CN110811836B - 一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维空间定位导航技术领域，具体涉及一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法和系统，在当前环境中建立虚拟三维坐标系；对于当前环境中任意靶点，构建靶点到第一平面、第二平面和第三平面的距离数据，其中第三平面垂直于第一、第二平面，第一、第二平面相互垂直。利用靶点到三个平面的距离数据作为三维坐标的数据来确定位置；采用自动导航系统根据第一距离数据和第二距离数据构建第一目标点和第二目标点之间的导航路径。位移驱动系统用于根据导航路径驱动手术设备从所述第一目标点移动到第二目标点。这样无需建立框架结构来实现立体定位和导航，避免了限制手术空间，导致不方便手术的技术问题。

Description

一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法和系统

技术领域

本发明涉及三维空间定位导航技术领域，具体涉及一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法和系统。

背景技术

现有技术中进行手术时候经常需要对一些重要点位进行体定位，一般的都需要选用框架结构来搭建三维模型，选用框架结构对物体、身体周围空间，尤其是医疗领域限制了手术的空间，使得手术非常的不方便。

发明内容

为了解决现有技术中采用框架结构搭建三维模型时，限制了手术空间，导致不方便手术的技术问题，本申请提供一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法和系统。

一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法,包括：

在当前环境中建立虚拟三维坐标系，其中任意两个互相垂直的第一平面和第二平面构成一个三维立体空间模型；

对于当前环境中任意第一目标点和第二目标点，构建经过第一目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第一目标直线，同时构建经过第二目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第二目标直线；

获取所述第一目标直线到第一平面和第二平面的第一距离数据，用于表示所述第一目标点在所述三维坐标系中的位置，同时获取所述第二目标直线到第一平面和第二平面的第二距离数据，用于表示所述第二目标点在所述三维坐标系中的位置；

采用自动导航系统根据所述第一距离数据和第二距离数据构建所述第一目标点和第二目标点之间的导航路径。

进一步的，该方法还包括：位移驱动系统用于根据所述导航路径驱动手术设备从所述第一目标点移动到第二目标点。

一种虚实结合的三维建模立体定位导航系统，包括：

模型构建模块，用于在当前环境中建立三维坐标系，其中任意两个互相垂直的第一平面和第二平面构成一个三维立体空间模型；

目标直线构建模块，用于对于当前环境中任意第一目标点和第二目标点，构建经过第一目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第一目标直线，同时构建经过第二目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第二目标直线；

位置确认模块，用于获取所述第一目标直线到第一平面和第二平面的第一距离数据，用于表示所述第一目标点在所述三维坐标系中的位置，同时获取所述第二目标直线到第一平面和第二平面的第二距离数据，用于表示所述第二目标点在所述三维坐标系中的位置；

导航规划模块，用于采用自动导航系统根据所述第一距离数据和第二距离数据构建所述第一目标点和第二目标点之间的导航路径。

进一步的，该系统还包括位移驱动系统，用于根据所述导航路径驱动手术设备从所述第一目标点移动到第二目标点。

依据上述实施例的虚实结合的三维建模立体定位导航方法和系统，在当前环境中建立虚拟三维坐标系，其中任意两个互相垂直的第一平面和第二平面构成一个三维立体空间模型；对于当前环境中任意第一目标点和第二目标点，构建经过第一目标点且分别平行直于第一平面和第二平面的第一目标直线，同时构建经过第二目标点且分别平行于第一平面和第二平面的第二目标直线；获取第一目标直线到第一平面和第二平面的第一距离数据，用于表示第一目标点在三维坐标系中的位置，同时获取第二目标直线到第一平面和第二平面的第二距离数据，用于表示第二目标点在三维坐标系中的位置；采用自动导航系统根据第一距离数据和第二距离数据构建第一目标点和第二目标点之间的导航路径。位移驱动系统用于根据导航路径驱动手术设备从第一目标点移动到第二目标点。这样无需建立框架结构来实现立体定位和导航，避免了限制手术空间，导致不方便手术的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例的定位导航方法流程图；

图2为本申请实施例建立的三维模型结构示意图；

图3为本申请实施例建立的三维模型结构辅助说明示意图；

图4为本申请实施例建立的三维模型结构在另一种状态下的辅助说明示意图；

图5为本申请实施例的定位导航系统结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

实施例一：

请参考图1，本实施例提供一种虚实结合的三维建模立体定位导航方法，该方法包括：

步骤101：在当前环境中建立虚拟三维坐标系，其中任意两个互相垂直的第一平面和第二平面构成一个三维立体空间模型；如图2，为本实施例构建的虚拟三维立体空间模型，该三维立体空间模型中包括c、d、e、f、g五个目标点，A为第一平面，B为第二平面，A平面和B平面相互垂直。

步骤102：对于当前环境中任意第一目标点和第二目标点，构建经过第一目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第一目标直线，同时构建经过第二目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第二目标直线。具体的，对于该三维立体空间模型中任意一个点，例如d点构建经过该d点且与A面和B面同时平行的直线，同理，对于别的目标点也可以构建出一条经过该点且平行于A面和B面的直线。

步骤103：获取第一目标直线到第一平面和第二平面的第一距离数据，用于表示第一目标点在三维坐标系中的位置，同时获取第二目标直线到第一平面和第二平面的第二距离数据，用于表示第二目标点在三维坐标系中的位置；计算机系统自动读出两个直线到A面和B面的距离数据，例如读出第一目标直线到A面和B面的距离的距离分别为（5,8）,则用该距离数据即可表示第一目标直线在该三维坐标系中的位置，同理对于另一个目标点也可以表示出其在该三维坐标系中的位置。

步骤104：采用自动导航系统根据第一距离数据和第二距离数据构建第一目标点和第二目标点之间的导航路径，导航构建模块根据获取的两个目标点的位置即可构建出两个目标点之间的导航路径，即直线路径，也就获取了两个目标点之间的直线距离和方向。

进一步的，该方法还包括：位移驱动系统用于根据导航路径驱动手术设备从第一目标点移动到第二目标点。即位移驱动系统根据获取的直线距离和方向控制手术设备或者其他目标设备移动，即可完成从空间中一个点到另一个点的移动。

如图3，将每个目标点如c、d、e、f、g等转变成到虚拟四周平面的距离数据，在计算机系统进行容积扫描，所有目标点都可以获取其到A面和B平面的距离数据，那么连接任意两点并延长，总会得到垂直A、B平面且与A、B平面相互垂直的平面交叉的两个交叉点，如图3中f、d两个连线延长会在前后两个平面上存在两个交叉点，这两个交叉点决定了f、d的方向，f、d在垂直于B平面上的距离和与两个交叉点的距离是可读可测的，这样将三维数据简化成二维数据，方便位移控制，而且转化成二维数据模式，加上计算机上两点距离数据技术成熟，使得三维建模立体定位自动引导方向，也就是导航变得容易实现，建立虚拟的三维结构通过二维结构控制即可实现三维的定位和导航。若有两点连线垂直于A或B平面建立另一个虚拟垂直于A\B平面的平面C，点到C平面的距离也是可测的，这样同样原理控制侧向运动完成三维定位及导航的目的。

进一步的，如图4，M、N平面均垂直于A、B平面，N平面平行于M平面，在虚拟三维结构中目标点c、d、e、f、g都是垂直于A、B平面距离作为数据，通过位移平行于A、B平面获取的相交直线（两平面相交），此直线垂直于M、N平面，如果f、h分别在平面M、N上，那么通过上述方法均可以获取f、h的距离数据，所以在检测身体任意部分都可以分为无数个目标点，仅关注每个目标点到A、B平面的距离数据即可，例如在所检测脏器器空间上任意两点，比如f、d两点，连接fd形成直线，必然会在M、N平面上形成f、h,（f在M面上）；简单来说平面M、N以及A、B平面固定，在虚拟空间中连接两点，此两点连线总会与M、N平面相交，两个相交点也会通过计算机同样得到A、B平面的距离；或者再建一个虚拟C平面,同样得到至两平面距离（若两点连线垂直于A平面或B平面）；此两点（f、h）通过数控位移激光、超声或者其他方式即可实现定位，那么d点必然在fh直线的路径上，完成方向导航。而线段f、d、h之间的距离通过计算机也容易读出数据，计算机系统将真实的A、B平面融合起来，这样形成的虚拟三维空间结构内每个数点都是到A、B平面距离的两个距离数据，根据这两个距离数据轻易地经过计算机编程系统自动读数，确定两点后自动驱动位移系统来达到精准定位、控制方向、控制目标点的距离，在进行头颅、肝脏、肾脏等器官，进行血管成像或规避主要功能区，自由规划路线进行穿刺、手术或植入式的治疗起到关键的技术支持作用，甚至在工业领域也能发挥巨大的作用。

实施例二

本实施例提供一种虚实结合的三维建模立体定位导航系统，如图5，该系统包括：

模型构建模块201，用于在当前环境中建立三维坐标系，其中任意两个互相垂直的第一平面和第二平面构成一个三维立体空间模型；

目标直线构建模块202，用于对于当前环境中任意第一目标点和第二目标点，构建经过第一目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第一目标直线，同时构建经过第二目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第二目标直线；

位置确认模块203，用于获取第一目标直线到第一平面和第二平面的第一距离数据，用于表示第一目标点在三维坐标系中的位置，同时获取第二目标直线到第一平面和第二平面的第二距离数据，用于表示第二目标点在三维坐标系中的位置；

导航规划模块204，用于采用自动导航系统根据第一距离数据和第二距离数据构建第一目标点和第二目标点之间的导航路径。

进一步的，该系统还包括位移驱动系统205，用于根据导航路径驱动手术设备从第一目标点移动到第二目标点。

具体的，该系统各模块的实现方法和实施例1中相同，此处不再赘述。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (2)

1.一种虚实结合的三维建模立体定位导航系统，其特征在于，包括：

模型构建模块，用于在当前环境中建立三维坐标系，其中任意两个互相垂直的第一平面和第二平面构成一个三维立体空间模型；

目标直线构建模块，用于对于当前环境中任意第一目标点和第二目标点，连接所述第一目标点和第二目标点并延长，得到与所述第一平面、第二平面互相垂直的前后两个第三平面的两个交叉点，根据所述两个交叉点确定所述第一目标点和第二目标点的方向；构建经过第一目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第一目标直线，同时构建经过第二目标点且分别平行于所述第一平面和第二平面的第二目标直线；

位置确认模块，用于获取所述第一目标直线到第一平面和第二平面的第一距离数据，用于表示所述第一目标点在所述三维坐标系中的位置，同时获取所述第二目标直线到第一平面和第二平面的第二距离数据，用于表示所述第二目标点在所述三维坐标系中的位置；

导航规划模块，用于采用自动导航系统根据所述第一距离数据和第二距离数据构建所述第一目标点和第二目标点之间的导航路径。

2.如权利要求1所述的三维建模立体定位导航系统，其特征在于，还包括位移驱动系统，用于根据所述导航路径驱动手术设备从所述第一目标点移动到第二目标点。

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