CN109171962A - 用于导航手术的手术器械标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导航手术器械标定系统及标定方法,标定系统包括导航仪、标定台、标定台参考标记、手术器械参考标记、计算机、显示器，标定时只需把手术器械手持固定在标定台上的标准位置上，利用标定台的结构化参数，使用导航仪一次性同时采集手术器械和标定台的所有参考标记图像，通过几何解析算法软件直接计算出手术器械轴向向量和尖端位置，记录手术器械的模板位置，完成手术器械标定。这种系统采集一次图像即可完成全部参数标定，可大大减少采集图像的次数，简化标定过程，提高标定的精度和可靠性，使整个标定过程省时省力，效率高，误差小；标定过程动作简单，操作方便，可明显降低标定失败的风险，提高标定成功率；标定台结构简单，精确可靠，易于制造和使用。

Description

用于导航手术的手术器械标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种用于导航手术的手术器械标定系统。此外，本发明还涉及一种用于导航手术的手术器械标定方法。

背景技术

近年来，为了提高手术的准确性和成功率，手术中越来越多地使用了导航系统，在手术过程中为医生提供手术部位和器械的可视化信息，进行器械导航和监控。在手术导航过程中，实际手术器械操作仍由医生完成，因此，这种导航系统仅起到辅助作用，属于被动式的图像引导手术。

为了利用导航仪准确地跟踪带有参考标记的手术器械，需要在每次手术的导航开始之前，建立对手术器械尖端、轴向向量与手术器械参考标记空间位置之间的坐标变换关系，进行手术器械的标定。标定的基本工作原理是：在手术导航前，利用导航仪获取手术器械在某一空间位置时的尖端坐标和轴向向量，该位置称为“模板”位置，该位置处的手术器械参考标记的空间坐标称为“模板坐标”。在后续的导航过程中，导航仪通过采集手术器械参考标记的空间坐标，就可以求取当前位置和模板位置之间的空间坐标变换矩阵，将模板位置变换为当前位置，从而得到当前位置下的手术器械尖端位置和轴向向量。

在现有的导航手术器械标定系统和标定方法中，最具有代表性的是美国Stryker手术导航系统。该系统的标定台由上、中、下三层平台组成，其中上、中两平台中间有固定手术器械的定位轴孔，带有锁紧装置；与下层平台固定连接的动态基准带有多个参考标记，用于计算补偿在标定过程中由于标定台意外移动造成的标定误差；上层平台的多个支撑柱上端被制作成凹坑形状，用于放置手术器械尖端。标定时，首先需采集模板坐标，即利用导航仪采集手术器械上的参考标记，同时采集动态基准上的参考标记；然后，将手术器械尖端放标定台支撑柱上端的凹坑之中，在保持手术器械尖端固定不动的情况下，面向导航仪围绕尖端摇动手术器械(一般至少需摇动8次)，导航仪采集所有参考标记图像，计算获得手术器械尖端标定数据；最后，将手术器械插入标定台的定位轴孔之中，锁紧固定，保持手术器械轴向不变，面向导航仪转动手术器械(一般至少需转动8次)，导航仪采集所有参考标记图像，计算获得轴向向量的标定数据。

这种标定技术具有一定的适用性和通用性，迄今一直都被广泛应用于导航开始前的手术器械标定。但是由于标定算法采用基于最小二乘法原理的数值逼近算法，需要多次采集参考标记图像以保证标定精度，因此造成了诸多无法避免的缺陷，如：手术器械的尖端和轴向分开标定，需反复多次采集大量图像，在实际使用中至少需要采集17幅带有全部参考标记的图像，由于每次采集图像时手术器械的旋转角度变化范围很小，图像很难采集清楚，经常需重复返工，过程耗时耗力，大大增加了标定失败的不确定性因素，浪费了宝贵的手术时间；在尖端标定过程中，由于需要围绕凹坑顶端的一点摇动手术器械来采集图像，而实际上器械尖端在凹坑中存在形状误差和滑动误差，无法始终固定在一点，这会影响尖端标定精度，进而影响随后进行的轴向标定精度(需尖端标定结果作为初始条件)；多次采集图像还带来标定台意外移动的风险，尽管可以通过动态基准来去除误差，但由此带来的系统误差和计算误差则无法避免；标定算法复杂；另外，标定台结构复杂，重量较大，难于制造，价格昂贵，对于导航系统的大范围推广使用造成了较大影响。

因此，提高手术器械标定的效率和精度，降低标定复杂程度，简化标定过程，节省术中的导航准备时间，是本领域技术人员目前迫切需要解决的关键性技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于导航手术的手术器械标定系统，结构简单，易于制造，可以用来高效、准确地完成导航手术器械的标定。本发明的另一目的是提供一种相应的手术器械标定方法，可以大幅度提高手术器械标定的效率和精度，降低标定复杂程度，简化标定过程，节省术中的导航准备时间。

为实现上述发明目的，本发明提供一种用于导航手术的手术器械标定台，包括：

标定参考板，设置有定位结构和标定参考标记，用于固定手术器械，并提供标定参考标记的空间位置坐标；

基座，与标定参考板固定连接，用于辅助固定手术器械，并校验手术器械的轴向变形。

优选地，所述标定参考板包括一个V型槽、两个标定基板和连接平台；其中，所述V型槽用于限制手术器械的两个移动自由度和两个转动自由度；所述两个标定基板对称分布在V型槽两侧，用于固定安装标定台参考标记，其表面呈大于0°小于180°角度相交，相交线与所述V型槽的底线平行或重合；所述V型槽和所述两个标定基板之间的部分为连接平台。

优选地，所述基座包括固定平台、两个支撑体和挡板；其中，所述固定平台用于固定所述标定参考板；所述两个支撑体对称设置于所述固定平台的两侧，且表面平行，与所述固定平台表面相垂直；所述挡板设于所述两个支撑体的末端，挡板表面垂直于所述标定参考板上的V型槽的两个夹持面以及两个标定基板面，用于顶住手术器械的尖端，限制手术器械轴向的移动自由度。

优选地，所述两个支撑体上分别设有镂空孔和多个不同孔径的导孔，所有对应导孔的分布位置和孔径相同，其中至少有一对导孔与手术器械中轴的尺寸相当，用于插入相应尺寸的手术器械，校验手术器械轴向是否弯曲变形；所述两个支撑体末端为圆弧形。

在此基础上，本发明提供一种用于导航手术的手术器械标定系统，包括：

导航仪，主要由两台红外摄像机组成，用于采集标定台和手术器械的参考标记，完成手术器械的标定过程；

所述手术器械标定台；

标定台参考标记，固定于所述手术器械标定台的两个标定基板上，用于在标定时为所述导航仪提供两侧所述标定基板的法向向量，从而通过计算得到手术器械的轴向向量；

手术器械参考标记，固定于手术器械上，用于为所述导航仪提供手术器械的位置坐标；

计算机，用于根据所述导航仪采集到的各种参考标记和预置的标定台结构参数，利用标定算法及软件，计算手术器械的尖端空间位置和轴向向量；

显示器，用于显示所述导航仪采集到的所述标定台参考标记和手术器械参考标记，辅助判断标定效果。

优选地，所述手术器械参考标记和所述标定台参考标记均由被动反光材料制成；

优选地，所述手术器械参考标记和所述标定台参考标记均为固定的球状或平面圆形标记，球心或圆心位于同一平面内，且与所在固定平面平行。

优选地，每个标定基板上的所述标定台参考标记数量不少于3个，且至少有3个呈三角形分布。

优选地，每个手术器械上的所述手术器械参考标记数量不少于3个，且至少有3个呈非对称三角形分布。

另外，本发明还提供一种用于导航手术的手术器械标定方法，包括：

步骤1、将所述手术器械参考标记面向所述导航仪，把手术器械放入所述手术器械标定台的V形槽中，压紧手术器械,使其固定在V形槽内，并将手术器械尖端顶住所述标定台挡板内表面；

步骤2、所述导航仪同时采集所述标定台参考标记和所述手术器械参考标记图像；

步骤3、所述计算机处理所述标定台参考标记和所述手术器械参考标记图像，确定圆心位置，保存所述手术器械参考标记的空间坐标作为“模板”位置，计算手术器械轴向向量和尖端位置。

优选地，在开始标定时，所述导航仪设定在标定模式；标定结束后，所述导航仪切换为导航模式，开始对手术器械进行术中导航。

优选地，在标定模式下，在进行步骤A之前，须将手术器械按尺寸大小垂直插入所述标定台两侧支撑体上对应的一对导孔中校验手术器械是否弯曲，如能够顺利插入并正反转动灵活，则表明手术器械轴向没有弯曲变形，可进行下一步操作，否则需要更换手术器械。

本发明提供的手术器械标定台可完成一次性完成手术器械定位和标定过程，结构简单，精确可靠，易于制造和使用。本发明提供的手术器械标定系统，利用手术器械标定台的结构化参数，直接把手术器械固定在标定台上的标准位置上，使用导航仪同时采集手术器械和标定台的所有参考标记图像，通过几何解析算法软件直接计算出手术器械轴向向量和尖端位置，并记录手术器械的模板位置，完成手术器械标定。这种导航手术器械标定系统除了结构与现有技术完全不同以外，相比还具有以下优点及突出性效果：使用本发明提供的手术器械标定系统，只需采集一次图像即可完成全部参数标定，大大减少了采集图像的次数，简化了标定过程，提高了标定的精度和可靠性，使整个标定过程省时省力，效率高，误差小；标定过程动作简单，操作方便，降低了标定失败的风险。在提供上述导航手术器械标定系统的基础上，本发明还提供一种应用所述手术器械标定系统的标定方法，由于标定系统具有上述技术效果，应用该标定方法也具有相应的技术效果。

附图说明

图1为本发明所提供手术器械标定系统的一种具体实施方式的工作示意图，其中包括：导航仪1、手术器械标定台2、标定台参考标记3、手术器械参考标记4、计算机5、显示器6、病体7。

图2为本发明所提供的手术器械标定台结构示意图，其中包括：标定参考板8、基座9、V型槽10、连接平台11、标定基板12、固定平台13、支撑体14、挡板15、镂空孔16、导孔17。

图3为本发明所提供手术器械标定台参考标记的一种具体实施方式。

图4为本发明所提供手术器械参考标记的一种具体实施方式。

图5为本发明所提供手术器械标定系统中的标定台导孔的一种具体实施方式。

图6为将手术器械固定在手术器械标定台V型槽内的一种具体实施方式。

图7为本发明所提供手术器械标定方法的一种具体实施方式的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于导航手术的手术器械标定系统，结构简单，易于制造，可以用来高效、准确地完成导航手术器械的标定。本发明的另一核心是提供一种应用所述手术器械标定系统的手术器械标定方法，可以大幅度提高手术器械标定的效率和精度，降低标定复杂程度，简化标定过程，节省术中的导航准备时间。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明所提供手术器械标定系统的一种具体实施方式的工作示意图。该系统包括：导航仪1、手术器械标定台2、标定台参考标记3、手术器械参考标记4、计算机5、显示器6，病体7。

其中，导航仪1在标定模式下用于采集标定台和手术器械的参考标记，完成导航手术器械的标定过程；切换到导航模式后，可用于追踪手术器械参考标记4，在病体7上对手术器械进行术中导航。手术器械标定台2用于固定手术器械，并为导航仪1提供手术器械在模板位置时的所有相关参考标记的空间位置。标定台参考标记3固定于所述手术器械标定台2上，用于在标定时为导航仪1提供两侧标定基板的法向向量，从而通过计算得到手术器械的轴向向量。手术器械参考标记4固定于手术器械上，用于在标定时为所述导航仪1提供手术器械的模板位置坐标，并在后续导航手术中提供手术器械当前位置的参考标记坐标，通过计算确定手术器械当前位置与模板位置之间的空间坐标变换矩阵，从而进一步计算出手术器械当前位置的轴向向量和尖端位置。计算机5用于根据所述导航仪1采集到的各种参考标记和预置的标定台结构参数，利用标定算法及软件，计算手术器械的尖端空间位置和轴向向量。显示器6用于显示所述导航仪1采集到的标定台参考标记3和手术器械参考标记4，辅助医生判断标定效果。

标定计算涉及两个坐标系：其一为标定台坐标系；其二为导航仪坐标系，用“’”上标表示，。标定台坐标系下的数据是依据标定台的设计尺寸计算得出，而实际导航坐标系下的数据是由导航仪所采集的图像数据计算得出。

图2为本发明所提供的手术器械标定台结构示意图，其中包括：标定参考板8、基座9、V型槽10、连接平台11、标定基板12、固定平台13、支撑体14、挡板15、镂空孔16、导孔17。

其中，标定参考板8与基座9固定连接，所有结构参数已知，用于固定和定位手术器械，并为导航仪提供手术器械在模板位置时的所有相关参考标记的空间位置；基座9与标定参考板固定连接，用于辅助固定手术器械，并校验手术器械的轴向变形。

标定参考板8包括一个V型槽10、两个标定基板12和连接平台11；V型槽10用于限制手术器械与其轴线垂直的两个移动自由度和垂直于轴线的两个转动自由度；两个标定基板12对称分布在V型槽10的两侧，用于固定安装标定台参考标记；标定基板12和V型槽10之间的部分为连接平台11；两个标定基板12的表面呈150°角度相交，相交线与V型槽10的底线重合。

基座9包括固定平台13、两个支撑体14和挡板15；固定平台13用于固定标定参考板8；两个支撑体14对称设置于固定平台13的两侧，且表面平行，与固定平台13的表面相垂直，用于支撑固定平台13以及校验手术器械轴向是否弯曲变形，使用时需将手术器械按不同尺寸垂直插入相应尺寸孔径的一对导孔17中校验手术器械是否弯曲变形；挡板15设于两个支撑体14的末端，挡板15的表面垂直于标定参考板8上V型槽10的两个夹持面以及两个标定基板12的表面，用于标定时顶住手术器械的尖端，限制手术器械轴向的移动自由度。

支撑体14上设有镂空孔16，用于手持把握，同时减轻基座9的重量，并提高其美观程度；上面设有7个不同孔径的导孔17，两个支撑体14上的所有导孔的分布位置和孔径完全相同并一一对应，其中至少有一对导孔与手术器械中轴的尺寸相当，用于固定手术器械；空间位置相同的导孔的尺寸也相同，用于插入相应尺寸的手术器械，判别手术器械轴向是否有弯曲变形，起到提前校验的作用；末端为圆弧形，用于标定时支撑标定台2，并减轻支撑体14的重量。

图3为本发明所提供标定台参考标记的一种具体实施方式。标定台参考标记3固定于在标定台2两侧对称布置的两个同样的标定基板12上，参考标记3的位置已提前固定并已知，在标定时为导航仪1提供标定基板12的法向向量；每个标定基板12上的标定台参考标记为3个，呈锐角三角形分布。如果超过3个参考标记，则至少有3个呈三角形分布。

设两侧标定基板12上的6个标定参考标记3的代码分别为1、2、3和4、5、6，导航仪1采集到的标定台参考标记3的三维坐标为：

T′＝{P_i′，i＝1，2，...，6}

则标定基板12的面法线向量分别为：

图4为本发明所提供手术器械参考标记的一种具体实施方式。手术器械参考标记4固定于手术器械上，在标定时为导航仪1提供手术器械的模板位置及坐标，并在后续导航手术中提供手术器械当前位置的参考标记坐标，用于计算手术器械在术中当前位置时的尖端位置坐标；手术器械上的参考标记数量为4个，其中3个呈锐角三角形分布，另外1个在三角形内部；所有参考标记都固定在一个平行于手术器械轴线的平面支架上，支架与手术器械通过一个支撑体固定连接二者之间留有医生握持手术器械的空间。

在进一步的技术方案中，标定台参考标记3和手术器械参考标记4均由被动反光材料制作，可以在灯光等其它光的作用下被识别，不需要在参考标记上额外增加光源，从而简化参考标记的结构，降低成本，而且这种简单结构也便于医务人员在导航过程中操作；参考标记3和参考标记4均为固定在支架上的球状或平面圆形标记，球心或圆心位于同一平面内，且与所在固定平面平行，可满足反光要求，达到识别的目的。

图5为本发明所提供导航手术器械标定系统中的标定台导孔的一种具体实施方式。在两个支撑体14上分别设有镂空孔16和7个不同孔径的导孔17，所有对应导孔的分布位置和孔径相同，至少有一对导孔与手术器械中轴的尺寸相当。标定时将手术器械按中轴的不同尺寸垂直插入相应的导孔对中校验手术器械是否弯曲，如能够顺利插入并正反转动灵活，则表明手术器械轴向没有弯曲变形，可进行下一步操作，否则需要更换手术器械。

图6为将手术器械固定在标定台的V型槽内的一种具体实施方式。标定时将手术器械参考标记4面向导航仪1，把手术器械放入V形槽10中，用手指压紧手术器械,使其固定在V形槽10内，并将手术器械尖端顶住挡板15的内表面，通过导航仪1测定的标定台参考标记3的空间位置，计算得到手术器械的轴向向量和尖端位置。

由于手术器械的中轴紧靠V形槽，因此轴向与两个标定基板面的相交线平行，则手术器械轴向向量为：

设标定台坐标系原点O为V型槽10与标定参考板内侧垂直面的交点，手术器械的中轴半径为R，轴心为O’，其偏离原点O的距离OO’为：

其中，Φ为两个标定基板12表面的相交角度。

手术器械轴心线偏离V型槽10底线的向量为：

设挡板15与标定参考板内侧垂直面之间的距离为L，则标定台坐标系下的手术器械尖端坐标为：

设标定台坐标系下的标定参考标记坐标为T⁰，导航仪坐标系下的标定参考标记坐标为T′，利用SVD算法可获得两组坐标的旋转矩阵R与平移向量如下式：

其中P_i ⁰∈T⁰，P′_i∈T′，i＝1，2，...，6 (6)

则导航仪坐标系下的手术细器械尖端坐标为：

图7为本发明所提供导航手术器械标定方法的一种具体实施方式的流程图。首先将手术导航系统启设定在标定模式；将手术器械按不同尺寸垂直插入相应的支撑体14上的导孔17中，检测手术器械轴向是否弯曲变形；将手术器械参考标记4面向导航仪1，把手术器械放入V形槽10中，用手指压紧手术器械,使其固定在V形槽10内，并将手术器械尖端顶住挡板15的内表面，此时标定基板12上的标定台参考标记3也应该同时面向导航仪1；导航仪1同时采集标定台参考标记3和手术器械参考标记4的图像；计算机5处理标定台参考标记3和手术器械参考标记4的图像，确定圆心位置，保存手术器械参考标记模板位置，并根据已知的标定台2结构参数和参考标记3及参考标记4的空间位置，利用专用软件算法分别计算出手术器械的轴向向量和尖端位置；手术器械标定结束，将手术导航系统从标定模式切换到导航模式，导航仪开始在术中追踪手术器械上的参考标记进行手术导航。

以上对本发明所提供的导航手术器械标定系统及标定方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于导航手术的手术器械标定台，其特征在于，包括：

标定参考板，设置有定位结构和标定参考标记，用于固定手术器械，并提供标定参考标记的空间位置坐标；

基座，与标定参考板固定连接，用于辅助固定手术器械，并校验手术器械的轴向变形。

2.根据权利要求1所述的手术器械标定台，其特征在于，所述标定参考板包括一个V型槽、两个标定基板和连接平台；其中，所述V型槽用于限制手术器械的两个移动自由度和两个转动自由度；所述两个标定基板对称分布在V型槽两侧，用于固定安装标定台参考标记，其表面呈大于0°小于180°角度相交，相交线与所述V型槽的底线平行或重合；所述V型槽和所述两个标定基板之间的部分为连接平台。

3.根据权利要求1所述的手术器械标定台，其特征在于，所述基座包括固定平台、两个支撑体和挡板；其中，所述固定平台用于固定所述标定参考板；所述两个支撑体对称设置于所述固定平台的两侧，且表面平行，与所述固定平台表面相垂直；所述挡板设于所述两个支撑体的末端，挡板表面垂直于所述标定参考板上的V型槽的两个夹持面以及两个标定基板面，用于顶住手术器械的尖端，限制手术器械轴向的移动自由度。

4.据权利要求3所述的基座，其特征在于，所述两个支撑体上分别设有镂空孔和多个不同孔径的导孔，所有对应导孔的分布位置和孔径相同，其中至少有一对导孔与手术器械中轴的尺寸相当，用于插入相应尺寸的手术器械，校验手术器械轴向是否弯曲变形；所述两个支撑体末端为圆弧形。

5.一种用于导航手术的手术器械标定系统，其特征在于，包括：

导航仪，主要由两台红外摄像机组成，用于采集标定台和手术器械的参考标记，完成手术器械的标定过程；

所述手术器械标定台；

标定台参考标记，固定于所述手术器械标定台的两个标定基板上，用于在标定时为所述导航仪提供两侧所述标定基板的法向向量，从而通过计算得到手术器械的轴向向量；

手术器械参考标记，固定于手术器械上，用于为所述导航仪提供手术器械的位置坐标；

计算机，用于根据所述导航仪采集到的各种参考标记和预置的标定台结构参数，利用标定算法及软件，计算手术器械的尖端空间位置和轴向向量；

显示器，用于显示所述导航仪采集到的所述标定台参考标记和手术器械参考标记，辅助判断标定效果。

6.根据权利要求5所述的手术器械标定系统，其特征在于，所述手术器械参考标记和所述标定台参考标记均由被动反光材料制成。

7.根据权利要求5所述的手术器械标定系统，其特征在于，所述手术器械参考标记和所述标定台参考标记均为固定的球状或平面圆形标记，球心或圆心位于同一平面内，且与所在固定平面平行。

8.根据权利要求5所述的手术器械标定系统，其特征在于，每个标定基板上的所述标定台参考标记数量不少于3个，且至少有3个呈三角形分布。

9.根据权利要求5所述的手术器械标定系统，其特征在于，每个手术器械上的所述手术器械参考标记数量不少于3个，且至少有3个呈非对称三角形分布。

10.一种用于导航手术的手术器械标定方法，其特征在于，包括：

A、将所述手术器械参考标记面向所述导航仪，把手术器械放入所述手术器械标定台的V形槽中，压紧手术器械,使其固定在V形槽内，并将手术器械尖端顶住所述标定台挡板内表面；

B、所述导航仪同时采集所述标定台参考标记和所述手术器械参考标记图像；

C、所述计算机处理所述标定台参考标记和所述手术器械参考标记图像，确定圆心位置，保存所述手术器械参考标记的空间坐标作为“模板”位置，计算手术器械轴向向量和尖端位置。

11.根据权利要求10所述的手术器械标定方法，其特征在于，在开始标定时，所述导航仪设定在标定模式；标定结束后，所述导航仪切换为导航模式，开始对手术器械进行术中导航。

12.根据权利要求10所述的手术器械标定方法，其特征在于，在标定模式下，在进行步骤A之前，须将手术器械按尺寸大小垂直插入所述标定台两侧支撑体上对应孔径的一对导孔中校验手术器械是否弯曲，如能够顺利插入并正反转动灵活，则表明手术器械轴向没有弯曲变形，可进行下一步操作，否则需要更换手术器械。