CN108742841A - 一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，包括：步骤S1：设置并固定至少两个位置跟踪仪；步骤S2：建立手术工具、病人参考架、各位置跟踪仪坐标系；步骤S3：分别在各位置跟踪仪下标定手术工具，并取均值得到在工具坐标系下手术工具的尖点坐标和轴向向量；步骤S4：根据各个位置跟踪仪的定位，通过坐标转换实时获得手术工具在病人参考坐标系中的位置姿态；步骤S5：判断各位置追踪仪被遮挡的情况，取步骤S4中有效的位置姿态的均值为手术工具的实时定位。与现有技术相比，本发明由于设有多套位置跟踪仪，外科医生在手术过程中，不用担心定位光束被遮挡问题，减轻了医生的负担，提高了手术操作的灵活性。

Description

一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位方法，尤其是涉及一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法。

背景技术

随着科学技术的发展，微创和无创成了手术的趋势，立体定位技术和成像技术的逐渐成熟使得手术导航系统越来越多地应用于神经外科、耳鼻喉科和骨科等外科手术中。手术导航系统主要包括机械定位系统，超声定位系统、光学定位系统以及电磁定位系统。其中光学定位系统具有使用方便、价格低廉、定位精度高、系统鲁棒性好等优点，使得临床上用的手术导航系统大部分采用光学定位系统。

光学定位系统一般由位置追踪仪发射可见光或红外线，并接受由带有反光小球的手术器械反射的可见光/红外线，从而进行手术器械的精确定位，故而在光束被遮挡时便无法提供手术器械的位置信息。因此，手术过程中，外科医生在进行操作时不得不注意定位光束的遮挡问题，这一缺陷不仅限制了手术的灵活性和空间使用率，而且定位信息的缺失会增加手术风险。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，包括：

步骤S1：设置并固定至少两个位置跟踪仪；

步骤S2：建立手术工具、病人参考架、各位置跟踪仪坐标系；

步骤S3：分别在各位置跟踪仪下标定手术工具，并取均值得到在工具坐标系下手术工具的尖点坐标和轴向向量；

步骤S4：根据各个位置跟踪仪的定位，通过坐标转换实时获得手术工具在病人参考坐标系中的位置姿态；

步骤S5：判断各位置追踪仪被遮挡的情况，取步骤S4中有效的位置姿态的均值为手术工具的实时定位。

所述步骤S1具体为：基于所有位置跟踪仪可检测空间范围叠加后的最终空间范围最大化的原则，设置并固定至少两个位置跟踪仪，其中，最终空间范围为各位置跟踪仪的监测空间范围的并集。

所述步骤S2具体包括：

步骤S21：在需要追踪的手术工具上安装含有反光小球的定位参考架，并根据定位参考架建立手术工具坐标系；

步骤S22：在与病人手术部位刚性连接的部位固定病人参考架，并建立病人参考架坐标系；

步骤S23：将各位置跟踪仪的内置坐标系作为坐标系为各位置跟踪仪的参考坐标系。

所述步骤S3具体包括步骤：

步骤S31：采用旋转求多值平均的方法确定手术工具尖点在在各位置追踪仪定位时手术工具坐标系下的坐标；

步骤S32：标定手术工具的轴向向量R；

步骤S33：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具在轴向向量R(rx,ry,rz)^T。

所述步骤S31包括：

步骤S311：在手术工具被各个位置追踪仪均定位到的状态下，围绕一个不动点旋转手术工具；

步骤S312：各位置追踪仪捕捉设定个数的手术工具旋转过程中的位置姿态；

步骤S313：取任意连续两组计算手术工具的尖点坐标：

X_ij＝(R_Oij-R_Oij+1)^-1(t_Oij+1-t_Oij)(j＝1,2,3……,n-1)

其中：X_ij为手术工具的尖点坐标，R_Oij为转换矩阵T_Oij分解而来的旋转矩阵，其中T_Oij为第i个位置追踪仪捕捉到的手术工具到其工具坐标系的第j个转换矩阵， t_ij+1和t_oij分别为转换矩阵T_Oij+1和T_Oij分解得到的平移向量，n为单个位置追踪仪捕捉到的位置姿态的个数；

步骤S314：求取平均值得到在第i个位置追踪仪定位时手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标X_i：

所述步骤S32包括：

步骤S321：将手术工具插入至指定标定工具的轴向孔中，其中，该标定工具的坐标系以及轴向孔在标定工具坐标系的轴向向量R_c事先确定；

步骤S322：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的轴向向量R_i：

T_OiR_i ^T＝T_Ci ^TR_C ^T

其中：T_Oi为手术工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵，T_Ci为标定工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵。

所述步骤S33具体包括：

步骤S331：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，取均值以减少由各个位置追踪仪自身定位精度带来的系统误差；

步骤S332：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具在轴向向量R(rx,ry,rz)^T：

其中：m为位置追踪仪个数。

所述设定个数为200。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)由于设有多套位置跟踪仪，外科医生在手术过程中，不用担心定位光束被遮挡问题，减轻了医生的负担，提高了手术操作的灵活性。

2)在使用多个位置跟踪仪的情况下，手术器械可检测范围广，减少了定位光线被遮挡的可能，降低了因定位光线被遮挡带来的手术风险，提高了手术导航系统的安全性。

3)用旋转法标定手术工具尖点，用多个位置跟踪仪同步得出标定矩阵并取均值，在没增加标定时间的情况下，减少了由位置跟踪仪本身定位精度带来的误差。

4)在手术过程中，手术工具的实时位置为多个位置跟踪仪下的有效转换矩阵的均值，降低了由位置追踪仪本身定位精度带来的系统定位误差。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为使用三个位置跟踪仪的放置示意图；

图3为手术工具的示意图；

图4为病人参考架的示意图；

图5为手术工具尖点标定示意图；

图6为定位坐标有效性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，如图1所示，包括：

步骤S1：设置并固定至少两个位置跟踪仪，具体为：基于所有位置跟踪仪可检测空间范围叠加后的最终空间范围最大化的原则，设置并固定至少两个位置跟踪仪，其中，最终空间范围为各位置跟踪仪的监测空间范围的并集；

本实施例中采用NDI公司的Polaris Vicra设备作为位置跟踪仪，根据光学定位装置的跟踪范围以及手术室的空间占用情况以及手术操作的空间要求，合理布置位置追踪仪(M个)，使最终手术导航系统可跟踪范围达到最大化，以提高术中医生的操作灵活度，图2为使用三个位置跟踪仪时理论的最佳布置图；布置好后，连接各个位置跟踪仪，启动手术导航系统正常工作；

步骤S2：建立手术工具、病人参考架、各位置跟踪仪坐标系，本实施例中以牙科手机为手术工具样例如图3，病人参考架如图4；分别建立手术工具、病人参考架、各个位置追踪仪的坐标系。手术工具和病人参考架坐标均分别以安装的反光小球定位架为基础，最短轴反光小球球心为原点，长轴为X轴，在小球所在平面确定Y轴，再确定Z轴，XYZ轴满足右手系原则；用Sr表示病人参考架坐标系， S_Oi、S_Ti分别表示第i个工具和位置定位仪的坐标系(1≤i≤M)，本例中只包含一个手术工具，故直接表示为S_O，具体包括：

步骤S21：在需要追踪的手术工具上安装含有反光小球的定位参考架，并根据定位参考架建立手术工具坐标系；

步骤S22：在与病人手术部位刚性连接的部位固定病人参考架，并建立病人参考架坐标系；

步骤S23：将各位置跟踪仪的内置坐标系作为坐标系为各位置跟踪仪的参考坐标系。

步骤S3：需要对所用到的手术工具进行一一标定，手术工具在每个位置追踪仪下的标定同时进行，标定的目的在于确定手术工具的尖点在手术工具坐标系下的转换矩阵，即确定图5中M：分别在各位置跟踪仪下标定手术工具，并取均值得到在工具坐标系下手术工具的尖点坐标和轴向向量，

具体包括步骤：

步骤S31：采用旋转求多值平均的方法确定手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标。在手术工具被各个位置追踪仪均定位到的状态下，围绕一个不动点O旋转手术工具，各个位置追踪仪捕捉n个(≥200)手术工具旋转过程中的位置姿态 T_Oij，T_Oij表示第i个位置追踪仪捕捉到的手术工具坐标系到自身坐标系的第j个转换矩阵(1≤i≤M,1≤j≤n)；其操作过程如图5；

具体包括：

步骤S311：在手术工具被各个位置追踪仪均定位到的状态下，围绕一个不动点旋转手术工具；

步骤S312：各位置追踪仪捕捉设定个数的手术工具旋转过程中的位置姿态，其中，设定个数优选为200；

步骤S313：取任意连续两组计算手术工具的尖点坐标：

X_ij＝(R_Oij-R_Oij+1)^-1(t_oij+1-t_Oij)(j＝1,2,3……,n-1)

其中：X_ij为手术工具的尖点坐标，R_oij为转换矩阵T_Oij分解而来的旋转矩阵，其中T_Oij为第i个位置追踪仪捕捉到的手术工具到其工具坐标系的第j个转换矩阵， t_ij+1和t_Oij分别为转换矩阵T_Oij+1和T_Oij分解得到的平移向量，n为单个位置追踪仪捕捉到的位置姿态的个数；

步骤S314：求取平均值得到在第i个位置追踪仪定位时手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标X_i：

具体算法如下：

设手术工具尖点在手术工具坐标系S_o下的坐标为X(x,y,z)^T；

在旋转过程中，第i个位置追踪仪捕捉到S_O到S_Ti的转换矩阵T_Oij可分解为旋转矩阵R_Oij和平移向量t_Oij(1≤i≤M,1≤j≤n),存在以下的变换矩阵关系：

R_Oi1*X+t_Oi1＝R_Oi2*X+t_Oi2＝……R_Oin*X+t_Oin

取任意连续两组计算手术工具的尖点坐标，

X_ij＝(R_Oij-R_Oij+1)^-1(t_ij+1-t_ij)(j＝1,2,3……,n-1)

然后求取平均值得到在第i个位置追踪仪定位时手术工具尖点在S_o的坐标X_i

步骤S32：标定手术工具的轴向向量R，具体包括：

步骤S321：将手术工具插入至指定标定工具的轴向孔中，其中，该标定工具的坐标系以及轴向孔在标定工具坐标系的轴向向量R_c事先确定；

步骤S322：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的轴向向量R_i：

T_OiR_i ^T＝T_Ci ^TR_C ^T

其中：T_Oi为手术工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵，T_Ci为标定工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵。

采用高精度物理加工的手术器械标定工具辅助标定手术工具的轴向向量R。手术器械标定工具(以下简称标定工具)上也安装反光小球，可以被位置追踪仪定位；在标定工具上有一系列不同半径的轴向孔，在加工时，标定工具的坐标系以及轴向孔在标定工具坐标系的方向放量R_c确定，故当手术工具完全插入标定工具的轴向孔时，存在以下转换关系：

T_oiR_i ^T＝T_Ci ^TR_C ^T

T_Oi和T_Ci为手术工具和标定工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵，根据公式求得手术工具在手术工具坐标系下的轴向向量R_i；

步骤S33：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具在轴向向量R(rx,ry,rz)^T，具体包括：

步骤S331：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，取均值以减少由各个位置追踪仪自身定位精度带来的系统误差；

步骤S332：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具在轴向向量R(rx,ry,rz)^T：

其中：m为位置追踪仪个数。

最后，合成得到M。

步骤S4：根据第i个位置跟踪仪的定位，通过坐标转换实时获得手术工具尖点相对于病人参考坐标系的转换矩阵T_PRi(1≤i≤M)；

T_PRi＝MT_OiT_Ri ^-1

步骤S5：判断各位置追踪仪被遮挡的情况，取步骤S4中有效的位置姿态的均值为手术工具的实时定位。具体的：

判断各位置追踪仪被遮挡的情况，取S5中有效坐标均值为手术工具的实时位置T_PRi；根据每个位置追踪仪中手术工具和病人参考架的更新情况，如图6所示，得到手术工具和病人参考架转换矩阵T_Oi和T_Ri的有效性B_Oi和B_Ri：

B_Oi＝1，当手术工具可以被第i个位置追踪仪定位到时；

B_Oi＝0，当手术工具不可以被第i个位置追踪仪定位到时；

B_Ri＝1，当病人参考架可以被第i个位置追踪仪定位到时；

B_Ri＝0，当病人参考架不可以被第i个位置追踪仪定位到时；

T_PRi′＝MB_OiT_OiB_RiT_Ri ^-1

T_PR即为最终手术工具的实时定位。

综上，本申请采用多个位置追踪仪定位手术工具和病人参考架，在工具标定过程通过不同位置追踪仪的平均减少标定的追踪仪系统误差和偶然误差，提高手术导航系统精度；在追踪过程中，为解决光学导航系统中定位光束易被遮挡这一难题提供可行处理的方法。本发明解决了医生操作角度受限的问题，同时提高手术导航系统的安全性，精确性和灵活性。

Claims (8)

1.一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，包括：

步骤S1：设置并固定至少两个位置跟踪仪；

步骤S2：建立手术工具、病人参考架、各位置跟踪仪坐标系；

步骤S3：分别在各位置跟踪仪下标定手术工具，并取均值得到在工具坐标系下手术工具的尖点坐标和轴向向量；

步骤S4：根据各个位置跟踪仪的定位，通过坐标转换实时获得手术工具在病人参考坐标系中的位置姿态；

步骤S5：判断各位置追踪仪被遮挡的情况，取步骤S4中有效的位置姿态的均值为手术工具的实时定位。

2.根据权利要求1所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：基于所有位置跟踪仪可检测空间范围叠加后的最终空间范围最大化的原则，设置并固定至少两个位置跟踪仪，其中，最终空间范围为各位置跟踪仪的监测空间范围的并集。

3.根据权利要求1所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S21：在需要追踪的手术工具上安装含有反光小球的定位参考架，并根据定位参考架建立手术工具坐标系；

步骤S22：在与病人手术部位刚性连接的部位固定病人参考架，并建立病人参考架坐标系；

步骤S23：将各位置跟踪仪的内置坐标系作为坐标系为各位置跟踪仪的参考坐标系。

4.根据权利要求1所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤：

步骤S31：采用旋转求多值平均的方法确定手术工具尖点在在各位置追踪仪定位时手术工具坐标系下的坐标；

步骤S32：标定手术工具的轴向向量R；

步骤S33：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具在轴向向量R(rx,ry,rz)^T。

5.根据权利要求4所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述步骤S31包括：

步骤S311：在手术工具被各个位置追踪仪均定位到的状态下，围绕一个不动点旋转手术工具；

步骤S312：各位置追踪仪捕捉设定个数的手术工具旋转过程中的位置姿态T_Oij；

步骤S313：取任意连续两组计算手术工具的尖点坐标：

X_ij＝(R_Oij-R_Oij+1)^-1(t_Oij+1-t_Oij)(j＝1,2,3……,n-1)

其中：X_ij为手术工具的尖点坐标，R_Oij为转换矩阵T_Oij分解而来的旋转矩阵，其中T_Oij为第i个位置追踪仪捕捉到的手术工具到其工具坐标系的第j个转换矩阵，t_Oij+1和t_Oij分别为转换矩阵T_Oij+1和T_Oij分解得到的平移向量，n为单个位置追踪仪捕捉到的位置姿态的个数；

步骤S314：求取平均值得到在第i个位置追踪仪定位时手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标X_i：

6.根据权利要求5所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述步骤S32包括：

步骤S321：将手术工具插入至指定标定工具的轴向孔中，其中，该标定工具的坐标系以及轴向孔在标定工具坐标系的轴向向量R_c事先确定；

步骤S322：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的轴向向量R_i：

T_OiR_i ^T＝T_Ci ^TR_C ^T

其中：T_Oi为手术工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵，T_Ci为标定工具坐标系到第i个位置追踪仪坐标系的转换矩阵。

7.根据权利要求6所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述步骤S33具体包括：

步骤S331：根据手术工具尖点在手术工具坐标系下的坐标和手术工具的轴向向量，取均值以减少由各个位置追踪仪自身定位精度带来的系统误差；

步骤S332：根据下式求得手术工具在手术工具坐标系下的尖点坐标X(x,y,z)^T和手术工具在轴向向量R(rx,ry,rz)^T：

其中：m为位置追踪仪个数。

8.根据权利要求5所述的一种多位置跟踪仪的手术工具实时定位方法，其特征在于，所述设定个数为200。