CN105616001A - 一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法，该装置包括：传感器定位安装块、盖合所述传感器定位安装块的上盖、第一定位传感器、第二定位传感器，所述传感器定位安装块上还设置有供金属标记点活动嵌入定位孔；所述第一定位传感器、所述第二定位传感器固定在所述传感器定位安装块内，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器和所述定位孔的中心位于同一平面上，所述定位孔设置在所述第一定位传感器、所述第二定位传感器连线的中点处。本发明通过利用两个五自由度的定位传感器合成一个六自由度定位传感器，制作成本低；同时省去了医生手动取点的工作，简化手术流程，提高手术效率。

Description

一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法，属于医学成像技术领域。

背景技术

目前，手术导航系统能够帮助医生更加出色的完成各类外科手术，其功能是利用CT扫描获取图像，实时跟踪手术器械在标测系统中的位置。手术导航中，图像坐标系的建立(利用电磁定位系统坐标系转换)是非常关键的一个环节，该环节主要是实现手术器械在电磁定位系统到图像系统的位置转换，这样在手术中，图像中实时跟踪的是手术器械与人体的相对位置，和实际保持一致。

电磁定位系统(如NDI公司的Aurora系统)包括了磁场发生器和定位传感器，系统可以实时获取定位传感器在磁场发生器的磁场空间内的电磁定位系统坐标系，将该定位传感器植入手术器械中，即可获取手术器械在电磁定位系统坐标系的位置。在手术导航软件中，最后将电磁定位系统坐标系转换成三维图像坐标系，从而获得了手术器械在成像系统中的位置坐标。

图像坐标系的建立可以采用手动注册四个不在同一平面的标记点来实现，这四个点已经通过CT扫面显示在图像中，利用安装有定位传感器的探针去点这四个点获取他们在电磁定位系统坐标系的位置，已知了它们在电磁定位系统中的坐标及在图像中的相对位置就可以进行转换。这种方法的缺陷是在手术中需要医生手动去注册这四个点，而且病人的动作、呼吸、心跳、血管扩张以及磁场发生器的颤动都会影响手术导航的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是避免电磁定位手术导航中，手动注册标记点来带来准确度不高和上位机获取原点复杂等问题。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法。

一方面，本发明提供一种电磁定位标记装置，包括：传感器定位安装块、盖合所述传感器定位安装块的上盖、第一定位传感器、第二定位传感器，所述传感器定位安装块上还设置有供金属标记点活动嵌入定位孔；

所述第一定位传感器、所述第二定位传感器固定在所述传感器定位安装块内，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器和所述定位孔的中心位于同一平面上，所述定位孔设置在所述第一定位传感器、所述第二定位传感器连线的中点处。

其中较优地，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器是5自由度的电磁定位传感器。

其中较优地，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽和第二定位传感器安装槽，所述第一定位传感器安装槽和第二定位传感器安装槽的至少一端与所述传感器定位安装块边缘连通形成出线口；所述第一定位传感器、所述第二定位传感器分别安装在所述第一定位传感器安装槽、第二定位传感器安装槽中，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的引线从出线口穿出。

其中较优地，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽、第二定位传感器安装槽、出线槽；

所述第一定位传感器、所述第二定位传感器分别安装在所述第一定位传感器安装槽、第二定位传感器安装槽中，所述第一定位传感器安装槽与第二定位传感器安装槽相交；所述出线槽的一端与所述第一定位传感器安装槽与第二定位传感器安装槽的交点处相连接，另一端与所述传感器定位安装块边缘连通形成出线口；

所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的引线经所述出线槽从出线口穿出。

其中较优地，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽、第二定位传感器呈90度夹角。

其中较优地，还包括护管，护管的一端固定在出线槽内另一端伸出所述出线口，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的引线经所述护管从出线口穿出。

另一方面，本发明还提供一种电磁定位系统，包括应用上述的多个电磁定位标记装置、多个金属标记点和控制器；

所述多个电磁定位标记装置与所述控制器连接；

所述多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置的定位孔；

控制器获取所述每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的坐标，所述控制器根据获取的每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的坐标计算得到所述多个金属标记点的电磁坐标。

其中较优地，所述金属标记点的上表面与所述定位孔的中心位置重合。

再一方面，一种电磁定位标记方法，应用上述的电磁定位标记装置，包括以下步骤：

将多个金属标记点固定在人体合适位置；

通过CT扫描获取多个金属标记点的图像坐标；

使用与多个金属标记点相同数量的电磁定位标记装置，将多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置；

获取所述多个金属标记点的电磁坐标；

根据所述图像坐标和电磁坐标计算获取手术器械的空间坐标。

本发明提供的一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法，本发明通过金属标记点与电磁定位标记装置分离使用，只需要在手术前CT扫描时贴上金属标记点，手术时再贴扣上电磁定位标记装置即可，不会对CT扫描增加不必要的麻烦，简化了手术流程，提高了手术效率；发明利用电磁定位标记装置代替手动标记注册物，省去了手动取点的工作；同时也消除手动取点不精确的影响，也减小了因为病人的移动、呼吸、心跳以及磁场发生器的颤动对导航精度的影响；本发明中利用两个五自由度的定位传感器合成一个六自由度定位传感器，成本较低，且可以在电磁定位系统中实时获取坐标，定位准确；本发明利用两个定位传感器特定的尺寸位置关系，可以获得电磁定位标记装置的原点，省去了上位机软件获取原点的一系列复杂位姿转换的编程工作。

附图说明

图1为电磁定位标记装置封装后的示意图；

图2为传感器安装定位块的结构示意图；

图3为电磁定位标记装置的内部剖视图；

图4为定位传感器的安装示意图；

图5为电磁定位标记装置的自身坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1～图5所示，本发明提供了一种电磁定位标记装置，其特征在于，传感器定位安装块1、盖合所述传感器定位安装块的上盖2、第一定位传感器5、第二定位传感器5，所述传感器定位安装块上还设置有供金属标记点活动嵌入定位孔104；所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6固定在所述传感器定位安装块内1，所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6和所述定位孔104的中心位于同一平面上，所述定位孔104设置在所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器5连线的中点处。下面对本发明提供的电磁定位标记装置展开详细说明。

如图1～图5所示，在本发明的一个实施例中，提供一种电磁定位标记装置，其包括：传感器定位安装块1、上盖2、护管3、传感器引线4、第一定位传感器5、第二定位传感器6。将第一定位传感器5、第二定位传感器6放置完成后，传感器引线4通过传感器安装定位块1的一端引出，并由护管3进行保护，最后将上盖2扣在传感器定位安装块1的顶部，进行密封处理。金属标记点7嵌入传感器定位安装块内配套使用。

在本方发明的一个实施例中，所述传感器安装块1还设置有第一定位传感器安装槽102和第二定位传感器安装槽103，所述第一定位传感器安装槽102和第二定位传感器安装槽103的至少一端与所述传感器定位安装块边缘连通形成出线口；所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器分6别安装在所述第一定位传感器安装槽102、第二定位传感器安装槽103中，所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6的引线从出线口穿出。

本发明的另一个实施例中，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽102、第二定位传感器安装槽103、出线槽101；

所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6分别安装在所述第一定位传感器安装槽102、第二定位传感器安装槽103中，所述第一定位传感器安装槽102与第二定位传感器安装槽103相交；所述出线槽101的一端与所述第一定位传感器安装槽102和第二定位传感器安装槽103的交点处相连接，另一端与所述传感器定位安装块1边缘连通形成出线口；所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6的引线经所述出线槽从出线口穿出。第一定位传感器安装槽102、第二定位传感器安装槽103中和出线槽101组成Y形槽。如图2所示，为了使第一定位传感器5、所述第二定位传感器6合成6自由度传感器，Y型槽的第一定位传感器安装槽102与第二定位传感器安装槽103设制成90度，在它们的交汇点还设置有出线槽101。如图3所示，在使用前，将第一定位传感器5放置在第一定位传感器安装槽102内，第二定位传感器6放置在第二定位传感器安装槽103内。第一定位传感器5和第二定位传感器6固定后，其末端引线通过出线槽101从护管3中穿出，焊接到连接器上。

该传感器安装定位块1的中心还设置有定位孔104。第一定位传感器5和第二定位传感器6为五自由度传感器，将第一定位传感器5放置在在第一定位传感器安装槽102内，优选用胶粘接；第二定位传感器6放置在第二定位传感器安装槽103内，优选也用胶粘接。第一定位传感器5和第二定位传感器6放置的位置必须符合以下条件：(1)安装高度一致，即中心截面在同一平面上；(2)第一定位传感器5和第二定位传感器6的中心连线，其中点在定位孔104的位置，如图4所示。所述金属标记点7与传感器定位安装块1上的定位孔104大小一致，可方便的嵌入和拔出，所述金属标记点嵌入定位孔104后，如图2所示，金属标记点的头端701与第一定位传感器5、第二定位传感器6的高度平齐。

通过以上所述安装固定方法，利用两个五自由度的定位传感器合成了一个六自由度的电磁定位传感器。具体地，利用两个5自由度的数据量，结合两个传感器相对90度的位置量，利用数学向量计算公式得出单一6自由度传感器数据量。本发明采用两个五自由度定位传感器相比一个六自由度定位传感器成本要低很多。该六自由度电磁定位传感器的X方向与Y方向分别与第一定位传感器5和第二定位传感器6平行，Z方向垂直于XY平面。也即金属标记点7头端701的中心。

本发明通过两个五自由度定位传感器按90度位姿组装，利用两个定位传感器的特定的尺寸位置关系，由几何关系获知其坐标原点及坐标系方向，并在其坐标原点处安装金属标记点。从而可以直接获得电磁定位标记装置的原点，即其原点与金属标记点的头端701的中心重合。将两个5自由度传感器呈90度垂直摆放，两个传感器获得的数据是各自传感器中心的坐标和方向量，利用NDI系统转换方法得出所求6自由度传感器的坐标位置是两个5自由度传感器中心连线的中点位置，方向量是由上述两个传感器方向量数据根据向量公式转换得到。不需要通过上位机任何的位置变换即获得了该固定的坐标原点，从而省去了上位机软件对获取电磁定位标记装置的原点一系列复杂的位姿转换的编程工作。

为进一步体现上述电磁定位标记装置的优越性，本发明还提供一种电磁定位系统，应用了上述的电磁定位标记装置，该系统包括：多个电磁定位标记装置、多个金属标记点7和控制器；所述多个电磁定位标记装置与所述控制器连接；所述多个金属标记点7嵌入所述多个电磁定位标记装置的定位孔104；控制器获取所述每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6的坐标，所述控制器根据获取的每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6的坐标计算得到所述多个金属标记点7的电磁坐标。下面对本发明提供的电磁定位标记系统展开详细的描述。

本发明又提供了一种电磁定位标记系统，包括：电磁定位标记装置、金属标记点7和控制器。金属标记点7与电磁定位标记装置配套使用。金属标记点7的底部可以用胶贴在人体皮肤表面。在手术之前，将三个金属标记点7贴在病人的皮肤表面，完成CT扫描。手术时，使用与多个金属标记点相同数量的电磁定位标记装置，将多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置。控制器获取所述每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6的坐标，所述控制器根据获取的每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器5、所述第二定位传感器6的坐标计算得到所述多个金属标记点7的电磁坐标。多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记时所述金属标记点的上表面与所述定位孔的中心位置重合。

在本发明中，连接电磁定位标记装置与控制器时，所述第一定位传感器5和第二定位传感器6固定后，其末端引线从护管3中穿出，焊接到连接器上。上盖2扣在传感器定位安装块的顶部，进行密封处理。电磁定位标记装置通过连接器连接控制器。

三个金属标记点在图像系统坐标系中的坐标位置已知，利用电磁定位系统，自动获取三个金属标记点在电磁定位系统坐标系的坐标，由计算机实现坐标系的建立和相对转换，(具体地，根据NDIAurora电磁跟踪系统自身坐标系得到的位置数据，经过矩阵乘积转换得到计算机坐标系的位置数据)从而实现手术导航中，手术器械与人体在图像系统的相对位置与实际中的相对位置保持一致。

本发明通过利用电磁定位标记装置与金属标记点有固定的相对位置，有助于获取同一点(金属标记点)分别在电磁定位系统和图像系统的坐标，以帮助计算被标记物的空间坐标位置，从而免去手动注册获取该点(金属标记点)在电磁定位系统的坐标的工作。同时，只需要在手术前CT扫描时贴上金属标记点，手术时再贴扣上电磁定位标记装置即可，不会对CT扫描增加不必要的麻烦，简化了手术流程，提高了手术效率。

为进一步体现上述电磁定位标记装置的优越性，本发明还提供了一种电磁定位标记方法，应用权利要求上述的电磁定位标记装置，包括以下步骤：将多个金属标记点固定在人体合适位置；通过CT扫描获取多个金属标记点的图像坐标；使用与多个金属标记点相同数量的电磁定位标记装置，将多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置；获取所述多个金属标记点的电磁坐标；根据所述图像坐标和电磁坐标计算获取手术器械的空间坐标。下面对本发明提供的电磁定位标记方法展开详细的描述。

在本发明的一个实施例中，提供一种电磁定位标记方法，包括以下步骤：(1)分别将三个金属标记点贴在人体合适位置进行扫描，通过CT扫描获取所述金属标记点在图像系统坐标下的图像坐标；(2)使用与多个金属标记点相同数量的电磁定位标记装置，将多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置；获取所述金属标记点在电磁定位系统坐标系统下的电磁坐标；(3)根据所述图像坐标和电磁坐标计算获取手术器械的空间坐标。具体地，根据向量与转换矩阵乘积实现坐标系切换。

综上所述，本发明提供的一种电磁定位标记装置、电磁定位系统及方法，通过金属标记点与电磁定位标记装置分离使用，只需要在手术前CT扫描时贴上金属标记点，手术时再贴扣上电磁定位标记装置即可，不会对CT扫描增加不必要的麻烦，简化了手术流程，提高了手术效率；发明利用电磁定位标记装置代替手动标记注册物，省去了手动取点的工作；同时也消除手动取点不精确的影响，也减小了因为病人的移动、呼吸、心跳以及磁场发生器的颤动对导航精度的影响；本发明中利用两个五自由度的定位传感器合成一个六自由度定位传感器，成本较低，且可以在电磁定位系统中实时获取坐标，定位准确；本发明利用两个定位传感器特定的尺寸位置关系，可以获得电磁定位标记装置的原点，省去了上位机软件获取原点的一系列复杂位姿转换的编程工作。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种电磁定位标记装置，其特征在于，包括：传感器定位安装块、盖合所述传感器定位安装块的上盖、第一定位传感器、第二定位传感器，所述传感器定位安装块上还设置有供金属标记点活动嵌入定位孔；

所述第一定位传感器、所述第二定位传感器固定在所述传感器定位安装块内，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器和所述定位孔的中心位于同一平面上，所述定位孔设置在所述第一定位传感器、所述第二定位传感器连线的中点处。

2.如权利要求1所述的电磁定位标记装置，其特征在于，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器是5自由度的电磁定位传感器。

3.如权利要求1所述的电磁定位标记装置，其特征在于，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽和第二定位传感器安装槽，所述第一定位传感器安装槽和第二定位传感器安装槽的至少一端与所述传感器定位安装块边缘连通形成出线口；所述第一定位传感器、所述第二定位传感器分别安装在所述第一定位传感器安装槽、第二定位传感器安装槽中，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的引线从出线口穿出。

4.如权利要求1所述的电磁定位标记装置，其特征在于，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽、第二定位传感器安装槽、出线槽；

所述第一定位传感器、所述第二定位传感器分别安装在所述第一定位传感器安装槽、第二定位传感器安装槽中，所述第一定位传感器安装槽与第二定位传感器安装槽相交；所述出线槽的一端与所述第一定位传感器安装槽与第二定位传感器安装槽的交点处相连接，另一端与所述传感器定位安装块边缘连通形成出线口；

所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的引线经所述出线槽从出线口穿出。

5.如权利要求4所述的电磁定位标记装置，其特征在于，所述传感器安装块还设置有第一定位传感器安装槽、第二定位传感器呈90度夹角。

6.如权利要求4所述的电磁定位标记装置，其特征在于，还包括护管，护管的一端固定在出线槽内另一端伸出所述出线口，所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的引线经所述护管从出线口穿出。

7.如权利要求1所述的电磁定位标记装置，其特征在于，所述上盖密封所述传感器安装块。

8.一种电磁定位系统，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述多个电磁定位标记装置、多个金属标记点和控制器；

所述多个电磁定位标记装置与所述控制器连接；

所述多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置的定位孔；

控制器获取所述每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的坐标，所述控制器根据获取的每个电磁定位标记装置中所述第一定位传感器、所述第二定位传感器的坐标计算得到所述多个金属标记点的电磁坐标。

9.如权利要求8所述的电磁定位标记装置，其特征在于，所述金属标记点的上表面与所述定位孔的中心位置重合。

10.一种电磁定位标记方法，应用权利要求1～7所述的电磁定位标记装置，其特征在于，包括以下步骤：

将多个金属标记点固定在人体合适位置；

通过CT扫描获取多个金属标记点的图像坐标；

使用与多个金属标记点相同数量的电磁定位标记装置，将多个金属标记点嵌入所述多个电磁定位标记装置；

获取所述多个金属标记点的电磁坐标；

根据所述图像坐标和电磁坐标计算获取手术器械的空间坐标。