CN105902312A - 一种手术导航工具的标定方法 - Google Patents

Abstract

一种手术导航工具的标定方法，它属于手术导航领域。它采用的标定方法是：1)、将尖端固定在一个点；2)、固定该点，向任意方向转动手术器械，同时令追踪器对手术器械的位置和方向信息进行采样；3)、计算尖端的位置和误差；4)、接受误差，结束标定；或者拒绝误差，重新进行标定；5)、固定手术器械的主轴；6)、围绕主轴旋转手术器械，同时对位置和方向进行采样；7)、计算主轴的方向；本发明通过以主轴为旋转轴进行旋转，传感器进行多次采样，循环校正，保证了标定的精度；适用于各种6自由度的导航传感器及各个类型的手术器械的尖端、轴线的标定，同时还可以兼容任何6自由度的导航工具。

Description

一种手术导航工具的标定方法

技术领域

本发明属于手术导航领域，具体涉及一种手术导航工具的标定方法。

背景技术

众所周知，不同手术器械厂家所生产的工具尺寸有很大区别，通常手术导航器械的形状、尺寸、追踪器的位置都是严格定义的。导航过程中，导航系统根据这些精确的信息计算出手术器械的位置以及方向。然而，这种高度的定制性限制了手术导航的广泛应用。手术器械的种类很多，为每种器械都定制追踪器成本很高。

专利CN201389080Y公布了一种手术导航器械的通用标准模块，然而该专利所描述的标定模块只能局限于光学导航设备，不能标定电磁导航设备。另外，该模块在标定主轴的时候，需要手动将工具摆放到固定的位置，该方法有很大的局限性，如果手术器械的体积较大，形状不规则，造成传感器方向与轴线方向偏离过大，使用该方法会造成很大的误差。

综上所述，将手术器械用于手术导航的过程中，导航系统需要获得手术器械的尖端位置信息以及轴线方向的信息。因此，需要一种方法帮助医生标定追踪传感器和手术器械的位置关系。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种手术导航工具的标定方法，它通过以主轴为旋转轴进行旋转，传感器进行多次采样，循环校正，保证了标定的精度；适用于各种6自由度的导航传感器及各个类型的手术器械的尖端、轴线的标定，同时还可以兼容任何6自由度的导航工具。

为实现上述目的，本发明采用的标定方法是：

1)、将尖端固定在一个点；

2)、固定该点，向任意方向转动手术器械，同时令追踪器对手术器械的位置和方向信息进行采样；

3)、计算尖端的位置和误差；

4)、接受误差，结束标定；或者拒绝误差，重新进行标定；

5)、固定手术器械的主轴；

6)、围绕主轴旋转手术器械，同时对位置和方向进行采样；

7)、计算主轴的方向。

本发明有益效果为：通过以主轴为旋转轴进行旋转，传感器进行多次采样，循环校正，保证了标定的精度；适用于各种6自由度的导航传感器及各个类型的手术器械的尖端、轴线的标定，同时还可以兼容任何6自由度的导航工具。

附图说明

图1是本发明标定方法计算的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参看如图1所示，本具体实施方式采用以下标定方法：

1)、将尖端固定在一个点；

2)、固定该点，向任意方向转动手术器械，同时令追踪器对手术器械的位置和方向信息进行采样；

3)、计算尖端的位置和误差；

4)、接受误差，结束标定；或者拒绝误差，重新进行标定；

5)、固定手术器械的主轴；

6)、围绕主轴旋转手术器械，同时对位置和方向进行采样；

7)、计算主轴的方向。

本具体实施方式从追踪传感器传回的位置和方向信息可以表示为：[R_i，t_i]；首先计算手术器械尖端的平移变换，表示为t_fixed；待标定的工具绕着目标点任意转动，得到一系列的采样点；从传感器的坐标和方向得到目标点的方法可以表示为：R_it_tip+t_i＝t_fixed。其中的未知量为t_tip和t_fixed。

$\left[\begin{array}{ccc}\begin{array}{c}{R}_0\\ R_n\end{array}& ...& \begin{array}{c}-I\\ -I\end{array}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t}_{tip}\\ t_{fixed}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-t_0\\ -t_n\end{array}\right]$

通过最小二乘法求伪逆矩阵，可以得到t_tip，然后计算传感器到手术工具轴线的旋转矩阵，表示为R_rot，主轴方向信息表示为R_axe。

所述的传感器到手术工具轴线的旋转矩阵的旋转过程可以表示为：R_rotR_i＝R_axe。

本具体实施方式通过以主轴为旋转轴进行旋转，传感器进行多次采样，循环校正，保证了标定的精度；适用于各种6自由度的导航传感器及各个类型的手术器械的尖端、轴线的标定，同时还可以兼容任何6自由度的导航工具。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种手术导航工具的标定方法，其特征在于它采用的标定方法是：

1)、将尖端固定在一个点；

2)、固定该点，向任意方向转动手术器械，同时令追踪器对手术器械的位置和方向信息进行采样；

3)、计算尖端的位置和误差；

4)、接受误差，结束标定；或者拒绝误差，重新进行标定；

5)、固定手术器械的主轴；

6)、围绕主轴旋转手术器械，同时对位置和方向进行采样；

7)、计算主轴的方向。

2.根据权利要求1所述的一种手术导航工具的标定方法，其特征在于标定方法步骤中从追踪传感器传回的位置和方向信息可以表示为：[R_i，t_i]。

3.根据权利要求1所述的一种手术导航工具的标定方法，其特征在于标定方法步骤中首先计算手术器械尖端的平移变换，表示为t_fixed；待标定的工具绕着目标点任意转动，得到一系列的采样点。

4.根据权利要求1所述的一种手术导航工具的标定方法，其特征在于标定方法步骤中从传感器的坐标和方向得到目标点的方法可以表示为：R_it_tip+t_i＝t_fixed；其中的未知量为t_tip和；

$\left[\begin{array}{ccc}\begin{array}{c}{R}_0\\ R_n\end{array}& \mathrm{...}& \begin{array}{c}-I\\ -I\end{array}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{t}_{tip}\\ t_{fixed}\end{array}\right]=\[\begin{array}{c}-t_0\\ -t_n\end{array}\]$

通过最小二乘法求伪逆矩阵，可以得到t_tip，然后计算传感器到手术工具轴线的旋转矩阵，表示为R_rot，主轴方向信息表示为R_axe。

5.根据权利要求4所述的一种手术导航工具的标定方法，其特征在于标定方法步骤中所述的传感器到手术工具轴线的旋转矩阵的旋转过程可以表示为：R_rotR_i＝R_axe。