CN108836377A - 一种轮廓采集装置及配准定位的方法 - Google Patents

一种轮廓采集装置及配准定位的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及配准定位技术领域，尤其涉及一种轮廓采集装置及配准定位的方法，包括光电跟踪设备和采集设备，采集设备包括感应组件和探杆，感应组件包括固定部和位于固定部上的感应部，探杆为直杆，探杆的前端为尖端，探杆的后端与固定部连接，尖端在感应部组成标定坐标系中标定，尖端接触被测样体的外表面并可在被测样体的外表面移动，光电跟踪设备与感应部电连接。本发明轮廓采集装置的感应部构设标准坐标系，探杆的尖端在标准坐标系下的位置预先已被标定，探杆放到被测样体的外侧，尖端接触被测样体的表面并按照被测样体的表面轮廓划动，光电跟踪设备对标准坐标系进行实时跟踪，获得尖端的位置，从而确定被测样体表面的轮廓。

Description

一种轮廓采集装置及配准定位的方法
技术领域
本发明涉及配准定位技术领域，尤其涉及一种轮廓采集装置及配准定位的方法。
背景技术
在外部物体可视的环境条件下，对于外部内体内部的非可视位置点或物体的位置确定仍然存在一定的困难，在外部物体不可破除的情况下，虽然可通过扫描等方式对外部物体轮廓进行确定，但对内部非可视的目标物体的定位依旧不能方便快捷且满足一定精度和准确度的进行。例如，在传统的肺肿瘤结节切除手术中，肿瘤结节的定位主要依靠术前CT引导置入弹簧标记物，从而在术中根据弹簧标记物的位置来定位结节所在的肺段，该方法一是术前需要对人体置入弹簧，对人体会造成额外伤害，二是需要CT反复的引导下置入弹簧，因而患者会承受较大的辐射损伤。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种对物体进行轮廓采集的装置及对非可视物体进行配准定位的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种轮廓采集装置，包括光电跟踪设备和采集设备，所述采集设备包括感应组件和探杆，所述感应组件包括固定部和位于所述固定部上的感应部，所述探杆为直杆，所述探杆的前端为尖端，所述探杆的后端与所述固定部连接，所述尖端在所述感应部组成标定坐标系中标定，所述尖端接触被测样体的外表面并可在所述被测样体的外表面移动，所述光电跟踪设备与所述感应部电连接。
其中，所述尖端的形状为球状。
其中，所述感应部包括三个主定位球。
其中，所述感应部还包括至少一个辅助定位球。
其中，所述固定部为十字型的固定杆，三个所述主定位球和一个所述辅助定位球分别位于所述固定杆的四个杆端。
其中，所述探杆的后端与所述辅助定位球所在的所述固定杆的杆端连接。
其中，所述探杆为刚性件。
本发明还提供了一种利用上述轮廓采集装置进行配准定位的方法，目标物体为位于基础物体内侧的非可视物体，包括以下步骤：
S1，获取基础物体和目标物体的三维CT数据，根据基础物体和目标物体的三维CT数据重建出基础物体和目标物体的三维轮廓，得到基础物体与目标物体在虚拟环境中的相对位置关系；
S2，根据基础物体与目标物体在虚拟环境中的相对位置关系，选取实际环境中目标物体附近的部分基础物体作为配准的基准参考物体；
S3，通过轮廓采集装置获取基准参考物体的三维轮廓；
S4，将基准参考物体的三维轮廓与基础物体和目标物体的三维轮廓进行配准，使基础物体和目标物体在实际环境中的位置关系与其在虚拟环境中的位置关系实现统一；
S5，通过虚拟环境下目标物体的位置来引导定位实际环境下目标物体的位置。
其中，步骤S3具体包括以下步骤：
S31，将采集设备放置于基础物体的外侧；
S32，在基准参考物体的外侧表面划点，获取基准参考物体的外侧表面数据；
S33，通过光电跟踪设备根据基准参考物体的外侧表面数据形成基准参考物体外侧表面的三维轮廓。
其中，步骤S1中的基础物体和目标物体的三维轮廓，以及步骤S3中的基准参考物体的三维轮廓均显示在三维可视化环境下，步骤S5中在定位目标物体的实际位置时可参看三维可视化环境中配准后的三维轮廓进行定位。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明轮廓采集装置的感应部构设标准坐标系，探杆的尖端在标准坐标系下的位置预先已被标定，探杆放到被测样体的外侧，尖端接触被测样体的外表面并按照被测样体的表面轮廓划动，光电跟踪设备对标准坐标系进行实时跟踪，获得尖端的位置，从而确定被测样外体表面的轮廓。通过本发明光电导航定位获取被测样体的位置信息，进而定位与被测样体相关的目标物体所在的位置，从而可以在目标物体非肉眼可视的情况下实现对目标物体的配准定位。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例二配准定位的方法的流程图；
图2是本发明实施例一轮廓采集装置的采集设备的结构示意图。
图中：1：感应组件；2：探杆；11：固定部；12：感应部；21：尖端；121：主定位球；122：辅助定位球。
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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
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。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
如图2所示，本发明实施例提供的轮廓采集装置，包括光电跟踪设备和采集设备，采集设备包括感应组件1和探杆2，感应组件1包括固定部11和位于固定部11上的感应部12，探杆2为直杆，探杆2的前端为尖端21，探杆2的后端与固定部11连接，尖端21在感应部12组成标定坐标系中标定，尖端21接触被测样体的外表面并可在被测样体的外表面移动，光电跟踪设备与感应部12电连接。
本发明轮廓采集装置的感应部构设标准坐标系，探杆的尖端在标准坐标系下的位置预先已被标定，探杆放到被测样体的外侧，尖端接触被测样体的外表面并按照被测样体的表面轮廓划动，光电跟踪设备对标准坐标系进行实时跟踪，获得尖端的位置，从而确定被测样外体表面的轮廓。通过本发明光电导航定位获取被测样体的位置信息，进而定位与被测样体相关的目标物体所在的位置，从而可以在目标物体非肉眼可视的情况下实现对目标物体的配准定位。
本发明一般情况下可用于通过对可视物体的轮廓确定来定位与可视物体相关的非可视物体的位置，也可用于对肺肿瘤结节定位，以下本实施例主要根据其作为医疗器械应用时的情况进行描述。探杆放在到病灶位置对应的胸腔外部，尖端接触肋骨的外表面并按照被测样体的表面轮廓划动，光电跟踪设备对标准坐标系进行实时跟踪，获得尖端的位置，从而确定肋骨外表面的轮廓。实际手术中基于处在同一呼吸时相下，依据肺肿瘤结节与患者肋骨轮廓位置相对固定的关系，通过在术中在体表皮肤上划动即可得到一系列位置坐标信息，光电导航定位获取患者表面皮肤上对应的肋骨的皮肤轮廓，通过皮肤轮廓确定患者肋骨的位置信息，进而来定位肺结节所在的位置，从而可以在术中实现对肺肿瘤结节的配准定位，代替了术前需要CT反复的引导下对人体置入弹簧对人体置入弹簧，避免造成额外伤害和使患者会承受较大的辐射损伤。
其中，尖端21的形状为球状。球状结构的尖端是为了该采集设备在接触患者皮肤取点时能更平滑，同时不会对患者体表造成伤害。
其中，感应部12包括三个主定位球121。其中，感应部12还包括至少一个辅助定位球122。首先在光电跟踪设备的跟踪下，能实时获取三个主定位球的坐标，然后根据这三个坐标可以确定一个坐标系，比如以点A为原点，AC为X轴，ABC所在的平面为XY平面，辅助定位球用来校正主定位球所组成的坐标系，本实施例中辅助定位球为一个，这样就能精确标定出一个A、B、C、D四点构成的坐标系，这个坐标系能实时被光电跟踪设备跟踪。然后在使用过程中，只需光电跟踪设备跟踪点A，B，C，D，我们便可换算得到点E在光电导航坐标系下的坐标。本实施例中，定位球可采用反光球，光电跟踪设备可选用红外跟踪设备，红外跟踪设备发射红外线照射至反光球上，反光球进行反射，红外跟踪设备再接收反射光获取反光球相应的位置信息。
其中，固定部11为十字型的固定杆，三个主定位球121和一个辅助定位球122分别位于固定杆的四个杆端。十字状固定杆固定主定位球和副主定位球，位置明确有利于光电跟踪设备的定位跟踪。固定杆可用于在术中作为整个采集设备的手持件，便于医生操作。
其中，探杆2的后端与辅助定位球122所在的固定杆的杆端连接。其中，探杆2为刚性件。探杆为刚性与固定杆固定连接，形成整个采集设备的刚体结构，保证尖端与定位球之间的相对位置固定不动，尖端在四个定位球所组成的坐标系下的位置预先已被标定，所以在手术中只要尖端触碰到皮肤表面，其坐标位置信息能被实时采集获取。
使用时，将尖端(点E)放置于某一个固定的位置，然后在空间不断摇动采集设备。因为采集设备是刚性连接的，因此相当于点E不动，然后点A、B、C、D在绕着点E不断旋转。这个过程，对于点A而言，点E相当于球心(旋转中心)，点A在以一个半径为AE长度的球面上进行移动，这样根据点A在光电跟踪系下的大量坐标即可拟合出球心，也就是点E在光电跟踪系的坐标，而采集设备的4个定位球有基准坐标系，这样换算可以得到点E在工具自身基准坐标系下的坐标，即完成了尖端坐标在采集设备自身的坐标系下位置的标定。
实施例二
如图1所示，本实施例提供的利用轮廓采集装置进行配准定位的方法，目标物体为位于基础物体内侧的非可视物体，包括以下步骤：
S1，获取基础物体和目标物体的三维CT数据，根据基础物体和目标物体的三维CT数据重建出基础物体和目标物体的三维轮廓，得到基础物体与目标物体在虚拟环境中的相对位置关系；
S2，根据基础物体与目标物体在虚拟环境中的相对位置关系，选取实际环境中目标物体附近的部分基础物体作为配准的基准参考物体；
S3，通过轮廓采集装置获取基准参考物体的三维轮廓；
S4，将基准参考物体的三维轮廓与基础物体和目标物体的三维轮廓进行配准，使基础物体和目标物体在实际环境中的位置关系与其在虚拟环境中的位置关系实现统一；
S5，通过虚拟环境下目标物体的位置来引导定位实际环境下目标物体的位置。
其中，步骤S3具体包括以下步骤：
S31，将采集设备放置于基础物体的外侧；
S32，在基准参考物体的外侧表面划点，获取基准参考物体的外侧表面数据；
S33，通过光电跟踪设备根据基准参考物体的外侧表面数据形成基准参考物体外侧表面的三维轮廓。
其中，步骤S1中的基础物体和目标物体的三维轮廓，以及步骤S3中的基准参考物体的三维轮廓均显示在三维可视化环境下，步骤S5中在定位目标物体的实际位置时可参看三维可视化环境中配准后的三维轮廓进行定位。
实施例三
本实施例提供的利用上述实施例一中的轮廓采集装置进行肿瘤结节配准定位的方法，目标物体为肺肿瘤结节，基础物体为肋骨及皮肤，其特征在于：
本发明的使用方法如下：
S1、获取患者术前肋骨及皮肤和肺肿瘤结节的三维CT数据，根据肋骨及皮肤和肺肿瘤结节的三维CT数据重建出患者的肋骨及皮肤和肺肿瘤结节的三维轮廓，得到肋骨及皮肤和肺肿瘤结节在虚拟环境中的相对位置关系；
S2、根据肋骨及皮肤和肺肿瘤结节在虚拟环境中的相对位置关系，选取实际环境中肺肿瘤结节附近的两根肋骨作为配准的目标定位肋骨，比如结节在左侧第三肋骨和第四肋骨附近，则选择左侧第三肋骨和第四肋骨作为目标定位肋骨；
S3、在手术中，通过轮廓采集装置获取目标定位肋骨的外侧皮肤的三维轮廓；
S4、将目标定位肋骨及其外侧皮肤的三维轮廓与肋骨及皮肤和肺肿瘤结节的三维轮廓进行配准，使肋骨及皮肤和肺肿瘤结节在实际环境中的位置关系与其在虚拟环境中的位置关系实现统一；
S5，通过虚拟环境下肺肿瘤结节的位置来引导定位实际环境下肺肿瘤结节的位置。
其中，步骤S3具体包括以下步骤：
S31，在术中，医生将预先准备好的轮廓采集装置的采集设备放置于肋骨表面的皮肤上；
S32，在目标定位肋骨外侧皮肤表面进行划点，获取目标定位肋骨及其外侧表面皮肤的数据；
S33，通过光电跟踪设备根据目标定位肋骨及其外侧表面皮肤的数据形成目标定位肋骨及其外侧表面皮肤的三维轮廓。
其中，步骤S1中的肋骨及皮肤和肺肿瘤结节的三维轮廓，以及步骤S3中的目标定位肋骨的外侧皮肤的三维轮廓均显示在三维可视化环境下，步骤S5中在定位肺肿瘤结节的实际位置时可参看三维可视化环境中配准后的三维轮廓进行定位。
综上所述，本发明轮廓采集装置的感应部构设标准坐标系，探杆的尖端在标准坐标系下的位置预先已被标定，探杆放到被测样体的外侧，尖端接触被测样体的外表面并按照被测样体的表面轮廓划动，光电跟踪设备对标准坐标系进行实时跟踪，获得尖端的位置，从而确定被测样外体表面的轮廓。通过本发明光电导航定位获取被测样体的位置信息，进而定位与被测样体相关的目标物体所在的位置，从而可以在目标物体非肉眼可视的情况下实现对目标物体的配准定位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种轮廓采集装置，其特征在于：包括光电跟踪设备和采集设备，所述采集设备包括感应组件和探杆，所述感应组件包括固定部和位于所述固定部上的感应部，所述探杆为直杆，所述探杆的前端为尖端，所述探杆的后端与所述固定部连接，所述尖端在所述感应部组成标定坐标系中标定，所述尖端接触被测样体的外表面并可在所述被测样体的外表面移动，所述光电跟踪设备与所述感应部电连接。
2.根据权利要求1所述的轮廓采集装置，其特征在于：所述尖端的形状为球状。
3.根据权利要求1所述的轮廓采集装置，其特征在于：所述感应部包括三个主定位球。
4.根据权利要求3所述的轮廓采集装置，其特征在于：所述感应部还包括至少一个辅助定位球。
5.根据权利要求4所述的轮廓采集装置，其特征在于：所述固定部为十字型的固定杆，三个所述主定位球和一个所述辅助定位球分别位于所述固定杆的四个杆端。
6.根据权利要求5所述的轮廓采集装置，其特征在于：所述探杆的后端与所述辅助定位球所在的所述固定杆的杆端连接。
7.根据权利要求1所述的轮廓采集装置，其特征在于：所述探杆为刚性件。
8.一种利用上述权利要求1-7任意一项所述的轮廓采集装置进行配准定位的方法，其特征在于：目标物体为位于基础物体内侧的非可视物体，包括以下步骤：
S1，获取基础物体和目标物体的三维CT数据，根据基础物体和目标物体的三维CT数据重建出基础物体和目标物体的三维轮廓，得到基础物体与目标物体在虚拟环境中的相对位置关系；
S2，根据基础物体与目标物体在虚拟环境中的相对位置关系，选取实际环境中目标物体附近的部分基础物体作为配准的基准参考物体；
S3，通过轮廓采集装置获取基准参考物体的三维轮廓；
S4，将基准参考物体的三维轮廓与基础物体和目标物体的三维轮廓进行配准，使基础物体和目标物体在实际环境中的位置关系与其在虚拟环境中的位置关系实现统一；
S5，通过虚拟环境下目标物体的位置来引导定位实际环境下目标物体的位置。
9.根据权利要求8所述的配准定位的方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：
S31，将采集设备放置于基础物体的外侧；
S32，在基准参考物体的外侧表面划点，获取基准参考物体的外侧表面数据；
S33，通过光电跟踪设备根据基准参考物体的外侧表面数据形成基准参考物体外侧表面的三维轮廓。
10.根据权利要求8所述的配准定位的方法，其特征在于：步骤S1中的基础物体和目标物体的三维轮廓，以及步骤S3中的基准参考物体的三维轮廓均显示在三维可视化环境下，步骤S5中在定位目标物体的实际位置时可参看三维可视化环境中配准后的三维轮廓进行定位。
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