CN107874832A - 骨科手术器械导航系统及方法 - Google Patents

骨科手术器械导航系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种骨科手术器械导航系统及方法，该系统包括：至少两个近红外相机，用于在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点；计算模块，用于根据近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到近红外发光标记点的三维位置坐标；位置确定模块，用于根据得到的近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定手术器械和动态基准的位置；显示模块，显示手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。本发明能够精确定位手术器械的术中位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，能有效提高手术成功率，且该系统操作简便，能够运用在任意骨头患处，适用性高。

Description

骨科手术器械导航系统及方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种骨科手术器械导航系统及方法。
背景技术
传统骨科手术主要依靠医生经验以及术中多次X光照射，反复确认患处治疗情况以完成手术，这对医生的操作要求高且过度依赖医生经验，但是手术跟踪精准性和可靠性不高，手术风险较大。另外，术中反复照射X光也会让病人和医生受到过量的辐射伤害。
针对以上问题，目前相关技术通过手术导航的方式实时跟踪手术器械，指导手术进行，从而一定程度上降低了医生的操作难度及手术的风险，但都存在一定的局限性。例如：相关技术公开的一种手术导航系统(中国专利申请号：200710066724.6)，该系统必须依赖髓内钉，通过确定手术器械与髓内钉相对位置的方法指导手术，然而该系统只能用于封闭式髓内钉的骨折复原手术。另一种手术导航系统(中国专利申请号：200910082110.6)，是通过结构光扫描骨头表面进行配准，从而指导手术进行。在手术过程中，由于骨头表面存在的血水、组织的使得配准必然存在较大误差，影响手术精度。另外，通过骨头表面形状进行配准的前提是骨头表面特征明显，因此该技术的应用也局限于脊柱手术当中。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种骨科手术器械导航系统，该系统能够精确定位手术器械的术中位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，能有效提高手术成功率，且该系统操作简便，能够运用在任意骨头患处，适用性高。
本发明的另一个目的在于提出一种骨科手术器械导航方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种骨科手术器械导航系统，包括：至少两个近红外相机，用于在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，其中，所述手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点；计算模块，用于根据所述近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到所述近红外发光标记点的三维位置坐标；位置确定模块，用于根据得到的所述近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定所述手术器械和动态基准的位置；显示模块，用于显示所述手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。
另外，根据本发明上述实施例的骨科手术器械导航系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，还包括：标定模块，用于对所述近红外相机进行标定，具体包括：将多个近红外发光标记点等间距布置在预设标定板上；根据已经标定好的常规双目测量平台在暗室中测量所述预设标定板上各个近红外发光标记点的三维位置，并将得到的所述三维位置作为已知结果以对所述近红外相机进行标定。
在一些示例中，还包括：图像处理模块，用于对所述近红外相机获取的所述近红外发光标记点的图像进行处理，得到相应的分割阈值，并根据所述分割阈值对所述图像进行分割，提取其中与所述近红外发光标记点相关的有效信息。
在一些示例中，还包括：识别模块，用于根据设置在所述手术器械上的近红外发光标记点之间的距离进行编码，以识别所述手术器械的类型。
在一些示例中，还包括：注册模块，用于对所述手术器械进行注册，以得到手术器械尖端的位置，具体包括：将手术器械尖端位置固定不变，并将所述手术器械绕着手术器械尖端进行旋转，得到每个时刻所述手术器械的位置对应的坐标系，并通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系确定所述手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标。
在一些示例中，还包括：配准模块，用于将所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，并显示配准后的图像，具体包括：获取骨科CT拍摄得到的患处骨头CT图像，其中，所述动态基准临近固定在所述患处骨头处；根据固定在所述骨科CT上的近红外标记点，基于CT的成像原理得到患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点，建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据所述患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系，及所述手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系，得到所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系；根据所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系，得到所述手术器械与患处骨头CT图像之间的位置关系，并显示所述位置关系。
根据本发明实施例的骨科手术器械导航系统，通过预设的近红外标定板，能够实现近红外相机的精确标定，提高了标定精度，从而保证了系统的精确性；通过特定的导航定位算法以及手术器械识别注册算法为手术器械的跟踪定位提供了有效保障，进而保证了系统能够正常运行；通过图像分割技术，使得数据传输的压力极大的降低，提高了数据传输效率，保证了数据传输的实时性和可靠性；通过图像配准算法使得系统能够运用在任意骨头患处，减少了使用的局限性，同时也使得配准精度得到提高，操作更为简便。即该系统能够精确定位手术器械的术中位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，且该系统操作简便，极大降低了医生的操作难度，能有效提高手术成功率，并能够运用在任意骨头患处，适用性更广。
为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种骨科手术器械导航方法，包括以下步骤：在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，其中，所述手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点；根据所述近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到所述近红外发光标记点的三维位置坐标；根据得到的所述近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定所述手术器械和动态基准的位置；显示所述手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。
另外，根据本发明上述实施例的骨科手术器械导航方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，在计算所述近红外发光标记点的三维位置坐标之前，还包括：对所述近红外相机进行标定，具体包括：将多个近红外发光标记点等间距布置在预设标定板上；根据已经标定好的常规双目测量平台在暗室中测量所述预设标定板上各个近红外发光标记点的三维位置，并将得到的所述三维位置作为已知结果以对所述近红外相机进行标定。
在一些示例中，在获取到所述近红外发光标记点的图像之后，还包括：对所述近红外发光标记点的图像进行处理，得到相应的分割阈值，并根据所述分割阈值对所述图像进行分割，提取其中与所述近红外发光标记点相关的有效信息。
在一些示例中，还包括：根据设置在所述手术器械上的近红外发光标记点之间的距离进行编码，以识别所述手术器械的类型。
在一些示例中，还包括：对所述手术器械进行注册，以得到手术器械尖端的位置，具体包括：将手术器械尖端位置固定不变，并将所述手术器械绕着手术器械尖端进行旋转，得到每个时刻所述手术器械的位置对应的坐标系，并通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系确定所述手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标。
在一些示例中，还包括：将所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，并显示配准后的图像，具体包括：获取骨科CT拍摄得到的患处骨头CT图像，其中，所述动态基准临近固定在所述患处骨头处；根据固定在所述骨科CT上的近红外标记点，基于CT的成像原理得到患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点，建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据所述患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系，及所述手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系，得到所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系；根据所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系，得到所述手术器械与患处骨头CT图像之间的位置关系，并显示所述位置关系。
根据本发明实施例的骨科手术器械导航方法，通过预设的近红外标定板，能够实现近红外相机的精确标定，提高了标定精度，从而保证了系统的精确性；通过特定的导航定位算法以及手术器械识别注册算法为手术器械的跟踪定位提供了有效保障，进而保证了系统能够正常运行；通过图像分割技术，使得数据传输的压力极大的降低，提高了数据传输效率，保证了数据传输的实时性和可靠性；通过图像配准算法使得系统能够运用在任意骨头患处，减少了使用的局限性，同时也使得配准精度得到提高，操作更为简便。即该方法能够精确定位手术器械的术中位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，且该方法操作简便，极大降低了医生的操作难度，能有效提高手术成功率，并能够运用在任意骨头患处，适用性更广。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的骨科手术器械导航系统的结构框图；
图2是根据本发明一个实施例的骨科手术器械导航系统的整体结构框图；
图3是根据本发明一个具体实施例的骨科手术器械导航系统的详细结构示意图；
图4是根据本发明一个具体实施例的科手术器械导航系统的工作流程示意图；
图5是根据本发明一个具体实施例的导航定位算法原理示意图；
图6是根据本发明一个具体实施例的近红外标定板示意图；
图7是根据本发明一个具体实施例的图像压缩传输示意图；
图8是根据本发明一个具体实施例的手术器械识别与注册原理示意图；
图9根据本发明一个具体实施例的骨科手术器械导航系统中各个坐标系的示意图；
图10是根据本发明一个实施例的骨科手术器械导航方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的骨科手术器械导航系统及方法。
图1是根据本发明一个实施例的骨科手术器械导航系统的结构框图。如图1所示，该系统100包括：至少两个近红外相机110、计算模块120、位置确定模块130和显示模块140。
其中，至少两个近红外相机110用于在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，其中，手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点。也即是说，在手术器械及动态基准上分别预先设置至少三个近红外发光标记点，其中，动态基准例如固定在患处骨头处。
计算模块120用于根据近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到近红外发光标记点的三维位置坐标。在具体实施例中，该模块例如可通过计算机中特定软件来实现。
位置确定模块130用于根据得到的近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定手术器械和动态基准的位置。在具体实施例中，该模块例如可通过计算机中特定软件来实现。
显示模块140用于显示手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。
换言之，即该系统100通过近红外相机110捕捉手术器械以及动态基准上的多个近红外发光点，通过双目视觉原理计算得到发光标记点的三维位置坐标，进而得到实时手术器械以及动态基准的位置，并显示得到的实时手术器械以及动态基准的位置，从而可以指导手术顺利进行。
具体地，在本发明的一个实施例中，通过双目视觉原理计算得到发光标记点的三维位置坐标，即本发明实施例中的近红外导航定位算法，通过多个近红外相机110实时跟踪拍摄近红外发光标记点，利用双目视觉原理重建标记点的三维位置。以双目相机为例，假设发光点P的世界坐标为(xg,yg,zg,1)，它在左右相机坐标系下的坐标为(xl,yl,zl,1)和(xr,yr,zr,1)，根据经典的小孔成像原理可有：
其中，
Mlg，Mrg分别对应相机的左右矩阵，通过相机标定获得。左相机的像素坐标为(ul,vl,1)，右相机的像素坐标为(ur,vr,1)，相机的像素坐标与相机坐标系下坐标之间的关系为：
Ql(ul vl 1)T＝(xl yl zl 1)T,
Qr(ur vr 1)T＝(xr yr zr 1)T
Ql,Qr是像素坐标系与相机坐标系之间的转换矩阵，联立上述方程，最终可以得到发光点世界坐标与像素坐标之间的关系：
进而，通过最小二乘法计算得到发光点世界坐标的最优值。需要说明的是，当采用更多相机时，方程组的方程数目更多，可以得到更为精确的结果，计算方法与上述过程类似，此处不再赘述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该系统100还包括标定模块150。
标定模块150用于对近红外相机进行标定，具体包括：将多个近红外发光标记点等间距布置在预设标定板上；根据已经标定好的常规双目测量平台在暗室中测量预设标定板上各个近红外发光标记点的三维位置，并将得到的三维位置作为已知结果以对近红外相机进行标定。
具体地说，近红外发光标记点的三维坐标重建需要用到近红外相机110的标定结果，但近红外相机110的标定不同于普通相机，无法拍摄常规的棋盘图像，进而无法采用张正友棋盘标定法进行标定，获得精确的标定结果。为了克服这一困难，本发明的实施例专门设计了一种近红外标定板。将近红外发光标记点等间距的布置在该近红外标定板上，利用标记点取代棋盘角点。由于普通常规相机对近红外线也存在响应，因此利用已经标定好的常规双目测量平台在暗室中精确测量近红外标定板上各个标记点的三维位置，然后将其作为已知结果标定近红外相机，得到精确的标定结果，用于导航定位的三维重建。
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该系统100还包括图像处理模块160。图像处理模块160用于对近红外相机110获取的近红外发光标记点的图像进行处理，得到相应的分割阈值，并根据分割阈值对图像进行分割，提取其中与近红外发光标记点相关的有效信息。
具体地说，为了保证手术器械跟踪的实时性，需要提高相机采集图像的传输速度。考虑到近红外相机110所拍摄图像中的有效部分仅为标记点部分，它只占整个图像的极小部分，只需要将这部分信息传输给上位机(如包括计算模块120)即可。因此在自制相机中，首先利用诸如FPGA等对图像进行处理，采用最大类间阈值分割技术在底层对图像进行处理，提取有效信息，然后通过USB端口等进行数据传输，极大的减少了数据传输量，保证了跟踪的实时性。其中，最大类间阈值分割技术具体为：对近红外相机110获取的近红外发光标记点的图像进行处理，根据图像灰度特性得到统计直方图，经过分析自动得到相应的分割阈值，并根据分割阈值对图像进行分割，提取其中与近红外发光标记点相关的有效信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该系统100还包括识别模块170。识别模块170用于根据设置在手术器械上的近红外发光标记点之间的距离进行编码，以识别手术器械的类型。
具体地说，本发明实施例的骨科手术器械导航系统的核心就在于对手术器械的跟踪和定位，因此在手术器械上设置至少三个近红外发光标记点，通过近红外相机110捕捉重建标记点的三维位置。根据手术器械上标记点之间的距离不同进行编码，从而完成不同手术器械之间的识别，以便于用户进行相应操作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该系统100还包括注册模块180。注册模块180用于对手术器械进行注册，以得到手术器械尖端的位置，具体包括：将手术器械尖端位置固定不变，并将手术器械绕着手术器械尖端进行旋转，得到每个时刻手术器械的位置对应的坐标系，并通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系确定手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标。
具体地说，在实际手术过程中，用户最为关心手术器械尖端的位置，但是在尖端无法布置标记点，因此需要提前完成手术器械注册，获得尖端的位置坐标。实际注册操作中，固定手术器械尖端位置不变，将手术器械绕着尖端进行旋转，获得不同旋转位置下手术器械标记点位置。具体例如：假设手术器械从位置L1变换到L2，根据标记点可以建立各自的坐标系O1,O2，通过计算可以得到坐标系O1到O2的旋转平移矩阵分别为R12和R12，手术器械尖端位置坐标为Po＝[xo yo zo]T，不同坐标系下尖端位置坐标不变，因此尖端坐标有如下关系：
Po＝R12·Po+T12
变换上式可以得到手术器械尖端的位置坐标关系：
Po＝(I-R12)-1·T12
其中，I为单位矩阵。
需要说明的是，在实际操作过程中可以采集多幅图像，计算多个旋转平移矩阵，最终通过最小二乘法获得更为精确的尖端位置坐标，完成手术器械注册，此处不再一一列举赘述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图2所示，该系统100还包括配准模块190。
配准模块190用于将手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，并显示配准后的图像，具体包括：获取骨科CT拍摄得到的患处骨头CT图像，其中，动态基准临近固定在患处骨头处；根据固定在骨科CT上的近红外标记点，基于CT的成像原理得到患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点，建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系，及手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系，得到手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系；根据手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系，得到手术器械与患处骨头CT图像之间的位置关系，并显示该位置关系，从而便于医生直观观察。
具体地说，骨科手术器械导航系统能够指导手术进行，就必须将实时手术器械位置显示在患处骨头三维图像上，从而便于医生直观观察，这就需要将手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，实现统一。具体配准过程如下：在手术过程中，将动态基准固定在患处骨头附近，利用特制的可移动骨科CT进行拍摄，获取患处骨头三维图像。拍摄中，通过固定在骨科CT上的近红外发光标记点以及动态基准，计算得到二者坐标系之间的关系。然后根据CT的成像原理可以得到CT图像坐标系与动态基准之间的关系。拍摄完成之后移开骨科CT，开始手术过程，此时通过近红外相机可以捕捉手术器械以及动态基准上的标记点，从而建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的联系，再利用动态基准与CT图像坐标系之间的关系，最终就可以得到手术器械与CT图像之间的位置关系，从而指导手术进行。
需要说明的是，如上所述，在配准模块190的配准过程中，动态基准临近固定在患处骨头处。也即是说，在术前获取患处骨头CT图像以及术中进行实时手术导航这一整个过程中，需要保持动态基准与患处骨头相对位置不变。
综上，本发明的实施例通过特制的近红外标定板，能够实现近红外相机的精确标定，提高了标定精度，这是保证手术导航系统精确性的前提；特定的导航定位算法以及手术器械识别注册算法为手术器械的跟踪定位提供了可能，保证了整套系统能够正常运行；特有的图像压缩技术，使得数据传输的压力极大的降低，保证了数据传输的实时性和可靠性；自主开发的图像配准算法使得骨科手术导航系统能够运用在任意骨头患处，减少了使用的局限性，同时也使得配准精度得到提高，操作更为简便，进而提高了整套系统的精度。进而，使得该系统精度更高，适应性更广，操作更为简便，极大降低了医生的操作难度，能够提高手术的成功率。
为了便于更好地理解本发明的骨科手术器械导航系统，以下结合附图及具体的实施例，对该系统进行进一步详细描述。
在本实施例中，例如图3和图6所示，该骨科手术器械导航系统涉及到的模块及部件例如包括：手术器械1、近红外发光标记2、计算机3、近红外相机4、近红外相机支架5、手术台6、患者7、动态基准8、可移动式骨科CT 9、近红外相机标定板10。其中，诸如计算模块、位置确定模块、显示模块、图像处理模块、识别模块、注册模块、配准模块等例如集成在计算机3上，以通过计算机3中特定的软件来实现其相应的功能。
具体地，在本实施例中，结合图3所示，在该系统中，可移动式骨科CT9用于获取患者7骨头患处的三维CT图像。为了便于CT图像与手术器械位置之间的配准，在可移动式骨科CT 9上设置了近红外发光标记点2。另外，为了方便跟踪，在手术器械1以及动态基准8上同样放置了近红外发光标记2。需要说明的是，在本实施例中，本系统中近红外相机4至少需要两个，通过支架5连接，为了提高精度，相机数量可以更多。同样的，分别放置在可移动式骨科CT 9、动态基准8以及手术器械1上的近红外发光标记点2至少需要包含三个，才能确立可移动式骨科CT 9、动态基准8以及手术器械1的坐标系，为了提高精度，近红外发光标记点2可以设置更多。
基于此，结合图4所示，该骨科手术器械导航系统的正常工作流程包含术前预处理以及术中实时处理两部分。在术前需要对近红外双目相机4进行标定，获得相机精确参数，用于近红外发光标记点2的三维坐标重建。另外，还需要对手术中需要使用的手术器械1进行识别注册处理，保证系统能够识别所采用的手术器械1，方便跟踪。在正式手术开始前，医生需要将动态基准8固定在患者7的骨头患处，以便在术前获取患处骨头CT图像以及术中进行实时手术导航这一整个过程中，保持动态基准与患处骨头相对位置不变，然后通过带有近红外发光标记2的可移动式骨科CT 9进行拍摄，获得患处骨头三维图像。在拍摄三维图像的同时，通过近红外相机4获取近红外发光标记2的图像，通过标定得到的相机参数重建近红外发光标记2的三维坐标，建立坐标系，确定可移动式骨科CT 9与动态基准8之间的坐标系关系，最终将三维CT图像坐标系与动态基准坐标系进行配准，最终通过动态基准8将手术器械1与三维CT图像联系起来，达到实时导航的目的。术前预处理完成之后就可以正式开始手术过程。在手术过程中，通过近红外相机4实时获取术中图像，通过初步的图像处理，获得清晰的近红外发光标记2的图像，将图片中的有效信息进行压缩上传至上位机，上位机接收数据之后根据提前定好的协议对图像进行还原，提取近红外发光标记2的二维图像亚像素坐标，通过相机的标定参数对近红外发光标记2进行三维重建，得到手术器械1以及动态基准8的坐标系，再利用预处理过程中得到的配准关系确定手术器械1在三维CT图像中的实时位置和方向，进而，医生通过观察手术器械的方位调整手术进程，从而达到实时手术导航的目的。
具体地说，在本实施例中，如图5所示，手术器械1中的近红外发光标记点P在世界坐标系OgXgYgZg中坐标为(xg,yg,zg,1)，在左相机坐标系OlXlYlZl以及右相机坐标系OrXrYrZr中的坐标为(xl,yl,zl,1)和(xr,yr,zr,1)。根据双目成像原理，理论上左右相机引出的视线OlP与OrP交与一点P，从而可以完全确立P点坐标。但由于误差的存在，两条视线不会完全相交，因此需要通过最小二乘法确定最优解，当相机数量增加时，可以增加优化的方程，从而获得更为精确的三维坐标。
进一步地，在本实施例中，如图6所示，近红外标定板10是将多个近红外发光标记2固定在一块平板之上，将近红外发光标记2取代棋盘角点，虽然示意图中所画的近红外发光标记2有49个，但实际上的数量可以根据具体情况而定，只要保证总数大于4个，但最好能保证发光点尽可能多的占据相机图像。近红外标定板10制作完成之后，需要在暗室中通过已经精确标定的常规双目测量装置测量近红外标定板10上各个发光点的位置信息，然后将其作为已知值标定近红外相机4。
进一步地，如图7所示，近红外相机4所采集的图像中只有各个发光点的位置及其周围信息为有效信息，其余大部分像素均为无效信息，因此传输过程中采用整幅图像传输会造成极大浪费，影响传输速度，甚至有可能在实时导航过程中出现延迟，影响手术进行。为此，在本实施例中，在图像传输之前首先采用FPGA对原始图像进行初步处理，获得合适的阈值，然后通过此阈值对图像进行分割，提取其中的有效信息，只将有效信息传递给上位机。上位机接收数据之后再根据制定好的协议将图像进行还原，然后开始后续操作。
进一步地，如图8所示，手术器械1上放置了近红外发光标记2，通过近红外相机4采集的图像可以重建出近红外发光标记2的三维坐标。以三个点为例，可以得到P1,P2,P3三个点的三维坐标。从而可以得到P1P2,P1P3,P2P3三条边的边长以及三个角的角度，通过边长、角度信息，然后查询事先对手术器械1的编码信息，就可以唯一确定手术器械1。多个标记点时，操作方法类似。在手术过程中用户更为关心的是手术器械尖端的位置，但实际操作中却没有办法在尖端布置近红外发光标记2，因此需要对手术器械1进行注册，获得尖端位置在手术器械坐标系中的坐标。注册过程中，将手术器械尖端位置固定在P0处，然后将手术器械绕P0转动，获得多幅图像，得到每个时刻手术器械的坐标系L1,L2,…，通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系以及P0点不变量就可以确定手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标，完成手术器械1的注册。
进一步地，如图9所示，患者骨头三维CT图像所在的坐标系为OXYZ，动态基准确定的坐标系为O1X1Y1Z1，移动式骨科CT所确定坐标系为O2X2Y2Z2，手术器械所确定坐标系为O3X3Y3Z3，近红外相机所确定坐标系为O4X4Y4Z4。术前获取CT图像时，根据CT成像原理，可以得到坐标系O与O2之间的旋转矩阵R2和平移向量T2；通过放置在可移动式骨科CT上以及动态基准上的近红外发光标记点可以确定坐标系O1和O2，并得到这两坐标系之间的旋转矩阵R12和平移向量T12，据此可知CT图像坐标系中任意一点坐标(x y z)T有如下关系：
其中(x2 y2 z2)T是坐标系O2中的点。坐标系O1与O2中的点关系如下：
综上可得CT图像坐标系O中的点与动态基准坐标系O1中的点的关系为：
在实时手术过程中通过设置在手术器械1上的近红外发光标记可以确定手术器械坐标系O3，另外近红外相机坐标系为O4。坐标系O3与O4之间的旋转矩阵和平移向量分别为R34和T34，动态基准坐标系O1与相机坐标系O4之间的旋转矩阵和平移向量分别为R14和T14，由此可得各个坐标系之间的坐标关系为：
综上可得手术器械坐标系中的点(x3 y3 z3)T与CT图像坐标中的点(x y z)T的关系为：
进而，在手术器械注册过程中，已知了手术器械尖端在手术器械坐标系O3中的位置坐标，那么根据上式可得其在CT图像坐标系中坐标，这样就完成手术器械坐标系与CT图像坐标系的配准，从而完成实时导航工作。
根据本发明实施例的骨科手术器械导航系统，通过预设的近红外标定板，能够实现近红外相机的精确标定，提高了标定精度，从而保证了系统的精确性；通过特定的导航定位算法以及手术器械识别注册算法为手术器械的跟踪定位提供了有效保障，进而保证了系统能够正常运行；通过图像分割技术，使得数据传输的压力极大的降低，提高了数据传输效率，保证了数据传输的实时性和可靠性；通过图像配准算法使得系统能够运用在任意骨头患处，减少了使用的局限性，同时也使得配准精度得到提高，操作更为简便。即该系统能够精确定位手术器械的术中位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，且该系统操作简便，极大降低了医生的操作难度，能有效提高手术成功率，并能够运用在任意骨头患处，适用性更广。
本发明的进一步实施例还提出了一种骨科手术器械导航方法。
图10是根据本发明一个实施例的骨科手术器械导航方法的流程图。如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，其中，手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点。也即是说，在手术器械及动态基准上分别预先设置至少三个近红外发光标记点，其中，动态基准例如固定在患处骨头处。具体地，例如通过至少两个近红外相机获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像。
步骤S2：根据近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到近红外发光标记点的三维位置坐标。
步骤S3：根据得到的近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定手术器械和动态基准的位置。
步骤S4：显示手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。
换言之，即该方法通过近红外相机捕捉手术器械以及动态基准上的多个近红外发光点，通过双目视觉原理计算得到发光标记点的三维位置坐标，进而得到实时手术器械以及动态基准的位置，并显示得到的实时手术器械以及动态基准的位置，从而可以指导手术顺利进行。
具体地，在本发明的一个实施例中，通过双目视觉原理计算得到发光标记点的三维位置坐标，即本发明实施例中的近红外导航定位算法，通过多个近红外相机实时跟踪拍摄近红外发光标记点，利用双目视觉原理重建标记点的三维位置。以双目相机为例，假设发光点P的世界坐标为(xg,yg,zg,1)，它在左右相机坐标系下的坐标为(xl,yl,zl,1)和(xr,yr,zr,1)，根据经典的小孔成像原理可有：
其中，
Mlg，Mrg分别对应相机的左右矩阵，通过相机标定获得。左相机的像素坐标为(ul,vl,1)，右相机的像素坐标为(ur,vr,1)，相机的像素坐标与相机坐标系下坐标之间的关系为：
Ql(ul vl 1)T＝(xl yl zl 1)T,
Qr(ur vr 1)T＝(xr yr zr 1)T
Ql,Qr是像素坐标系与相机坐标系之间的转换矩阵，联立上述方程，最终可以得到发光点世界坐标与像素坐标之间的关系：
进而，通过最小二乘法计算得到发光点世界坐标的最优值。需要说明的是，当采用更多相机时，方程组的方程数目更多，可以得到更为精确的结果，计算方法与上述过程类似，此处不再赘述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在计算近红外发光标记点的三维位置坐标之前，还包括：对近红外相机进行标定，具体包括：将多个近红外发光标记点等间距布置在预设标定板上；根据已经标定好的常规双目测量平台在暗室中测量预设标定板上各个近红外发光标记点的三维位置，并将得到的三维位置作为已知结果以对近红外相机进行标定。
具体地说，近红外发光标记点的三维坐标重建需要用到近红外相机的标定结果，但近红外相机的标定不同于普通相机，无法拍摄常规的棋盘图像，进而无法采用张正友棋盘标定法进行标定，获得精确的标定结果。为了克服这一困难，本发明的实施例专门设计了一种近红外标定板。将近红外发光标记点等间距的布置在该近红外标定板上，利用标记点取代棋盘角点。由于普通常规相机对近红外线也存在响应，因此利用已经标定好的常规双目测量平台在暗室中精确测量近红外标定板上各个标记点的三维位置，然后将其作为已知结果标定近红外相机，得到精确的标定结果，用于导航定位的三维重建。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在获取到近红外发光标记点的图像之后，还包括：对近红外发光标记点的图像进行处理，得到相应的分割阈值，并根据分割阈值对图像进行分割，提取其中与近红外发光标记点相关的有效信息。
具体地说，为了保证手术器械跟踪的实时性，需要提高相机采集图像的传输速度。考虑到近红外相机所拍摄图像中的有效部分仅为标记点部分，它只占整个图像的极小部分，只需要将这部分信息传输给上位机即可。因此在自制相机中，首先利用诸如FPGA等对图像进行处理，采用最大类间阈值分割技术在底层对图像进行处理，提取有效信息，然后通过USB端口等进行数据传输，极大的减少了数据传输量，保证了跟踪的实时性。其中，最大类间阈值分割技术具体为：对近红外相机获取的近红外发光标记点的图像进行处理，根据图像灰度特性得到统计直方图，经过分析自动得到相应的分割阈值，并根据分割阈值对图像进行分割，提取其中与近红外发光标记点相关的有效信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：根据设置在手术器械上的近红外发光标记点之间的距离进行编码，以识别手术器械的类型。
具体地说，本发明实施例的骨科手术器械导航方法的核心就在于对手术器械的跟踪和定位，因此在手术器械上设置至少三个近红外发光标记点，通过近红外相机捕捉重建标记点的三维位置。根据手术器械上标记点之间的距离不同进行编码，从而完成不同手术器械之间的识别，以便于用户进行相应操作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：对手术器械进行注册，以得到手术器械尖端的位置，具体包括：将手术器械尖端位置固定不变，并将手术器械绕着手术器械尖端进行旋转，得到每个时刻手术器械的位置对应的坐标系，并通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系确定手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标。
具体地说，在实际手术过程中，用户最为关心手术器械尖端的位置，但是在尖端无法布置标记点，因此需要提前完成手术器械注册，获得尖端的位置坐标。实际注册操作中，固定手术器械尖端位置不变，将手术器械绕着尖端进行旋转，获得不同旋转位置下手术器械标记点位置。具体例如：假设手术器械从位置L1变换到L2，根据标记点可以建立各自的坐标系O1,O2，通过计算可以得到坐标系O1到O2的旋转平移矩阵分别为R12和R12，手术器械尖端位置坐标为Po＝[xo yo zo]T，不同坐标系下尖端位置坐标不变，因此尖端坐标有如下关系：
Po＝R12·Po+T12
变换上式可以得到手术器械尖端的位置坐标关系：
Po＝(I-R12)-1·T12
其中，I为单位矩阵。
需要说明的是，在实际操作过程中可以采集多幅图像，计算多个旋转平移矩阵，最终通过最小二乘法获得更为精确的尖端位置坐标，完成手术器械注册，此处不再一一列举赘述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：将手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，并显示配准后的图像，具体包括：获取骨科CT拍摄得到的患处骨头CT图像，其中，动态基准临近固定在患处骨头处；根据固定在骨科CT上的近红外标记点，基于CT的成像原理得到患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点，建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系；根据患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系，及手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系，得到手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系；根据手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系，得到手术器械与患处骨头CT图像之间的位置关系，并显示位置关系。
具体地说，骨科手术器械导航方法能够指导手术进行，就必须将实时手术器械位置显示在患处骨头三维图像上，从而便于医生直观观察，这就需要将手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，实现统一。具体配准过程如下：在手术过程中，将动态基准固定在患处骨头附近，利用特制的可移动骨科CT进行拍摄，获取患处骨头三维图像。拍摄中，通过固定在骨科CT上的近红外发光标记点以及动态基准，计算得到二者坐标系之间的关系。然后根据CT的成像原理可以得到CT图像坐标系与动态基准之间的关系。拍摄完成之后移开骨科CT，开始手术过程，此时通过近红外相机可以捕捉手术器械以及动态基准上的标记点，从而建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的联系，再利用动态基准与CT图像坐标系之间的关系，最终就可以得到手术器械与CT图像之间的位置关系，从而指导手术进行。
需要说明的是，如上所述，在配准过程中，动态基准临近固定在患处骨头处。也即是说，在术前获取患处骨头CT图像以及术中进行实时手术导航这一整个过程中，需要保持动态基准与患处骨头相对位置不变。
需要说明的是，本发明实施例的骨科手术器械导航方法的具体实现方式与本发明实施例的骨科手术器械导航系统的具体实现方式类似，具体请参见系统部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
根据本发明实施例的骨科手术器械导航方法，通过预设的近红外标定板，能够实现近红外相机的精确标定，提高了标定精度，从而保证了系统的精确性；通过特定的导航定位算法以及手术器械识别注册算法为手术器械的跟踪定位提供了有效保障，进而保证了系统能够正常运行；通过图像分割技术，使得数据传输的压力极大的降低，提高了数据传输效率，保证了数据传输的实时性和可靠性；通过图像配准算法使得系统能够运用在任意骨头患处，减少了使用的局限性，同时也使得配准精度得到提高，操作更为简便。即该方法能够精确定位手术器械的术中位置，为骨科手术提供精确可靠的导航，且该方法操作简便，极大降低了医生的操作难度，能有效提高手术成功率，并能够运用在任意骨头患处，适用性更广。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (12)

1.一种骨科手术器械导航系统，其特征在于，包括：
至少两个近红外相机，用于在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，其中，所述手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点；
计算模块，用于根据所述近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到所述近红外发光标记点的三维位置坐标；
位置确定模块，用于根据得到的所述近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定所述手术器械和动态基准的位置；
显示模块，用于显示所述手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。
2.根据权利要求1所述的骨科手术器械导航系统，其特征在于，还包括：
标定模块，用于对所述近红外相机进行标定，具体包括：
将多个近红外发光标记点等间距布置在预设标定板上；
根据已经标定好的常规双目测量平台在暗室中测量所述预设标定板上各个近红外发光标记点的三维位置，并将得到的所述三维位置作为已知结果以对所述近红外相机进行标定。
3.根据权利要求1所述的骨科手术器械导航系统，其特征在于，还包括：
图像处理模块，用于对所述近红外相机获取的所述近红外发光标记点的图像进行处理，得到相应的分割阈值，并根据所述分割阈值对所述图像进行分割，提取其中与所述近红外发光标记点相关的有效信息。
4.根据权利要求1所述的骨科手术器械导航系统，其特征在于，还包括：
识别模块，用于根据设置在所述手术器械上的近红外发光标记点之间的距离进行编码，以识别所述手术器械的类型。
5.根据权利要求1所述的骨科手术器械导航系统，其特征在于，还包括：注册模块，用于对所述手术器械进行注册，以得到手术器械尖端的位置，具体包括：
将手术器械尖端位置固定不变，并将所述手术器械绕着手术器械尖端进行旋转，得到每个时刻所述手术器械的位置对应的坐标系，并通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系确定所述手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标。
6.根据权利要求5所述的骨科手术器械导航系统，其特征在于，还包括：
配准模块，用于将所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，并显示配准后的图像，具体包括：
获取骨科CT拍摄得到的患处骨头CT图像，其中，所述动态基准临近固定在所述患处骨头处；
根据固定在所述骨科CT上的近红外标记点，基于CT的成像原理得到患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系；
根据设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点，建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系；
根据所述患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系，及所述手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系，得到所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系；
根据所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系，得到所述手术器械与患处骨头CT图像之间的位置关系，并显示所述位置关系。
7.一种骨科手术器械导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
在手术过程中分别获取设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点的图像，其中，所述手术器械及动态基准上分别设置了至少三个近红外发光标记点；
根据所述近红外发光标记点的图像，基于双目视觉原理计算得到所述近红外发光标记点的三维位置坐标；
根据得到的所述近红外发光标记点的三维位置坐标对应确定所述手术器械和动态基准的位置；
显示所述手术器械和动态基准的位置，以便进行手术跟踪。
8.根据权利要求7所述的骨科手术器械导航方法，其特征在于，在计算所述近红外发光标记点的三维位置坐标之前，还包括：对所述近红外相机进行标定，具体包括：
将多个近红外发光标记点等间距布置在预设标定板上；
根据已经标定好的常规双目测量平台在暗室中测量所述预设标定板上各个近红外发光标记点的三维位置，并将得到的所述三维位置作为已知结果以对所述近红外相机进行标定。
9.根据权利要求7所述的骨科手术器械导航方法，其特征在于，在获取到所述近红外发光标记点的图像之后，还包括：
对所述近红外发光标记点的图像进行处理，得到相应的分割阈值，并根据所述分割阈值对所述图像进行分割，提取其中与所述近红外发光标记点相关的有效信息。
10.根据权利要求7所述的骨科手术器械导航方法，其特征在于，还包括：
根据设置在所述手术器械上的近红外发光标记点之间的距离进行编码，以识别所述手术器械的类型。
11.根据权利要求7所述的骨科手术器械导航方法，其特征在于，还包括：
对所述手术器械进行注册，以得到手术器械尖端的位置，具体包括：
将手术器械尖端位置固定不变，并将所述手术器械绕着手术器械尖端进行旋转，得到每个时刻所述手术器械的位置对应的坐标系，并通过各个坐标系之间的旋转平移变换关系确定所述手术器械尖端在手术器械坐标系中的坐标。
12.根据权利要求11所述的骨科手术器械导航方法，其特征在于，还包括：将所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系进行配准，并显示配准后的图像，具体包括：
获取骨科CT拍摄得到的患处骨头CT图像，其中，所述动态基准临近固定在所述患处骨头处；
根据固定在所述骨科CT上的近红外标记点，基于CT的成像原理得到患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系；
根据设置在手术器械及动态基准上的近红外发光标记点，建立手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系；
根据所述患处骨头CT图像坐标系与动态基准坐标系之间的关系，及所述手术器械坐标系与动态基准坐标系之间的关系，得到所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系；
根据所述手术器械坐标系与患处骨头CT图像坐标系之间的关系，得到所述手术器械与患处骨头CT图像之间的位置关系，并显示所述位置关系。
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