CN108742876A - 一种手术导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种手术导航装置，包括手术器械、定位单元和显示单元；其中，显示单元装设在手术器械上；定位单元用于捕捉手术器械和手术区域的空间位置和姿态，显示单元用于显示虚拟手术场景，并根据手术器械和手术区域的空间位置和姿态更新虚拟手术场景中的虚拟手术器械和虚拟手术区域的位置和姿态。本发明实施例提供的一种手术导航装置，将显示单元装设在手术器械上，使得显示单元与手术器械的方位一致，避免了医生频繁调整视线方向，使得手术导航装置的信息能够更加直观地反馈给医生以指导现实环境下的手术，保证医生的注意力能够集中在手术操作上，提高手术的安全性。

Description

一种手术导航装置

技术领域

本发明实施例涉及医疗技术领域，尤其涉及一种手术导航装置。

背景技术

手术导航装置作为计算机辅助手术的一个重要应用，已经开始应用于现代外科手术中，通过图形工作站显示出手术工具的位置以及病灶部位，医生通过观察图形工作站上的图像可以看见被其它细胞组织遮挡住的病灶，从而提高手术精度。

当前的手术导航装置，基于视觉摄像机捕获光学标记点的位置姿态后，将对应的虚拟手术器械和患处三维模型显示在屏幕上。医生在手术过程中需要一边操作手术器械一边观察屏幕，以便使虚拟手术器械准确达到规划的手术位置，同时避免误操作伤及患者。

然而，这种手术导航装置对医生操作时的注意力要求较高，操作时视线要在屏幕和患者之间切换，而外界环境的快速变化以及眼睛焦距的不断调整会产生延迟与不适。严重情况下，可能导致医疗事故的发生。

发明内容

本发明实施例提供一种手术导航装置，用以解决医生手术操作时视线需要在手术导航装置的屏幕与患者之间切换，可能导致延迟不适甚至造成医疗事故的问题。

本发明实施例提供一种手术导航装置，包括手术器械、定位单元和显示单元；其中，显示单元装设在手术器械上；

定位单元用于捕捉手术器械和手术区域的空间位置和姿态，显示单元用于显示虚拟手术场景，并根据手术器械和手术区域的空间位置和姿态更新虚拟手术场景中的虚拟手术器械和虚拟手术区域的位置和姿态。

本发明实施例提供的一种手术导航装置，将显示单元装设在手术器械上，使得显示单元与手术器械的方位一致，避免了医生频繁调整视线方向，使得手术导航装置的信息能够更加直观地反馈给医生以指导现实环境下的手术，保证医生的注意力能够集中在手术操作上，提高手术的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种手术导航装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种手术导航装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种连接单元的结构示意图；

附图标记说明：

101-手术器械； 102-定位单元； 103-显示单元；

201-第一视觉标记； 202-第二视觉标记； 203-视觉传感器；

301-屏幕夹持机构； 302-器械夹持机构； 303-屏幕托槽；

304-紧定旋钮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有的手术导航装置对医生操作时的注意力要求较高，操作时视线要在屏幕和患者之间切换，而外界环境的快速变化以及眼睛焦距的不断调整会产生延迟与不适。严重情况下，可能导致医疗事故的发生。针对上述情况，本发明实施例提出一种手术导航装置，图1为本发明实施例的一种手术导航装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括手术器械101、定位单元102和显示单元103；其中，显示单元103装设在手术器械101上；定位单元102用于捕捉手术器械101和手术区域的空间位置和姿态，显示单元103用于显示虚拟手术场景，并根据手术器械101和手术区域的空间位置和姿态更行虚拟手术场景中的虚拟手术器械和虚拟手术区域的位置和姿态。

此处，手术器械101是指在临床手术中所使用的医疗器械，不同专科的临床手术中应用的手术器械101各有不同，本发明实施例对此不作具体限定。手术区域是指在临床手术中需要进行医疗处理的相关区域。定位单元102用于捕捉手术器械101和手术区域的空间位置和姿态，具体包括手术器械101的空间位置和姿态以及手术区域的空间位置和姿态。此处手术器械101的空间位置用于指示手术器械101的整体空间定位信息，手术器械101的姿态是指通过手术器械101上各个标记点的相对空间位置确定得到的手术器械101的姿态，手术区域的空间位置用于指示手术区域的整体空间定位信息，手术区域的姿态是指通过手术区域上各个标记点的相对空间位置确定得到的手术区域的姿态。定位单元102具备多种实现形式，定位单元102可以是光学定位跟踪系统，还可以是基于可见光传感器的定位跟踪系统，或者是基于电磁传感器的定位跟踪系统等，本发明实施例对此不作具体限定。

定位单元102在获取上述信息后，将上述信息发送给显示单元103。显示单元103能够根据预先设定的配置信息显示虚拟手术场景，此处的虚拟手术场景为包含有虚拟手术器械和虚拟手术区域的三维模型。显示单元103接收到定位单元102发送的手术器械101和手术区域的空间位置和姿态后，基于手术器械101的空间位置和姿态更新虚拟手术场景中的虚拟手术器械的空间位置和姿态，基于手术区域的空间位置和姿态更新虚拟手术场景中虚拟手术区域的空间位置和姿态。此处，显示单元103可以是智能手机、平板电脑等微型显示设备，本发明实施例对此不作具体限定。另外，显示单元103与手术器械101可以是一体化结构，也可以是可拆卸结构。

为了解决当前的手术导航装置需要医生在手术过程中一边操作手术器械101一边观察屏幕，实现来回切换容易产生延迟和不适甚至于引发医疗事故的问题，将显示单元103装设在手术器械101上，使得显示单元103与手术器械101的方位一致，避免了医生频繁调整视线方向，使得手术导航装置的信息能够更加直观地反馈给医生以指导现实环境下的手术，保证医生的注意力能够集中在手术操作上，提高手术的安全性。

基于上述实施例，图2为本发明实施例的一种手术导航装置的结构示意图，如图2所示，一种手术导航装置，定位单元102包括第一视觉标记201、第二视觉标记202和视觉传感器203；第一视觉标记201装设在手术器械101上，第二视觉标记202装设在手术区域；视觉传感器203用于捕捉第一视觉标记201的空间位置，并根据第一视觉标记201的空间位置获取手术器械101在视觉坐标系下的空间位置和姿态；还用于捕捉第二视觉标记202的空间位置，并根据第二视觉标记202的空间位置获取手术位置在视觉坐标系下的空间位置和姿态。

具体地，第一视觉标记201是若干个装设在手术器械101上的视觉标记，同样地第二视觉标记202是若干个装设在手术区域的视觉标记，本发明实施例不对第一视觉标记201和第二视觉标记202的数量作具体限定。此处，第一视觉标记201的空间位置用于指示手术器械101的空间位置和姿态，第二视觉标记202的空间位置用于指示手术区域的空间位置和姿态。

基于上述任一实施例，一种手术导航装置，还包括连接单元，连接单元用于将显示单元103装设在手术器械101上；连接单元包括屏幕夹持机构301和器械夹持机构302，其中屏幕夹持机构301用于夹持显示单元103，器械夹持机构302用于夹持手术器械101。

具体地，连接单元用于实现显示单元103与手术器械101之间的固连。其中，屏幕夹持机构301用于夹持显示单元103，器械夹持机构302用于夹持手术器械101，使得显示单元103和手术器械101能够通过连接单元固定连接，由此显示单元103与手术器械101的方位始终保持一致，避免了医生频繁调整视线方向。

基于上述任一实施例，一种手术导航装置，第一视觉标记201装设在连接单元上。

具体地，在显示单元103与手术器械101通过连接单元固连的情况下，将第一视觉标记201装设在连接单元上，同样能够保证第一视觉标记201与手术器械101之间的相对位置、姿态关系固定不变，因而第一视觉标记201的空间位置同样能够用于指示手术器械101的空间位置和姿态。

基于上述任一实施例，图3为本发明实施例的一种连接单元的结构示意图，如图3所示，一种手术导航装置，屏幕夹持机构301包括屏幕托槽303，屏幕托槽303槽壁上设置有螺纹通孔，紧定旋钮304穿过螺纹通孔装设在屏幕托槽303上。

具体地，将显示单元103放置入屏幕夹持机构301后，通过旋紧紧定旋钮304卡住显示单元103，使得显示单元103能够固定在屏幕夹持机构301内。本发明实施例中不对紧定旋钮304的数量和位置作具体限定。需要说明的是，由于屏幕夹持机构301通过屏幕托槽303和紧定旋钮304实现显示单元103的固定，屏幕夹持机构301具备适配不同大小的显示单元103的能力。

基于上述任一实施例，参考图3，一种手术导航装置，器械夹持机构302为卡环状结构，器械夹持机构302夹持在手术器械101的外轮廓面上。

基于上述任一实施例，一种手术导航装置，视觉传感器203根据第一视觉标记201的空间位置，通过双目相机模型获取手术器械101在视觉坐标系下的空间位置和姿态；视觉传感器203根据第二视觉标记202的空间位置，通过双目相机模型获取手术位置在视觉坐标系下的空间位置和姿态。

具体地，双目相机模型，即平行双目立体视觉模型。通过针孔成像模型的分析可知，为了由像点坐标唯一的确定三维坐标，就必须通过两个或者多个相机来共同完成。通过两个相隔一定距离的相机来实现对3D场景的成像，就是双目成像，也称为立体视觉成像。相机拍摄景物时，先把两部相机的光轴汇聚于感兴趣的物体上，则两个光轴的交点称为汇聚点，而该点到基线中心的距离称为汇聚距离。当汇聚的距离有限时，双目立体视觉系统统称为汇聚式双目立体视觉模型；当汇聚距离无线远时，双目立体视觉系统就被成为平行式双目立体视觉模型。

基于上述任一实施例，一种手术导航装置，定位单元102为近红外波段的光学定位跟踪系统。

具体地，近红外波段光学定位跟踪系统，例如加拿大NDI公司的Polaris系列，多应用于对鲁棒性要求较高的领域，例如手术导航、机器人定位等。依据标靶工作方式不同，可将近红外波段光学定位跟踪系统分为主动式光学定位系统和被动式光学定位系统。

主动式光学定位系统采用能自主发射近红外波长光信号的标记点作为光学定位跟踪的特征点，无需近红外照明系统提供光源环境。主动式光学定位跟踪系统的最大优势在于通过预先设定的发光模式(如频闪模式)，在图像处理过程中可以较为准确地识别特征点，并确定平面图像坐标。不过主动发光的标靶需要额外电源支持。

被动式光学定位跟踪系统利用光学反射方法，在标记球上附着近红外波长反射材料，增强标记球对照明近红外光的反射能力，从而达到图像中标记球与周围环境明显区分的目的。本发明实施例中的第一视觉标记201和第二视觉标记202可以是能够自主发射近红外波长光信号的标记点，也可以是附着近红外波长反射材料的标记球，本发明实施例不对此作具体限定。

基于上述任一实施例，一种手术导航装置，定位单元102与显示单元103通过无线连接。具体地，定位单元102和显示单元103之间可以通过2G/3G/4G、WIFI、蓝牙或者ZigBee等无线连接方式进行信息传输，本发明实施例不对此作具体限定。

基于上述任一实施例，一种手术导航装置，当手术导航装置应用于种牙手术时，第二视觉标记202装设在患者的颌骨上。

具体地，当患者头部移动时，视觉传感器203能够检测到装设在患者颌骨上的第二视觉标记202位置的变化，进而更新患者颌骨在视觉坐标系下的空间位置和姿态，实现虚拟手术场景的更新。

为了更好地理解与应用本发明提出的一种手术导航装置，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。

口腔种牙手术是在狭小空间内局部麻醉下的精密操作，医生需要手持种植手机(即手术器械)将与人体骨质兼容的种植体植入缺牙区的牙槽骨内。经过一段时间，当人工牙根与牙槽骨密合后，再在人工牙根上制作牙冠。影响手术效果的关键是种植体的植入精度，而由于口腔的非直视环境、操作空间狭小以及医生缺乏经验等因素，造成手术的失败率较高。当前用于种牙手术的导航装置中，定位单元捕获光学标记点的位置姿态后，将对应的虚拟手术器械和患者颌骨三维模型显示在屏幕上。医生在种牙过程中需要一边操作手术器械一边观察屏幕，以便使虚拟手术器械准确达到规划的种植位置，同时避免误操作伤及患者。这种方法对医生操作时的注意力要求较高，操作时视线要在屏幕和患者之间切换，而外界环境的快速变化以及眼睛焦距的不断调整会产生延迟与不适。严重情况下，可能导致医疗事故的发生。

为了解决这一问题，本示例提供了一种用于种牙手术的导航装置，参考图2，将虚拟手术场景显示在种植手机的显示单元103上，让医生更有效直观地观察到患者口腔内部解剖结构，并根据实际情况及时调整手术操作，以提升医生手术操作的效率。

用于种牙手术的导航装置的定位单元102主要由视觉传感器203和视觉标记组成。当视觉标记处于视觉传感器203的视野中时，传感器能根据双目相机模型计算出视觉标记在视觉坐标系下的空间位置和姿态。

其中，在种植手机上安装有第一视觉标记201，在虚拟手术场景中根据第一视觉标记201的实际位置和姿态对虚拟种植手机(虚拟手术器械101)进行更新。同时患者颌骨上也需要固定一组第二视觉标记202，当患者头部移动时，根据第二视觉标记202的位置和姿态更新虚拟手术场景中的患者颌骨解剖结构图。

参考图3，连接单元用于将显示单元103连接到种植手机上，其上端即屏幕夹持机构301与第一视觉标记201连接在一起。将显示单元103(例如手机、Pad等)放入屏幕夹持机构301的屏幕托槽303中后，通过屏幕托槽303下端的紧定旋钮304锁进行固定。屏幕托槽303主体是一个矩形结构，可在一定尺寸范围内适配不同大小的显示单元103。

连接单元下端为器械夹持机构302，本示例中器械夹持机构302为卡环状结构，用于夹在种植手机的外轮廓面上。夹紧后第一视觉标记201与种植手机之间的相对位置姿态关系固定不变。标定好这一相对位置姿态关系后就可将其应用于牙科种植导航手术中。视觉传感器203检测到第一视觉标记201的位置后，根据之前标定好的相对位置姿态关系可以间接计算出种植手机在视觉坐标系下的位置和姿态。比如医生最关心的器械末端(针尖)在虚拟手术场景中的位置姿态就可以实时更新。

医生手持种植手机进行钻孔等操作时，可以很方便地通过种植手机上的显示单元103观察到虚拟手术场景中的状况。比如下钻深度、角度、是否碰撞到上下颌神经管等信息，这些信息医生无法直接通过肉眼获得。而且操作时由于显示单元103与种植手机方位一致，医生无需频繁调整视线方向。这一设计能将手术导航装置的信息更直观地反馈给医生来指导现实环境中的手术，使手术操作更简便。

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

Claims (9)

1.一种手术导航装置，其特征在于，包括手术器械、定位单元和显示单元；其中，所述显示单元装设在所述手术器械上；

所述定位单元用于捕捉所述手术器械和手术区域的空间位置和姿态，所述显示单元用于显示虚拟手术场景，并根据所述手术器械和所述手术区域的空间位置和姿态更新所述虚拟手术场景中的虚拟手术器械和虚拟手术区域的位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位单元包括第一视觉标记、第二视觉标记和视觉传感器；

所述第一视觉标记装设在所述手术器械上，所述第二视觉标记装设在所述手术区域；

所述视觉传感器用于捕捉所述第一视觉标记的空间位置，并根据所述第一视觉标记的空间位置获取所述手术器械在视觉坐标系下的空间位置和姿态；还用于捕捉所述第二视觉标记的空间位置，并根据所述第二视觉标记的空间位置获取所述手术位置在视觉坐标系下的空间位置和姿态。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括连接单元，所述连接单元用于将所述显示单元装设在所述手术器械上；

所述连接单元包括屏幕夹持机构和器械夹持机构，其中所述屏幕夹持机构用于夹持所述显示单元，所述器械夹持机构用于夹持所述手术器械。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一视觉标记装设在所述连接单元上。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述屏幕夹持机构包括屏幕托槽，所述屏幕托槽槽壁上设置有螺纹通孔，紧定旋钮穿过所述螺纹通孔装设在所述屏幕托槽上。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述器械夹持机构为卡环状结构，所述器械夹持机构夹持在所述手术器械的外轮廓面上。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述视觉传感器根据所述第一视觉标记的空间位置，通过双目相机模型获取所述手术器械在视觉坐标系下的空间位置和姿态；

所述视觉传感器根据所述第二视觉标记的空间位置，通过双目相机模型获取所述手术位置在视觉坐标系下的空间位置和姿态。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述定位单元与所述显示单元通过无线连接。

9.根据权利要求2至7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，当所述装置应用于种牙手术时，所述第二视觉标记装设在患者的颌骨上。