite progress in individual domains of needle tracking and ultrasound probe calibration, a major limitation remains: the absence of a unified, model-driven calibration framework that directly relates the physical space of the surgical instrument to the imaging plane of the ultrasound probe in a mathematically consistent and spatially coherent manner. Existing techniques typically decouple the two processes: first localizing the needle tip through geometric constraints, then calibrating the probe separately using phantoms or empirical image mappings. This two-stage pipeline introduces cumulative transformation errors, increases system complexity, and often requires manual intervention or fiducial markers, which are undesirable in real-time, minimally invasive procedures.</p>
<p>In contrast, our work introduces a joint calibration model that integrates both the needle tip localization and the ultrasound probe-to-image plane calibration within a shared coordinate system, supported by explicit coordinate transformation and optimization models. By leveraging the constrained spherical motion of the instrument during rotation, we formulate a gradient-descent-based solution to estimate the true spatial position of the needle tip. This result is then used as a geometric anchor in an N-line ultrasound calibration model, allowing the system to compute the spatial transformation between the ultrasound image plane and the physical coordinate frame without relying on external phantoms. Our approach thus not only reduces system complexity and accumulated error but also demonstrates submillimeter localization accuracy (0.1644 mm) and low pixel deviation in image alignment (1.2373 mm), validated across 253-frame sequences. These contributions position our method as a practical and precise calibration strategy for real-time ultrasound-guided surgical navigation, especially in scenarios requiring portability, reduced radiation exposure, and high spatial fidelity. It fills a critical gap in the literature by offering an end-to-end mathematical framework that bridges the calibration of hardware (needle and probe) with imaging output in a single optimization loop.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Method</title>
<p>Initially, capturing the tip of the surgical instrument is essential. After the initial capturing of the tip, the next step is to establish the optical positioning systems for both the surgical instrument and its tip. Using optical positioning, the three-dimensional spatial coordinates of three non-collinear feature points on the surgical instrument, along with the coordinates of the tip, are captured. Next, the spatial coordinates of the instrument&#x2019;s tip point are determined relative to its own coordinate system. As the surgical instrument rotates around its tip, the three non-collinear points trace paths on a concentric spherical surface. Leveraging this spherical motion constraint, the spatial coordinates of the tip can be precisely calibrated within the coordinate system defined by the surgical instrument. This method ensures high accuracy in the calibration process, which is vital for the precision and reliability of surgical navigation systems.</p>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Optimal Rotation Algorithm</title>
<p>The optimal rotation algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>] is used to determine the rotation and translation matrix between coordinate systems, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Schematic diagram of the optimal rotation algorithm</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-1.tif"/>
</fig>
<p>The optimization objective is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>:
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Parameter <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the rotation matrix where point <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is transformed to <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the translation vector of point <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> transformation to <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the solved quantity and <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>Calibration of Puncture Needle Tips</title>
<p>Tracking and positioning surgical instruments during surgery is a fundamental task in surgical navigation. The spatial coordinates of these instruments can be accurately determined by referencing non-collinear landmarks on their structure. <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> clearly demonstrates this calibration process, using four specific marking points on a surgical instrument as an example. Once the instrument&#x2019;s movement stabilized, the tip of the surgical instrument is established as the center of a sphere, with the four landmarks positioned on its surface. This method provides a robust calibration technique, which is essential for the accuracy and effectiveness of surgical navigation systems.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Needle tip calibration model</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-2.tif"/>
</fig>
<sec id="s2_2_1">
<label>2.2.1</label>
<title>Problem Formulation</title>
<p>To calculate the coordinates of the tip point in the instrument coordinate system, a common method involves fixing the tip of the surgical instrument, rotating the instrument around this fixed point, using an optical tracking system to collect the positions of the surgical instrument&#x2019;s marking points, and then calculating the transformation matrix <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the instrument coordinate system <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the camera coordinate system <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The matrix form of the coordinate system in the instrument coordinate system is shown in the <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-2">Eq. (2)</xref>.
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a matrix of <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula> dimensions, <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the coordinates of the tip in the coordinate system of the instrument, and <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represent the coordinates of the first, second, third, and fourth optical markers in the instrument&#x2019;s coordinate system, respectively.</p>
<p>The matrix form of the coordinate system in the camera coordinate system is shown in the <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-3">Eq. (3)</xref>.
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a matrix of <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula> dimensions, <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the coordinates of the needle tip in the camera coordinate system, and <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represent the coordinates of the first, second, third, and fourth optical markers in the camera coordinate system, respectively.</p>
<p>The transformation of coordinates from the instrument coordinate system to the camera coordinate system is an indirect process. First, the instrument coordinate system <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is optimized. Then, the optimized needle tip coordinates are converted to the camera coordinate system.</p>
<p>The matrix representation of the optimized instrument coordinate system is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-4">Eq. (4)</xref>.
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a matrix of <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula> dimensions, <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the coordinates of the needle tip in the optimized instrument coordinate system, and <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represent the coordinates of the first, second, third, and fourth optical spheres in the optimized instrument coordinate system, respectively.</p>
<p>The transformation relationship between optimized instrument coordinate and camera coordinate is shown in the <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref>.
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes the rotation matrix that transforms points from the optimized instrument coordinate system to the camera coordinate system, and <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the translation vector for this transformation.</p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is known, only two variables <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> remains. The calibration process of calibration of the surgical instrument tip involves solving the <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-5">Eq. (5)</xref>, which can typically be done using two positioning images. However, the calculation of <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> based on the experimental results obtained from the two images is inaccurate, so we collect T images for greater precision.</p>
<p>The calibration formula for the puncture tip is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">Eq. (6)</xref>.
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the <italic>k</italic>-th image captured within the camera coordinate system. The coordinates of the needle tip in this <italic>k</italic>-th image, relative to the camera coordinate system, are represented by <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Furthermore, <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> signifies the rotation matrix used to transform points from the optimized instrument coordinate system to corresponding points in the <italic>k</italic>-th image within the camera coordinate system. Lastly, <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> represents the translation vector required to map a point from the optimized instrument coordinate system to its position in the <italic>k</italic>-th camera image.</p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">Eq. (6)</xref>, the needle tip coordinates obtained from the <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> images are averaged to derive <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref>:
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The Mean Square Error (MSE) of the tip position is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">Eq. (8)</xref>:
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>The optimization problem is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref>.
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:munder><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>M</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> can be calculated by the <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>, and <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> represents the needle tip coordinates under the instrument coordinate system optimized by gradient descent, where the MSE of the tip position is the smallest.</p>
</sec>
<sec id="s2_2_2">
<label>2.2.2</label>
<title>Problem Solving</title>
<p>According to the gradient descent method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>], the solution to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref>, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref>, can be formulated as follows:</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Calibration process of puncture needle tip</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-3.tif"/>
</fig>
<p>The template coordinate system is optimized based on the image of the T-group optical spheres captured in the camera coordinate system.</p>
<p>The coordinates of the optical sphere of the template coordinate system are transformed into the instrument coordinate system, and the rotation transformation matrix <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be derived using the optimal rotation algorithm.</p>
<p>To account for inherent errors in the coordinate system transitions from the optimal rotation algorithm, the template coordinate system&#x2019;s coordinates are converted to the optimized instrument coordinate system using a rotation transformation matrix <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. This process refines the coordinates of the optical sphere in the instrument coordinate system.</p>
<p>The gradient descent method is used to solve the objective function, yielding the coordinates of the needle tip in the optimized instrument coordinate system.</p>
<p>Initially, we optimized the template coordinate system. By rotating the needle tip around a fixed point, we captured T images, from which we extract the coordinates of T sets of four optically marked spheres. Using binocular vision calibration, we obtain the coordinates of the four optical marker spheres in the coordinate system of <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> camera: <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Utilizing the known design dimension of the puncture needle, denoted as <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, we calculate the coordinate of the four optical spheres in the instrument coordinate system. Furthermore, measurements allow us to estimate the coordinates of the needle tip, designated as <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, in the instrument coordinate system.</p>
<p>The T groups of optical spheres&#x2019; coordinate can be optimized using gradient descent to establish a template coordinate system <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The coordinates of the four optical spheres in the template coordinate system are represented as <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-10">Eq. (10)</xref>.
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the rotation and translation matrix of the point transformation in the template coordinate system to the <italic>k</italic>-th image in the camera coordinate system.</p>
<p>The objective function of the template coordinate system is obtained as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-11">Eq. (11)</xref>.
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:munder><mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo symmetric="true">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Taking the image coordinates from the first frame as the initial value: <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can get <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-12">Eq. (12)</xref>.
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the value of the <italic>k</italic>-th image.</p>
<p>The Jacobi matrix is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-13">Eq. (13)</xref>. Where <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the Jacobi matrix of the <italic>k</italic>-th image.
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The step size was set to <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:math></inline-formula> based on empirical testing, which followed the standard gradient descent procedure and consistently achieved stable convergence without oscillation. Smaller values slowed convergence, while larger ones occasionally caused instability. Update the value according to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-14">Eq. (14)</xref>.
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>By iteratively updating <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> using the gradient descent method, the coordinates of the four optical spheres in the template coordinate system are determined, yielding <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>We can refine the tip&#x2019;s coordinates within the instrument&#x2019;s coordinate system. Initially, the coordinates of the four optical spheres are rotated and translated from the template coordinate system to align with the instrument coordinate system, as indicated in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref>.
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be obtained by the optimal rotation algorithm.</p>
<p>Due to the error e in the transformation between the coordinate systems as determined by the optimal rotation algorithm, the coordinate <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> under the optimized instrument coordinate system can be calculated, as illustrated in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16">Eq. (16)</xref>.
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The coordinates in the template coordinate system are first rotated and translated to align with the optimized instrument coordinate system. Subsequently, these coordinates are transformed to the coordinate system of T groups of cameras, resulting in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">Eq. (17)</xref>.
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We convert the needle tip coordinates from the instrument coordinate system to the camera coordinate system, obtaining eight sets of coordinates in the camera&#x2019;s frame of reference. Subsequently, the optimized tip coordinates were determined using the gradient descent method.</p>
<p>Solve the <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref> using the objective optimization function illustrated in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-18">Eq. (18)</xref>.
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo accent="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the value of the <italic>k</italic>-th graph.</p>
<p>The Jacobi matrix is illustrated in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-19">Eq. (19)</xref>.
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Set step length <italic>&#x03B1;</italic> &#x003D; 0.01 based on empirical testing to update the value according to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-20">Eq. (20)</xref>.
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>The optimal tip coordinate <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is iteratively updating using the gradient descent method. This coordinate represents the calibrated tip in the instrument coordinate system.</p>
<p>By using the design coordinates of four optically marked spheres and a series of rotation translation matrices, the minimum value of the objective function is obtained, thus completing the optimization of the design coordinates.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2_3">
<label>2.3</label>
<title>Calibration of Ultrasound Probe</title>
<p>This study employs an optical tracking system [<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>] and proposes an innovative method for calibrating ultrasound probes based on the N-line method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>]. The method involves first calibrating the coordinates of endpoints of each line in the optical coordinate system using the puncture needle tip as a reference and then mapping the intersections of the N-line with the ultrasound image in the image coordinate system. Finally, the calibration equation is applied to determine the calibration results through substitution.</p>
<p>The principle involves obtaining a transformation matrix that aligns the spatial references of the ultrasound image with the corresponding probe, ensuring accurate spatial mapping across different coordinate systems. This concept is illustrated in the accompanying <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>.</p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Calibration of ultrasound probes</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-4.tif"/>
</fig>
<p>We establish four coordinate systems: the template coordinate system <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the camera coordinate system <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the ultrasound probe coordinate system <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and the ultrasound image coordinate system <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Subsequently, we determine the conversion matrices: matrix <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> for transforming the camera coordinate system to the template coordinate system, matrix <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> for converting the probe coordinate system to the camera coordinate system, and matrix <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> for the transformation of the image coordinate system to the probe coordinate system.</p>
<p>Therefore, after obtaining the feature point&#x2019;s coordinates <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the template coordinate system and <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the ultrasound image&#x2019;s coordinate system, the calibration <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eq. (21)</xref> can be derived as follows.
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the homogeneous coordinate of the feature point in the template coordinate system. In <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the resolution of the ultrasound image in the <italic>X</italic>-axis direction, <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the resolution in the <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis direction of the ultrasound image, and <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the unknown scale factor to be calibrated. <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> represent the pixel coordinates of the <italic>X</italic>- and <italic>Y</italic>-axis of the ultrasound image. The transformation matrix <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> are <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> dimensional matrices that can be obtained by optical positioning devices, <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the transformation matrix to be calibrated, including <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-22">Eqs. (22)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-23">(23)</xref>.
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The above expression indicates that the ultrasound image calibration requires solving for 6 calibration parameters along with <inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, totaling 8 unknown calibration parameters. Using the previously developed binocular visual tracking system and the ultrasound guidance bracket, we ensure that the calibration feature points are precisely captured within the scanning field of the ultrasound probe. This guarantees the accurate acquisition of two-dimensional ultrasound image data for the calibration points, which is crucial for precise calibration and subsequent navigation processes. Additionally, the coordinates of the calibration landmarks within the camera&#x2019;s reference frame can be directly determined using calibration devices, thus eliminating the need for template calibration procedures.</p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-21">Eq. (21)</xref> is simplified as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eq. (24)</xref>.
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the coordinate of the feature point in the camera system, given by <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the intersection point of a line in the two-dimensional ultrasound image with an N-line model. The endpoints of this line can be calibrated in the camera model using the puncture needle tip model, denoted as <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Subsequently, the corresponding linear equation is presented in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-25">Eq. (25)</xref>.
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be expressed as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">Eq. (26)</xref>.
<disp-formula id="ueqn-26"><mml:math id="mml-ueqn-26" display="block"><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eq. (24)</xref> yields the following <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">Eq. (27)</xref>.
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> into the above <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">Eq. (27)</xref> yields <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref>.
<disp-formula id="ueqn-29"><mml:math id="mml-ueqn-29" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>It is evident that when the number of calibration ultrasound images <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> satisfies the condition <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the unknown parameters can be determined using the appropriate mathematical analysis method.</p>
<p>To determine the calibration parameters using the nonlinear optimization method, the objective function is first formulated. For the calibration feature points of each image, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29">Eq. (29)</xref> is used.
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the ordinal number of the calibration image, and take L points per frame of an image, <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, represents the <italic>j</italic>-th point. <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the rotational translation matrix of the <italic>i</italic>-th image coordinate system transformed into the coordinate system of the ultrasound transducer.</p>
<p>Then we have <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-30">Eq. (30)</xref>.
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, since <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> has been used to solve the N-line equation, the objective function is constructed as <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">Eq. (31)</xref>.
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The MSE of the distance deviation is <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-32">Eq. (32)</xref>.
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
<p>The optimization problem for the goal is shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-33">Eq. (33)</xref>.
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:msup><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>The above equation represents the optimization result, where the least squares method is employed in MATLAB to optimize the eight calibration parameters, aiming to minimize the values towards zero. In this study, the least squares method is utilized to solve systems of equations. When the <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is minimized, the initial <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are substituted, and the function <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is applied so that its partial derivative with respect to the eight parameters are equal to zero, as demonstrated in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-34">Eq. (34)</xref>.
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>MSE</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then we can obtain the parameters <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the calibration equation.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Experiments and Results</title>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>Instruments</title>
<sec id="s3_1_1">
<label>3.1.1</label>
<title>Experimental Instruments for Needle Tip Calibration</title>
<p>The camera used in this study is a Medvision industrial camera model MV-MSU130GM2-T. The experimental setup includes four optical balls, a puncture needle, and a needle cover, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Experimental instrument structure diagram. (<bold>a</bold>) video camera; (<bold>b</bold>) puncture needle</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-5.tif"/>
</fig>
<p>The 3D-printed hub of the piercing needle contains four threaded holes designed to attach the optical balls. During the experiment, the camera captures images of these four optical balls attached to the puncture needle, and their coordinates are determined within the camera coordinate system using binocular positioning.</p>
</sec>
<sec id="s3_1_2">
<label>3.1.2</label>
<title>Experimental Instruments for Needle Tip Calibration</title>
<p>The ultrasound probe used in this experiment is a Sonostar all-digital ultrasound imaging diagnostic instrument, model CProbe. The camera employed is a Medvision industrial camera, model MV-MSU130GM2-T. The robotic arm utilized is the EC63, a lightweight 6-degree-of -freedom modular collaborative robot developed by Suzhou Elite Robot Co. Additional equipment includes ultrasound probe holders, optically marked pellets, N-type nylon wire, and a sink (filled with water maintained at 50&#x00B0;C). The configuration of the camera and the calibration board for the ultrasound probe is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref>.</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>Schematic diagram of experimental equipment. (<bold>a</bold>) camera structure; (<bold>b</bold>) calibration plate structure; (<bold>c</bold>) fixture structure; (<bold>d</bold>) sink structure</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-6.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>Experiments on Needle Tip Calibration</title>
<p>During the experiment, the camera captures images of four optical spheres attached to the puncture needle, and their coordinates are determined in the camera&#x2019;s coordinate system through using dual targeting. By rotating the puncture needle tip 130 degrees around the calibration plate, we obtained 253 image frames of the 4 optical balls, as depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref>.</p>
<fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Optical sphere diagram in the camera coordinate system</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-7.tif"/>
</fig>
<p>The coordinates in the template coordinate system are determined using gradient descent, applied to the images captured under the 253-frame camera coordinate system, as depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref>.</p>
<fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Optical spherical diagram in template coordinate system</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-8.tif"/>
</fig>
<p>The spatial coordinates of the optical sphere, relative to the template coordinate system, are described in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-35">Eq. (35)</xref>.
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2.92500</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3.14650</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2.47750</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2.13885</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>8.2139</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.20273</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.08298</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.11840</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>9.40890</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>9.48268</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>9.29082</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>9.19578</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The spatial coordinates of the four optical spheres within the instrument&#x2019;s reference coordinate system are described by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-36">Eq. (36)</xref>.
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2.06805</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.98215</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.04295</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.04295</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.956775</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3.877775</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2.917425</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>6.434925</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The coordinates in the template coordinate system are converted to the instrument coordinate system using the optimal rotation algorithm, resulting in <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Considering the error in the coordinate transformation obtained by the optimal rotation algorithm <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.0111</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>mm</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the coordinates of the optical sphere in the template coordinate system are adjusted using <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> to align with the optimized instrument coordinate system, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9</xref>.</p>
<fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>Optical spheroids of the optimized instrument coordinate system</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-9.tif"/>
</fig>
<p>The coordinates of the four optical spheres are presented in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-37">Eq. (37)</xref>.
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left left left" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2.0640</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.9751</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.0529</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.0360</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.9627</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3.8823</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2.9141</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>6.4488</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0.0005</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.0006</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.0028</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.0018</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Using the optimal rotation algorithm, the coordinates of the optical spheres in the optimized instrument coordinate system are converted to the 253-frame camera coordinate system, allowing us to obtain the transformation matrix <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>253</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>The coordinate of the needle tip in the instrument coordinate system is <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.33705</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>25.317425</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.33</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, taking <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the optimized instrument coordinate system. Converting an endpoint of the optimized instrument coordinate system to a 253-frame image using the transformation matrix <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> allows us to determine the coordinates of the optical sphere in the 253-frame camera coordinate system, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref>.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>Optical spheroids of the optimized instrument coordinate system</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-10.tif"/>
</fig>
<p>The needle tip and optical sphere coordinates in the instrument coordinate system are transformed using <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to generate the corresponding image, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref>.</p>
<fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>Optimized calibration scenario</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-11.tif"/>
</fig>
<p>The average offset distance of the four optical spheres per frame, across all 253-frames, is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref>.</p>
<fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>The average offset distance of the four optical spheroids</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-12.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref> illustrates the calibration error for the tip in each frame of the 253-frame sequence.</p>
<fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Calibration error diagram of the tip of the needle</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-13.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref> demonstrates a consistent decline in calibration error as the number of images increases, with deviations remaining below 0.25 mm throughout.</p>
<p>The gradient descent method is used to optimize the objective function based on 253 tip points, yielding an optimized coordinate for the puncture tip of <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.333</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>25.2367</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.2632</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Following this optimization, the calibration error of the tip is <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1644</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>mm</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the experimentally obtained coordinates of the puncture tip are in close agreement with the estimated values.</p>
</sec>
<sec id="s3_3">
<label>3.3</label>
<title>Experiments with Ultrasound Probe Calibration</title>
<p>We take M &#x003D; 30 ultrasound images, each containing L &#x003D; 4 points. The coordinates of the two endpoints on the N-line are obtained, as shown in the resulting N-line image in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref>.</p>
<fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>Image of the N-line</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-14.tif"/>
</fig>
<p>The spatial coordinates of the optical marker in the probe&#x2019;s reference frame are described by <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-38">Eq. (38)</xref>:
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>5.209</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>70</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5.209</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>29.544</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>29.544</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15</xref> illustrates images of 30 sets of optical spheres held by the ultrasound probe.</p>
<fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>Optical spheroids in the camera&#x2019;s coordinate system</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-15.tif"/>
</fig>
<p>Substituting the initial value <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>130</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>90</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>42</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.117</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.116</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and calculating the optimized values using <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-38">Eq. (38)</xref> yields: <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0.7721</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.1024</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.0455</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>136.1327</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>90.2300</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>39.3303</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.1277</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.1233</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Subsequently, the ultrasound image is transformed into the camera coordinate system, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-16">Fig. 16</xref>.</p>
<fig id="fig-16">
<label>Figure 16</label>
<caption>
<title>Schematic diagram of ultrasound probe calibration</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-16.tif"/>
</fig>
<p>Two points from the same side wall of the sink were selected from each frame image, and the resulting image of the pipe wall is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17</xref>.</p>
<fig id="fig-17">
<label>Figure 17</label>
<caption>
<title>Image of the pipe wall</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_72031-fig-17.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17</xref> shows that the pipe wall aligns closely with a single plane, with a deviation of less than 1 mm, thereby improving calibration precision. In this experiment, the value of <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is found to be <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:mn>1.2373</mml:mn><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mtext>mm</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, indicating that the average displacement per pixel is 1.2373 mm. Despite potential errors during the calibration of the N-line model at the puncture tip and in solving the transformation matrix between coordinate systems, these inaccuracies are minimal and do not significantly affect the overall results.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Discussion</title>
<p>Surgical navigation systems have undergone rapid advancements in recent years, particularly in improving intraoperative precision and reducing patient trauma. Nevertheless, traditional navigation methods based on binocular stereovision often suffer from limited visibility in obstructed anatomical regions and lack robustness in dynamic scenarios [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>]. To address these limitations, our approach integrates optical tracking, robotic manipulation, and real-time ultrasound guidance into a unified calibration framework.</p>
<p>A critical challenge in ultrasound-guided interventions is the accurate spatial registration between the ultrasound probe and the needle tip, which has typically been addressed in isolation. For instance, Kim et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>] proposed a calibration procedure for needle-guide systems attached to ultrasound probes, but their method relied on fixed mechanical assumptions and was not applicable to freehand scenarios. Similarly, Paralikar et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>] developed a robot-assisted calibration for the probe itself, but without considering the dynamic spatial behavior of the needle tip.</p>
<p>Other studies such as Carbajal et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>] utilized N-wire phantoms for ultrasound probe calibration, but treated needle localization as a separate or manually controlled process, introducing potential cumulative error. In contrast, our method achieves joint calibration, in which the accurately optimized needle tip coordinates are directly employed to solve the N-line model of the ultrasound probe. This integration ensures tighter spatial coupling, minimizes registration errors, and eliminates reliance on external fiducial phantoms.</p>
<p>Our experimental results demonstrate that this integrated approach significantly enhances calibration precision. The needle tip localization error remains under 0.25 mm across 253 captured frames, and the ultrasound probe calibration achieves a pixel deviation of only 1.2373 mm. Furthermore, the alignment of the calibrated ultrasound image with a known planar surface shows deviation below 1 mm, reinforcing the spatial accuracy of the proposed method. Compared to previous methods, this represents a substantial improvement in both accuracy and robustness under freehand or robotic setups.</p>
<p>In summary, the proposed joint calibration framework fills a notable gap in the current literature by unifying two previously separate procedures&#x2014;needle tip and probe calibration&#x2014;into a single optimization-based workflow. This method has strong potential for application in real-time surgical navigation, especially in 2D ultrasound-based systems that require precise spatial coordination without the aid of ionizing radiation.</p>
<p>Nevertheless, several limitations remain. The current experiments were conducted in a phantom environment using an optical tracking system, industrial camera, and robotic arm, we clarify that the proposed joint calibration method has not yet been deployed or tested on a fully integrated surgical navigation system in clinical or pre-clinical settings. The implementation was performed within a controlled prototype environment designed to simulate real-world constraints, including hardware synchronization and image acquisition workflows that align with those of standard navigation systems. In addition, while gradient descent with a fixed step size proved effective in our study, we acknowledge that more advanced optimization strategies, such as particle swarm optimization or other metaheuristic algorithms, may further enhance robustness in more complex or nonlinear calibration scenarios. Recent reviews and algorithmic studies on robot calibration highlight the effectiveness of data-driven and evolutionary approaches for improving optimization performance, which could inspire future extensions of our framework [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>].</p>
<p>The entire calibration pipeline was implemented end-to-end, covering both needle tip localization and ultrasound probe-to-image registration. However, real-time integration into a functioning navigation system with user interface, intraoperative imaging, and surgeon feedback loop remains a direction for future development. The current results demonstrate the feasibility and internal consistency of the proposed model, providing a solid computational foundation for future system-level integration. We acknowledge that validation under more complex surgical conditions, such as soft tissue deformation, occlusion, or dynamic anatomical changes, will be necessary to demonstrate robustness in realistic environments. As such, future work will focus on extending the system to animal models or hybrid OR setups, and addressing practical challenges like tracking loss, calibration drift, and probe misalignment through sensor fusion and online error correction methods.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Conclusions</title>
<p>In this research, we introduce an advanced method for precise needle tip localization using a sophisticated rotation algorithm. This technique involves rotating the needle tip by 130 degrees around a fixed pivot, which enables the acquisition of multiple images of four optical spheres within the camera&#x2019;s coordinate system. These images are then employed to refine the template coordinate system through gradient descent optimization. Subsequently, the coordinates within the template system are transformed into the instrument&#x2019;s coordinate system. Further optimization of these coordinates is performed within the camera&#x2019;s coordinate system. Notably, as the number of captured images increases, the calibration error remains consistently low, demonstrating remarkable stability and accuracy.</p>
<p>We then utilize the optimized needle tip coordinates to develop a joint calibration algorithm for the ultrasound probe. This calibration involves identifying the two endpoints of each N-line using the calibrated needle tip and solving the N-line equations based on ultrasound images. Additionally, using data from optical spheres captured by the optical positioning framework, we derive a transformation matrix to facilitate the transition from the probe&#x2019;s reference system to the camera&#x2019;s coordinate system. The calibration matrix for the ultrasound probe is formulated using a least-squares methodology, ensuring an optimized solution.</p>
<p>In our experimental setup, we used a Sonostar digital ultrasound imaging system equipped with a CProbe probe. The camera used was the MV-MSU130GM2-T industrial camera from MedViewTech. The mechanical arm used in the experiments was the EC63 intelligent lightweight 6-degree-of-freedom modular collaborative robot developed by Suzhou Eletech Robotics Co. Our experimental results validate the proposed method&#x2019;s efficacy in achieving high-precision calibration for 2D ultrasound surgical navigation, showing stable calibration errors across different numbers of images.</p>
<p>Overall, the study establishes a practical and accurate calibration strategy that addresses a long-standing gap in ultrasound-guided navigation, offering a streamlined workflow with potential for translation into real-time minimally invasive surgical applications.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>None.</p>
</ack>
<sec>
<title>Funding Statement</title>
<p>Support by Sichuan Science and Technology Program [2023YFSY0026, 2023YFH0004].</p>
</sec>
<sec>
<title>Author Contributions</title>
<p>The authors confirm contribution to the paper as follows: conceptualization, Bo Yang and Shan Liu; methodology, Bo Yang and Fupei Guo; software, Bo Yang and Xiang Zhang; validation, Jiawei Tian and Yu Zhou; formal analysis, Fupei Guo; investigation, Xiang Zhang; resources, Jiawei Tian; data curation, Xiang Zhang; writing&#x2014;original draft preparation, Bo Yang; writing&#x2014;review and editing, Jiawei Tian; visualization, Yu Zhou; supervision, Jiawei Tian; project administration, Shan Liu; funding acquisition, Shan Liu. All authors reviewed the results and approved the final version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability">
<title>Availability of Data and Materials</title>
<p>All data generated or analyzed during this study are included in this published article.</p>
</sec>
<sec>
<title>Ethics Approval</title>
<p>Not applicable.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement">
<title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare no conflicts of interest to report regarding the present study.</p>
</sec>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Recker</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>H&#x00F6;hne</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Damjanovic</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sch&#x00E4;fer</surname> <given-names>VS</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Ultrasound in telemedicine: a brief overview</article-title>. <source>Appl Sci</source>. <year>2022</year>;<volume>12</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>958</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/app12030958</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chandrashekhara</surname> <given-names>SH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rangarajan</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Agrawal</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Thulkar</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gamanagatti</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Raina</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Robotic ultrasound: an initial feasibility study</article-title>. <source>World J Methodol</source>. <year>2022</year>;<volume>12</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>274</fpage>&#x2013;<lpage>84</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.5662/wjm.v12.i4.274</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Elmi-Terander</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Burstr&#x00F6;m</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nachabe</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Skulason</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pedersen</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fagerlund</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Pedicle screw placement using augmented reality surgical navigation with intraoperative 3D imaging: a first in-human prospective cohort study</article-title>. <source>Spine</source>. <year>2019</year>;<volume>44</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>517</fpage>&#x2013;<lpage>25</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1097/brs.0000000000002876</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">30234816</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gonzalez</surname> <given-names>LV</given-names></string-name>, <string-name><surname>Arango</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>L&#x00F3;pez</surname> <given-names>JP</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gnecco</surname> <given-names>JP</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Technological integration of virtual surgical planning, surgical navigation, endoscopic support and patient-specific implant in orbital trauma</article-title>. <source>J Maxillofac Oral Surg</source>. <year>2021</year>;<volume>20</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>459</fpage>&#x2013;<lpage>63</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12663-020-01423-x</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lartizien</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zaccaria</surname> <given-names>I</given-names></string-name>, <string-name><surname>Savoldelli</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Noyelles</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chamorey</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cracowski</surname> <given-names>JL</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Learning condyle repositioning during orthognathic surgery with a surgical navigation system</article-title>. <source>Int J Oral Maxillofac Surg</source>. <year>2019</year>;<volume>48</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>952</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijom.2019.01.018</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">30755359</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Quang</surname> <given-names>TT</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>WF</given-names></string-name>, <string-name><surname>Papay</surname> <given-names>FA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Dynamic, real-time, fiducial-free surgical navigation with integrated multimodal optical imaging</article-title>. <source>IEEE Photonics J</source>. <year>2021</year>;<volume>13</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>13</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jphot.2020.3042269</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Granata</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Distefano</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pesce</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Battaglia</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Suavo Bulzis</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Venturini</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Performing an ultrasound-guided percutaneous needle kidney biopsy: an up-to-date procedural review</article-title>. <source>Diagnostics</source>. <year>2021</year>;<volume>11</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>2186</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/diagnostics11122186</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">34943422</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lee</surname> <given-names>JY</given-names></string-name>, <string-name><surname>Islam</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Woh</surname> <given-names>JR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mohamed Washeem</surname> <given-names>TS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ngoh</surname> <given-names>LYC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wong</surname> <given-names>WK</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Ultrasound needle segmentation and trajectory prediction using excitation network</article-title>. <source>Int J Comput Assist Radiol Surg</source>. <year>2020</year>;<volume>15</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>437</fpage>&#x2013;<lpage>43</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-019-02113-x</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">31960247</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gueziri</surname> <given-names>HE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Drouin</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname> <given-names>CXB</given-names></string-name>, <string-name><surname>Collins</surname> <given-names>DL</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Toward real-time rigid registration of intra-operative ultrasound with preoperative CT images for lumbar spinal fusion surgery</article-title>. <source>Int J Comput Assist Radiol Surg</source>. <year>2019</year>;<volume>14</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>1933</fpage>&#x2013;<lpage>43</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-019-02020-1</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">31254179</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jengojan</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sorgo</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Streicher</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Snoj</surname> <given-names>&#x017D;</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kasprian</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gruber</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Ultrasound-guided thread versus ultrasound-guided needle release of the A1 pulley: a cadaveric study</article-title>. <source>Radiol Med</source>. <year>2024</year>;<volume>129</volume>(<issue>10</issue>):<fpage>1513</fpage>&#x2013;<lpage>21</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11547-024-01875-y</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">39192166</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Li</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Samir</surname> <given-names>AE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Arellano</surname> <given-names>RS</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Imaging-related risk factors for bleeding complications of US-guided native renal biopsy: a propensity score matching analysis</article-title>. <source>J Vasc Interv Radiol</source>. <year>2019</year>;<volume>30</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>87</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jvir.2018.08.031</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">30527649</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Edwards</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tang</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Draelos</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Izatt</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kuo</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Data-driven modelling and control for robot needle insertion in deep anterior lamellar keratoplasty</article-title>. <source>IEEE Robot Autom Lett</source>. <year>2022</year>;<volume>7</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>1526</fpage>&#x2013;<lpage>33</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/lra.2022.3140458</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">37090091</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Hong</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Petruska</surname> <given-names>AJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zemmar</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nelson</surname> <given-names>BJ</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Magnetic control of a flexible needle in neurosurgery</article-title>. <source>IEEE Trans Biomed Eng</source>. <year>2021</year>;<volume>68</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>616</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tbme.2020.3009693</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">32746060</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jiang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Song</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gupta</surname> <given-names>MK</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hao</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Needle deformation in the process of puncture surgery: experiment and simulation</article-title>. <source>Procedia CIRP</source>. <year>2020</year>;<volume>89</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>270</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.procir.2020.05.151</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhong</surname> <given-names>F</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>He</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>YH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Hand-eye calibration of surgical instrument for robotic surgery using interactive manipulation</article-title>. <source>IEEE Robot Autom Lett</source>. <year>2020</year>;<volume>5</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>1540</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/lra.2020.2967685</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Pavone</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Seeliger</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Teodorico</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Goglia</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Taliento</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bizzarri</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Ultrasound-guided robotic surgical procedures: a systematic review</article-title>. <source>Surg Endosc</source>. <year>2024</year>;<volume>38</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>2359</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00464-024-10772-4</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38512350</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>van Boxel</surname> <given-names>GI</given-names></string-name>, <string-name><surname>Carter</surname> <given-names>NC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fajksova</surname> <given-names>V</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Three-arm robotic cholecystectomy: a novel, cost-effective method of delivering and learning robotic surgery in upper GI surgery</article-title>. <source>J Robot Surg</source>. <year>2024</year>;<volume>18</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>180</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11701-024-01919-5</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38653914</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Beigi</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Salcudean</surname> <given-names>SE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ng</surname> <given-names>GC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rohling</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Enhancement of needle visualization and localization in ultrasound</article-title>. <source>Int J Comput Assist Radiol Surg</source>. <year>2021</year>;<volume>16</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>169</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-020-02227-7</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">32995981</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>KJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>CH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lo</surname> <given-names>CY</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>HH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jason Chen</surname> <given-names>JJ</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Ultrasound calibration for dual-armed surgical navigation system</article-title>. <source>J Healthc Eng</source>. <year>2022</year>;<volume>2022</volume>:<fpage>3362495</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2022/3362495</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">35222882</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Seitel</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Groener</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Eisenmann</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Aguilera Saiz</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pekdemir</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sridharan</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Miniaturized electromagnetic tracking enables efficient ultrasound-navigated needle insertions</article-title>. <source>Sci Rep</source>. <year>2024</year>;<volume>14</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>14161</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-024-64530-6</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38898086</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Che</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Qin</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ji</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yan</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Improving needle tip tracking and detection in ultrasound-based navigation system using deep learning-enabled approach</article-title>. <source>IEEE J Biomed Health Inform</source>. <year>2024</year>;<volume>28</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>2930</fpage>&#x2013;<lpage>42</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JBHI.2024.3353343</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38215329</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chai</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sun</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiong</surname> <given-names>Z</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A novel method for LiDAR camera calibration by plane fitting</article-title>. In: <conf-name>2018 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM); 2018 Jul 9&#x2013;12; Auckland, New Zealand</conf-name>. p. <fpage>286</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/aim.2018.8452339</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Nurbekyan</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lei</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Efficient natural gradient descent methods for large-scale PDE-based optimization problems</article-title>. <source>SIAM J Sci Comput</source>. <year>2023</year>;<volume>45</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>A1621</fpage>&#x2013;<lpage>55</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1137/22m1477805</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Masood</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zafar</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ali</surname> <given-names>MU</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hussain</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khan</surname> <given-names>MA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tariq</surname> <given-names>U</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Tracking of a fixed-shape moving object based on the gradient descent method</article-title>. <source>Sensors</source>. <year>2022</year>;<volume>22</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>1098</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/s22031098</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">35161843</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sorriento</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Porfido</surname> <given-names>MB</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mazzoleni</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Calvosa</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tenucci</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ciuti</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Optical and electromagnetic tracking systems for biomedical applications: a critical review on potentialities and limitations</article-title>. <source>IEEE Rev Biomed Eng</source>. <year>2019</year>;<volume>13</volume>:<fpage>212</fpage>&#x2013;<lpage>32</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/rbme.2019.2939091</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">31484133</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Dai</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zeng</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Prior knowledge-based optimization method for the reconstruction model of multicamera optical tracking system</article-title>. <source>IEEE Trans Automat Sci Eng</source>. <year>2020</year>;<volume>17</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>2074</fpage>&#x2013;<lpage>84</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tase.2020.2989194</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Song</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhao</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Study on calibration method of ultrasonic probe based on electromagnetic positioner in puncture surgical robot</article-title>. In: <conf-name>Proceedings of the 2022 4th International Conference on Robotics, Intelligent Control and Artificial Intelligence; 2022 Dec 16&#x2013;18; Dongguan, China</conf-name>. p. <fpage>161</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1145/3584376.3584404</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Teatini</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kumar</surname> <given-names>RP</given-names></string-name>, <string-name><surname>Elle</surname> <given-names>OJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wiig</surname> <given-names>O</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Mixed reality as a novel tool for diagnostic and surgical navigation in orthopaedics</article-title>. <source>Int J Comput Assist Radiol Surg</source>. <year>2021</year>;<volume>16</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>407</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-020-02302-z</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">33555563</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bi</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zou</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhai</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gong</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Dental implant navigation system based on trinocular stereo vision</article-title>. <source>Sensors</source>. <year>2022</year>;<volume>22</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>2571</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/s22072571</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">35408186</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kim</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chang</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Petrisor</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chirikjian</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Han</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Stoianovici</surname> <given-names>D</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Ultrasound probe and needle-guide calibration for robotic ultrasound scanning and needle targeting</article-title>. <source>IEEE Trans Biomed Eng</source>. <year>2013</year>;<volume>60</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>1728</fpage>&#x2013;<lpage>34</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TBME.2013.2241430</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">23358940</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Paralikar</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mantripragada</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nguyen</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Arjoune</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shekhar</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Monfaredi</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Robot-assisted ultrasound probe calibration for image-guided interventions</article-title>. <source>Int J Comput Assist Radiol Surg</source>. <year>2025</year>;<volume>20</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>859</fpage>&#x2013;<lpage>68</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-025-03347-8</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">40183862</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Carbajal</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lasso</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>G&#x00F3;mez</surname> <given-names>&#x00C1;</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fichtinger</surname> <given-names>G</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Improving N-wire phantom-based freehand ultrasound calibration</article-title>. <source>Int J Comput Assist Radiol Surg</source>. <year>2013</year>;<volume>8</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>1063</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11548-013-0904-9</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">23892996</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>[33]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Data-driven calibration of industrial robots: a comprehensive survey</article-title>. <source>IEEE/CAA J Autom Sinica</source>. <year>2025</year>;<volume>12</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>1544</fpage>&#x2013;<lpage>67</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jas.2025.125237</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Chen</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Qiao</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Luo</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A robust and efficient ensemble of diversified evolutionary computing algorithms for accurate robot calibration</article-title>. <source>IEEE Trans Instrum Meas</source>. <year>2024</year>;<volume>73</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>7501814</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIM.2024.3363783</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>