CN108420531B - 手术工具调整方法、电子设备和装卡装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术工具调整方法、电子设备和装卡装置。该方法获取影像图像中至少2个标记点的像素坐标，标记点位于手术工具前端；根据标记点的像素坐标确定标记点的重心坐标；根据标记点的重心坐标确定旋转角度；根据旋转角度，调整手术工具。本方法根据位于手术工具前端的标记点的像素坐标，得到旋转角度，再基于旋转角度调整手术工具，不再需要光学或者电磁导航设备进行最终的手术工具的位置校准，减少了手术空间的占用。

Description

手术工具调整方法、电子设备和装卡装置

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，尤其涉及一种手术工具调整方法、电子设备和装卡装置。

背景技术

在临床上，特别是肿瘤治疗的临床上，越来越广泛的使用医学图像做引导，然后使用导航装置进行手术工具的定位，从而进行微创手术，减少病人创面，加速病人康复速度。

由于医生经验以及实际手术的复杂性，通常需要严格按照手术规划引导手术工具抵达指定的点和方向。

在目前的商业产品中，通常使用光学或者电磁导航设备进行最终的手术工具的位置校准，如使用NDI公司的Polaris系统。

目前这些机械臂在使用中具有占用手术空间的缺点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了避免手术空间的占用，本发明提供一种手术工具调整方法、电子设备和装卡装置。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种手术工具调整方法，所述方法，包括：

S101，获取影像图像中至少2个标记点的像素坐标，所述标记点位于手术工具前端；

S102，根据所述标记点的像素坐标确定标记点的重心坐标；

S103，根据所述标记点的重心坐标确定旋转角度；

S104，根据所述旋转角度，调整所述手术工具。

可选地，所述标记点为6个，或者，所述标记点为5个，或者，所述标记点为3个。

可选地，所述S101包括：

对于任一标记点i，获取i在影像图像各层中的像素坐标(x_mi,y_mi,z_mi)；

其中，m为层标识。

可选地，所述S102包括：

i的重心坐标

其中，PixelValue_i为i的像素值。

可选地，所述S103包括：

根据如下公式确定旋转角度

其中，

(x_ti,y_ti,z_ti)为i在手术工具坐标系中的坐标，(x₀,y₀,z₀)标识所述手术工具绕(x,y,z)轴的平移距离，n为标记点数量。

可选地，所述标记点位于装卡装置上，所述装卡装置安装在手术工具前端。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案还包括：

一种电子设备，包括存储器、处理器、总线以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述方法任意一项的步骤。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案还包括：

一种装卡装置，所述装卡装置上有至少2个标记点，所述装卡装置用于安装在手术工具前端。

可选地，所述标记点为6个，或者，所述标记点为5个，或者，所述标记点为3个。

可选地，所述标记点为球形。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：根据位于手术工具前端的标记点的像素坐标，得到旋转角度，再基于旋转角度调整手术工具，不再需要光学或者电磁导航设备进行最终的手术工具的位置校准，减少了手术空间的占用。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种安装装卡装置的手术工具结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种手术工具调整方法流程图；

图3为本发明一个实施例提供的一种图像坐标系和工具坐标系示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

在目前的商业产品中，通常使用光学或者电磁导航设备进行最终的手术工具的位置校准。目前这些机械臂在使用中具有占用手术空间的缺点。

基于此，本申请提供一种方法，该方法基于标记点进行手术工具的调整。本方法方便应用于PET-CT/CT/MRI等系统的手术工具，作为手术工具的调整方案。

该标记点位于手术工具前端，且标记点在手术手术工具坐标系中的坐标相对固定。标记点可以为2个以上，如3个、4个、5个、6个、7个等。最优的，标记点为6个。

标记点的数量与调整自由度和调整精度相关。

调整自由度有6个即对应着6个变量，为了解出这6个变量，需要6组独立的方程。而每个标记点的空间位置(x,y,z)包含三个信息，对应三个方程式，但是两个标记点的情况下，由于标记点之间的距离在图像坐标系以及工具坐标系下均相等，只包含了5个独立的方程。因此对于任意的转换矩阵，需要有至少3个标记点即可使用本发明提供的方法进行手术工具调整。

而对于穿刺等特殊的应用，由于针的运动方向不需要绕针旋转这个自由度，实际上只有5个自由度，只需要至少2个标记点即可。

另外，由于图像采集为离散信息，计算出来的标记点重心存在误差，通过冗余的标记点可以有效降低这些误差，使用6个标记点是一个比较优化的方案。

每个标记点可以均为球形。且每个标记点的介质可以相同也可以不同，本实施例不对标记点的介质进行限定，可以与各成像系统的特定介质相对应(如在PET中使用放射性介质，在CT中使用钨等重金属等)。

另外，在具体实现时，为了确保标记点在手术手术工具坐标系中的坐标相对固定，可以通过装卡装置实现。

本申请所涉及的装卡装置也可方便应用于PET-CT/CT/MRI等系统的手术工具，作为手术工具的引导装置。

具体的，装卡装置上有标记点。

本申请不对标记点的数量进行限定，2个以上即可。如3个、4个、5个、6个、7个等。但，6个标记点为最佳实现方式。

标记点的数量与调整自由度和调整精度相关。

调整自由度有6个即对应着6个变量，为了解出这6个变量，需要6组独立的方程。而每个标记点的空间位置(x,y,z)包含三个信息，对应三个方程式，但是两个标记点的情况下，由于标记点之间的距离在图像坐标系以及工具坐标系下均相等，只包含了5个独立的方程。因此对于任意的转换矩阵，需要有至少3个标记点即可使用本发明提供的方法进行手术工具调整。

而对于穿刺等特殊的应用，由于针的运动方向不需要绕针旋转这个自由度，实际上只有5个自由度，只需要至少2个标记点即可。

另外，由于图像采集为离散信息，计算出来的标记点重心存在误差，通过冗余的标记点可以有效降低这些误差，使用6个标记点是一个比较优化的方案。

另外，每个标记点均为球形。且每个标记点的介质可以相同也可以不同，本实施例不对标记点的介质进行限定，可以与各成像系统的特定介质相对应(如在PET中使用放射性介质，在CT中使用钨等重金属等)。

使用时，装卡装置可以安装在手术工具上，且位于手术工具的前端，如图1所示。图1中，1为手术工具，2为标记点，3为装卡装置。

本实施例提供一种，对于图1所示的安装有装卡装置的手术工具的调整方法，其实现流程可参见图2。

S101，获取影像图像中至少2个标记点的像素坐标。

以图1所示装卡装置位于手术工具前端，且装卡装置上有6个标记点，每个标记点为一个球形为例，本步骤中，会获取每个标记点在影像图像中的像素坐标。

因为影像图像会分层，因此，对于一个标记点，其在各层中均有对应的像素坐标。本步骤会获取同一标记点各层的像素坐标。即，对于任一标记点i，(x_ti,y_ti,z_ti)，n为标记点数量，获取i在影像图像各层中的像素坐标(x_mi,y_mi,z_mi)。其中，m为层标识。

实现时，可以沿着影像图像各层的轴向依次寻找各标记点。

需要说明的是，由于标记点的数量2个以上即可。如3个、4个、5个、6个、7个等。但，6个标记点为最佳实现方式。

标记点的数量与调整自由度和调整精度相关。

本实施例中，通过转换矩阵确定各自由度的值。在转换矩阵中有6个自由度对应着6个变量，为了解出这6个变量，需要6组独立的方程。而每个标记点的空间位置(x,y,z)包含三个信息，对应三个方程式，但是两个标记点的情况下，由于标记点之间的距离在图像坐标系以及工具坐标系下均相等，只包含了5个独立的方程。因此对于任意的转换矩阵，需要有至少3个标记点即可使用本发明提供的方法进行手术工具调整。

而对于穿刺等特殊的应用，由于针的运动方向不需要绕针旋转这个自由度，实际上只有5个自由度，只需要至少2个标记点即可。

另外，由于图像采集为离散信息，计算出来的标记点重心存在误差，通过冗余的标记点可以有效降低这些误差，使用6个标记点是一个比较优化的方案。

若标记点多于6可，可以在执行S101之后，先从标记点中选择6个标记点(如选择影像较佳的6个标记点)，基于选择的6个标记点的像素坐标，执行后续步骤。

S102，根据标记点的像素坐标确定标记点的重心坐标。

本步骤利用各标记点包含的像素通过重心法确定每个标记点在图像坐标系中的坐标。

如，对于任一标记点i，

i的重心坐标

其中，PixelValue_i为i的像素值。

S103，根据标记点的重心坐标确定旋转角度。

各标记点在手术工具坐标系中的位置在设计之初是恒定的，有着明确的坐标关系(x_t,y_t,z_t)。

在实际应用时，影像图像坐标系和手术工具坐标系可如图3所示。利用两组坐标值(影像图像中的坐标值和手术工具坐标系中的坐标值)及数学运算，便可以得到两坐标系一致的转换关系。

一般情况下，两个坐标系之间的转换关系可以分解为旋转和平移。如果以影像图像坐标系作为参考坐标系，工具坐标系分别绕z、y、x轴旋转一定的角度使其与参考坐标系三个轴平行，然后，工具坐标系平移一定的距离使其原点与参考坐标系原点重叠，最后两坐标系达到完全一致。

因此，本步骤会计算绕影像图像坐标系((x,y,z)轴)的旋转角度

根据如下公式确定旋转角度

其中，

(x_ti,y_ti,z_ti)为i在手术工具坐标系中的坐标，(x₀,y₀,z₀)标识手术工具绕(x,y,z)轴的平移距离，n为标记点数量。

一般地，标记点为3个，即n为3，则

优选地，标记点为6个，即n为6，则

特殊地，如手术工具不需要绕z轴旋转，则ψ＝0，此时，标记点为2个，即n为2，则

由于手术工具的任何一点在工具坐标系下也是固定的，在得到转换矩阵之后，即可再通过转换矩阵计算手术工具的任意一点在图像坐标系中的位置。

需要说明的是，若标记点原始数量多于6个，则在S101之后会选择6个标记点，此时利用选择的标记点在不同坐标系下的坐标，形成上述

和

S104，根据旋转角度，调整手术工具。

在S103得到选择角度之后，可以基于该角度调整手术工具。

本实施例提供的手术工具调整方法采用基于图像的定位，计算出手术工具坐标系与图像坐标系的旋转与偏移，进而描绘出手术工具本身在图像系统中的位置，大大降低了系统的复杂度和成本，并有效的减小了设备占用空间，为手术的进行提供了极大的便利。

以CT引导下的穿刺手术为例，在病人就位之前就可以通过扫描手术工具，通过手术工具上装卡的定位点的图像计算出手术工具的位置，并与手术规划的路径对比，并加以修正。

本实施例提供的手术工具调整方法，免除了光学或者电磁导航的成本，节约了手术空间，也免除了部分导航系统在光学路径上的要求。同时，本方法所采用的装卡装置的实现方式灵活多样，根据成像系统本身的特点，可以使用不同的介质做标记点。

在正式手术进行之前可以通过本实施例提供的手术工具调整方法进行预调整，也可以通过本实施例提供的手术工具调整方法进行训练。

本实施例提供的手术工具调整方法可以降低可能的电离辐射。

本发明提供的方法，根据位于手术工具前端的标记点的像素坐标，得到旋转角度，再基于旋转角度调整手术工具，不再需要光学或者电磁导航设备进行最终的手术工具的位置校准，减少了手术空间的占用。

参见图4，本实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：存储器401、处理器402、总线403以及存储在存储器401上并可在处理器402上运行的计算机程序，所述处理器402执行所述程序时实现如下方法：

获取影像图像中至少2个标记点的像素坐标，标记点位于手术工具前端；

根据标记点的像素坐标确定标记点的重心坐标；

根据标记点的重心坐标确定旋转角度；

根据旋转角度，调整手术工具。

可选地，标记点为6个，或者，标记点为5个，或者，标记点为3个。

可选地，获取影像图像中装卡装置上标记点的像素坐标包括：

对于任一标记点i，获取i在影像图像各层中的像素坐标(x_mi,y_mi,z_mi)；

其中，m为层标识。

可选地，根据标记点的像素坐标确定标记点的重心坐标包括：

i的重心坐标

其中，PixelValue_i为i的像素值。

可选地，根据标记点的重心坐标确定旋转角度包括：

根据如下公式确定旋转角度

其中，

(x_ti,y_ti,z_ti)为i在手术工具坐标系中的坐标，(x₀,y₀,z₀)标识手术工具绕(x,y,z)轴的平移距离，n为标记点数量。

可选地，标记点位于装卡装置上，装卡装置安装在手术工具前端。

本实施例提供的电子设备，根据位于手术工具前端的标记点的像素坐标，得到旋转角度，再基于旋转角度调整手术工具，不再需要光学或者电磁导航设备进行最终的手术工具的位置校准，减少了手术空间的占用。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器、总线以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器具体执行如下的步骤：

步骤S101，获取影像图像中至少2个标记点的像素坐标，所述标记点位于手术工具前端；

步骤S102，根据所述标记点的像素坐标确定标记点的重心坐标；

具体地，对于任一标记点i：

i的重心坐标

其中，PixelValue_i为i在m层时的像素值，(x_ti,y_ti,z_ti)为i在手术工具坐标系中的坐标；m为层标识；

步骤S103，根据所述标记点的重心坐标确定旋转角度；

具体地，根据如下公式确定旋转角度

其中，

(x₀,y₀,z₀)标识所述手术工具绕(x,y,z)轴的平移距离，n为标记点数量；

步骤S104，根据所述旋转角度，调整所述手术工具。

2.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述标记点为6个，或者，所述标记点为5个，或者，所述标记点为3个。

3.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于，所述步骤S101包括：

对于任一标记点i，获取i在影像图像各层中的像素坐标(x_mi,y_mi,z_mi)；

其中，m为层标识。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的电子设备，其特征在于，所述标记点位于装卡装置上，所述装卡装置安装在手术工具前端。

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