CN110897732A - 一种标定装置和手术器械标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种标定装置和手术器械标定方法，其中，标定装置包括标定装置本体和遮光部件；其中，标定装置本体上设置有第一凹槽、第二凹槽及至少四个光学标记物，其中，第一凹槽是底部为预设宽度的喇叭型槽，第二凹槽为底部呈预设角度的喇叭型槽，至少四个光学标记物中有三个光学标记物间线段构成边长不等的三角形，标定装置本体用于通过第一凹槽和第二凹槽放置待标定物；遮光部件与标定装置本体为滑动连接，用于在用户的触发下暴露其遮挡的一个光学标记物。本实施例的技术方案实现了使导航软件自动识别光学标记物状态改变来实现手术器械位置数据采集的确认，无需多人配合，可单人完成手术器械的标定，降低人力成本，提高工作效率。

Description

一种标定装置和手术器械标定方法
技术领域
本发明实施例涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种标定装置和手术器械标定方法。
背景技术
在临床外科手术中，使用手术器械前需得知手术器械尖端在手术器械中的位置偏移量，即确定手术器械尖端位置和朝向相对所有标记点位置关系，这个过程称为手术器械标定。
通常，手术器械的标定通过标定装置来进行，标定装置上的标记点与手术器械的相对位置固定，所以手术器械尖端和朝向位置相对标记点是确定的。若使用光学仪器进行术中导航，会用到安装有光学标记点的探针等手术器械。因为手术器械上没有手动触发光学标记点的状态变化，所以需要两个人配合来完成手术器械的标定过程(标定过程如图1所示)，即需要一个人手持标定装置及手术器械，另一个人在导航软件中进行确认操作。在实际手术时需两名医护人员同时配合，增加了人力成本。
发明内容
本发明实施例提供一种标定装置和手术器械标定方法，以实现无需通过软件的人机交互来确认手术器械标定数据的采集情况，只需一人即可完成所有手术器械标定的流程，手术器械的标定过程更加便利与准确。
第一方面，本发明实施例提供了一种标定装置，该装置包括：
标定装置本体和遮光部件；其中，
所述标定装置本体上设置有第一凹槽、第二凹槽及至少四个光学标记物，其中，所述第一凹槽是底部为预设宽度的喇叭型槽，所述第二凹槽为底部呈预设角度的喇叭型槽，所述至少四个光学标记物中有三个光学标记物间线段构成边长不等的三角形，所述标定装置本体用于通过所述第一凹槽和所述第二凹槽放置待标定物；
所述遮光部件与所述标定装置本体为滑动连接，用于在用户的触发下暴露其遮挡的一个所述光学标记物。
可选的，所述光学标记物为反光球，通过球杆固定于所述标定装置本体上。
可选的，所述第一凹槽与所述第二凹槽的对称线在同一个水平面上。
可选的，所述遮光部件通过弹簧滑动部件与标定装置本体相连接；当所述弹簧滑动部件未被触发时，所述弹簧滑动部件处于舒张状态，所述遮光部件遮住预设光学标记物；当所述弹簧滑动部件被触发后，所述弹簧滑动部件处于压缩状态，所述遮光部件暴露其遮住的所述预设光学标记物。
可选的，所述遮光部件具有翻折结构。
可选的，所述光学标记物的数量为四，其中，第一光学标记物、第二光学标记物与第三光学标记物间线段构成边长不等的三角形，第四光学标记物与所述第二光学标记物和第三光学标记物间线段构成预设三角形，所述预设三角形包括等边三角形、等腰三角形及直角三角形。
可选的，所述第一凹槽和第二凹槽为喇叭型槽，所述喇叭型槽包括：V型槽、对称的曲面V型槽及对称的抛物线型槽。
第二方面，本发明实施例提供了一种手术器械标定方法，应用于本发明实施例所述的标定装置，该方法包括：
当检测到的所述标定装置的光学标记物的数量增加时，获取所述标定装置的光学标记物以及手术器械上的光学标记点在导航仪器坐标系下坐标；
基于所述标定装置中构成边长不等的三角形的三个光学标记物在所述标定装置中的坐标建立标定装置坐标系，并根据所述三个光学标记物在所述标定装置中的坐标和在导航仪器坐标系中的坐标确定由所述标定装置坐标系到所述导航仪器坐标系的第一坐标变换矩阵；
基于手术器械上的光学标记点在手术器械坐标系的坐标以及在所述导航仪器坐标系中的坐标，确定由所述手术器械坐标系到所述导航仪器坐标系中的第二坐标变换矩阵；
根据所述标定装置的几何结构确定所述手术器械尖端与所述标定装置的触点在所述标定装置坐标系下的第一坐标；
基于所述第一坐标变换矩阵和所述第二坐标变换矩阵将所述第一坐标转换为所述手术器械坐标系下的第二坐标，以完成手术器械的标定。
可选的，所述遮光部件被用户触发时，确定所述标定装置的光学标记物的数量增加。
可选的，基于所述第一坐标变换矩阵和所述第二坐标变换矩阵将所述第一坐标转换为所述手术器械坐标系下的第二坐标，包括：
用所述第二坐标变换矩阵的逆矩阵与所述第一坐标变换矩阵相乘，得到由所述标定装置坐标系到所述手术器械坐标系的第三坐标变换矩阵；
使所述第三坐标变换矩阵与所述第一坐标相乘得到所述第二坐标。
本发明实施例，通过在标定装置本体上设置两个凹槽以及至少四个光学标记物，另设置遮光部件遮住一个光学标记物，且遮光部件与标定装置本体滑动连接，使用户一人通过该标定装置进行手术器械的标定时，手动改变遮光部件的位置遮住或暴露光学标记物，以采集数据确定手术器械尖端的位置点，解决了需要多人配合完成手术器械标定人力成本高、手术器械标定效率低的问题；可以实现使导航软件自动识别光学标记物状态改变来实现手术器械位置数据采集的确认，无需多人配合，可单人完成手术器械的标定，降低人力成本，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例一中的标定装置的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的标定装置的遮光部件移动前的侧视图；
图3是本发明实施例一中的标定装置的遮光部件移动后的侧视图；
图4是本发明实施例一中的标定装置中光学标记球的位置示意图；
图5是本发明实施例二中的手术器械标定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的标定装置的结构示意图，本实施例可适用于手术导航中，对手术器械尖端进行标定的情况。
如图1所示，标定装置的结构具体包括：
标定装置本体和遮光部件。
其中，标定装置本体上设置有第一凹槽、第二凹槽及至少四个光学标记物，标定装置本体用于通过所述第一凹槽和所述第二凹槽放置待标定物。第一凹槽是底部为预设宽度的喇叭型槽，第二凹槽为底部呈预设角度的喇叭型槽，预设角度可以是锐角、直角或钝角。其中，喇叭型槽是形状为开口大底部小的槽，包括V型槽、对称的曲面V型槽和对称的抛物线型槽，此外，喇叭型槽也可以是左边为凹曲面、右边为凸曲面的槽状结构，在本实施例中以V型槽为例进行说明。当进行手术器械的标定时，用户手持手术器械并将手术器械搭放于第二凹槽上，同时，使手术器械的尖端碰触到第一凹槽的底部。进一步的，第二凹槽为底部呈预设角度的喇叭型槽的设置可以使手术器械放置于第二凹槽时保证手术器械在喇叭型槽正中间的位置，避免在标定过程中手术器械位置有偏移，产生误差。第一凹槽设置为底部为预设宽度的喇叭型槽，预设宽度根据被标定物尖端的尺寸确定，要大于或等于被标定物尖端的尺寸，为了尽可能的使多种型号的手术器械的尖端接触到第一凹槽的底部，例如可以将预设宽度设置为1mm或2mm等数值，可兼容目前临床中各种型号的穿刺针，并不受限于手术器械形状(弯曲或直线型)；而且，第一凹槽的两个斜面所呈的角度要尽量的大。优选的，第一凹槽与第二凹槽的对称线在同一个水平面上。
进一步的，标定装置本体上设置有至少四个光学标记物。可选的，光学标记物为反光球，通过球杆固定于所述标定装置本体上，可选的，在标定装置本体上表面设置有螺纹孔，球杆上有与螺纹孔匹配的螺纹，球杆通过螺纹与螺纹孔将光学标记物固定于所述标定装置本体上。在至少四个光学标记物中，有三个光学标记物间线段构成三个边长均不相等的三角形，以便于建立标定装置坐标系，识别该标定装置的方向。另外的至少一个光学标记物则被遮挡部件遮挡。
遮光部件与标定装置本体为滑动连接，用于在用户的触发下暴露其遮挡的一个光学标记物。通过使遮光部件相对标定装置本体滑动，遮住或暴露光学标记物以改变光学标记物的状态，可以使导航软件自动确定手术器械状态并采集标定装置上的光学标记物在导航仪器坐标系下的坐标数据以及手术器械上的光学标记点在导航仪器坐标系下的坐标数据，以完成手术器械尖端的标定过程。图2为标定装置的遮光部件移动前的侧视图，在图2中可见两个光学标记球，图3为标定装置的遮光部件移动后的侧视图，在遮光部件移动后将其遮住的光学标记物暴露，在图3中可见三个光学标记球。
在一种实施方式中，遮光部件通过弹簧滑动部件与标定装置本体相连接；当弹簧滑动部件未被触发时，弹簧滑动部件处于舒张状态，遮光部件遮住预设光学标记物；当所述弹簧滑动部件被触发后，所述弹簧滑动部件处于压缩状态，所述遮光部件暴露其遮住的所述预设光学标记物。
可选的，在一种实施方式中，遮光部件具有翻折结构，以遮住预设的光学部件。
在一个具体的实施方式中，如图4所示，光学标记物的数量为四，数字1处的圆形表示第一光学标记物、数字2处的圆形表示第二光学标记物、数字3处的圆形表示第三光学标记物，数字4处的圆形表示第四光学标记物。其中，第一光学标记物、第二光学标记物与第三光学标记物间线段构成边长不等的三角形，第四光学标记物即为被遮光部件遮住的预设光学标记物，与所述第二光学标记物和第三光学标记物间线段构成预设三角形，预设三角形为等腰三角形、等边三角形或直角三角形等含有特别的角度或边长的三角形，便于识别，以用于检验第四光学标记物引入的正确性。这样的设置可以在手术器械标定的过程中，判断是否存在反光伪点，防止干扰对是否应该记录手术器械的坐标数据的判断，以准确识别标定状态。
本发明实施例，通过在标定装置本体上设置两个凹槽以及至少四个光学标记物，另设置遮光部件遮住一个光学标记物，且遮光部件与标定装置本体滑动连接，使用户一人通过该标定装置进行手术器械的标定时，手动改变遮光部件的位置遮住或暴露光学标记物，以确定手术器械尖端的位置点，解决了需要多人配合完成手术器械标定人力成本高、手术器械标定效率低的问题；可以实现使导航软件自动识别光学标记物状态改变来实现手术器械位置数据采集的确认，无需多人配合，可单人完成手术器械的标定，降低人力成本，提高工作效率。
实施例二
图5是本发明实施例二提供的手术器械标定方法的流程图，本实施例适用于本实施例可适用于手术导航中，对手术器械尖端进行标定的情况。可通过上述实施例的标定装置以及手术导航仪器来实现本实施例的技术方案。
如图5所示，手术器械标定方法具体包括如下步骤：
S110、当检测到的所述标定装置的光学标记物的数量加一时，获取所述标定装置的光学标记物以及手术器械上的光学标记点在导航仪器坐标系下坐标。
具体的，在标定装置中，有至少四个光学标记物和一个与标定装置本体滑动连接的遮光部件。在至少四个光学标记物中有三个光学标记物之间的线段可做成一个边长不等的三角形，用于建立标定装置坐标系。另外的至少一个光学标记物在常规状态下是被遮光部件遮挡住的，不会被导航仪器检测到该至少一个光学标记物的存在。只有当遮光部件被用户触发时，将其遮住的光学标记物暴露出来，被遮住的光学标记物才能被检测到，由此，确定标定装置的光学标记物的数量增加。示例性的，当标定装置的光学标记物的数量为四时，遮光部件遮住的光学标记物的数量为一，那么，当遮光部件被触发时，被遮住的光学标记物被暴露，可以检测到的光学标记物的数量加一，此时，可以获取标定装置的光学标记物以及手术器械上的光学标记点在导航仪器坐标系下坐标。其中，遮光部件被触发是指用户使遮光部件与标定装置本体产生相对位移，从而不能够继续遮住其在未触发状态下遮住的光学标记物。
这里需要说明的是，在采用光学方法对手术器械进行标定时，手术器械上面安装有光学标记点，用于建立手术器械坐标系，如在探针上安装有三个发光的小球。可以理解的是光学标记物以及光学标记点是相同的，一个光学标记物即表示一个光学标记点。
此外，只有当用户将手术器械尖端沿着标定装置的第二凹槽向第一凹槽滑动，直到手术器械的尖端抵住第一凹槽的底部，并手术器械的柄部靠紧第二凹槽时才会触发遮光部件。其中，不同手术器械尖端与第一凹槽的底部的触点或是同一手术器械在与第一凹槽的多次接触中的触点，在误差允许范围内可以认为是一个点。原因在于第一凹槽和第二凹槽的中间对称线在同一个水平面上。
S120、基于所述标定装置中构成边长不等的三角形的三个光学标记物在所述标定装置中的坐标建立标定装置坐标系，并根据所述三个光学标记物在所述标定装置中的坐标和在导航仪器坐标系中的坐标确定由所述标定装置坐标系到所述导航仪器坐标系的第一坐标变换矩阵。
具体的，对于根据标定装置中构成边长互不相等的三角形的三个光学标记物建立的标定装置的坐标系来说，构成边长不等的三角形的三个光学标记物在标定装置中的空间坐标是已知的，构成边长不等的三角形的三个光学标记物在导航仪器坐标系下的坐标也是可以通过导航仪器直接读取的，那么，可以根据三个光学标记物在标定装置中的坐标和在导航仪器坐标系中的坐标确定由标定装置坐标系到导航仪器坐标系的旋转平移矩阵，也即第一坐标变换矩阵。
S130、基于手术器械上的光学标记点在手术器械坐标系的坐标以及在所述导航仪器坐标系中的坐标，确定由所述手术器械坐标系到所述导航仪器坐标系中的第二坐标变换矩阵。
同样的，采用与步骤S120相同的方法，可以确定由手术器械坐标系到导航仪器坐标系中的第二坐标变换矩阵。
S140、根据所述标定装置的几何结构确定所述手术器械尖端与所述标定装置的触点在所述标定装置坐标系下的第一坐标。
其中，手术器械尖端与标定装置的触点既属于手术器械上的点也是标定装置上的点。
具体的，标定装置的几何结构是指标定装置的长、宽和高的尺寸，以及标定装置本体上第一凹槽和第二凹槽的尺寸。由于第一凹槽和第二凹槽的中间对称线在同一个水平面上，手术器械尖端与标定装置在第一凹槽的触点的坐标也就是已知的，可以根据标定装置的几何尺寸数据进行计算，并确定该触点在标定装置坐标系下的第一坐标。
S150、基于所述第一坐标变换矩阵和所述第二坐标变换矩阵将所述第一坐标转换为所述手术器械坐标系下的第二坐标，以完成手术器械的标定。
具体的，确定第二坐标的过程可以是，用第二坐标变换矩阵的逆矩阵与第一坐标变换矩阵相乘，得到由标定装置坐标系到手术器械坐标系的第三坐标变换矩阵；使第三坐标变换矩阵与第一坐标相乘得到第二坐标。
示例性的，用Sp表示标定装置坐标系，用Sn表示导航仪器坐标系，用St表示手术器械坐标系；那么，根据标定装置上的光学标记物在标定装置坐标系下的坐标以及在导航仪器坐标系的坐标，可以确定标定装置坐标系Sp到导航仪器坐标系Sn的旋转平移变换矩阵Tpn，即第一坐标变换矩阵。根据手术器械上的光学标记点在手术器械坐标系的坐标以及在导航仪器坐标系的坐标，可以确定标定装置坐标系St到导航仪器坐标系Sn的旋转平移变换矩阵Ttn，即第二坐标变换矩阵。进一步的，标定装置坐标系Sp到手术器械坐标系St的旋转平移变换矩阵可表示为Tpt＝(Ttn)-1*Tpn，即第三坐标变换矩阵。手术器械尖端在手术器械坐标系St的三维坐标(第二坐标)Pt＝Tpt*Pp，其中，Pp为手术器械尖端与标定装置的触点在标定装置坐标系下的第一坐标。在确定了第二坐标之后，即确定了手术器械尖端在手术器械中的位置偏移量，完成了手术器械使用前的标定过程。
本发明实施例，通过使用在标定装置本体上设置两个凹槽、至少四个光学标记物以及遮住一个光学标记物且与标定装置本体滑动连接的遮光部件，使用户一人通过该标定装置进行手术器械的标定时，手动改变遮光部件的位置遮住或暴露光学标记物，以确定手术器械尖端的位置点，解决了需要多人配合完成手术器械标定人力成本高、手术器械标定效率低的问题；可以实现使导航软件自动识别光学标记物状态改变来实现手术器械位置数据采集的确认，无需多人配合，可单人完成手术器械的标定，降低人力成本，提高工作效率。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种标定装置，其特征在于，包括：
标定装置本体和遮光部件；其中，
所述标定装置本体上设置有第一凹槽、第二凹槽及至少四个光学标记物，其中，所述第一凹槽是底部为预设宽度的喇叭型槽，所述第二凹槽为底部呈预设角度的喇叭型槽，所述至少四个光学标记物中有三个光学标记物间线段构成边长不等的三角形，所述标定装置本体用于通过所述第一凹槽和所述第二凹槽放置待标定物；
所述遮光部件与所述标定装置本体为滑动连接，用于在用户的触发下暴露其遮挡的一个所述光学标记物。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学标记物为反光球，通过球杆固定于所述标定装置本体上。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一凹槽与所述第二凹槽的对称线在同一个水平面上。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述遮光部件通过弹簧滑动部件与标定装置本体相连接；当所述弹簧滑动部件未被触发时，所述弹簧滑动部件处于舒张状态，所述遮光部件遮住预设光学标记物；当所述弹簧滑动部件被触发后，所述弹簧滑动部件处于压缩状态，所述遮光部件暴露其遮住的所述预设光学标记物。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述遮光部件具有翻折结构。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学标记物的数量为四，其中，第一光学标记物、第二光学标记物与第三光学标记物间线段构成边长不等的三角形，第四光学标记物与所述第二光学标记物和第三光学标记物间线段构成预设三角形，所述预设三角形包括等边三角形、等腰三角形及直角三角形。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽为喇叭型槽，所述喇叭型槽包括：V型槽、对称的曲面V型槽及对称的抛物线型槽。
8.一种手术器械标定方法，应用于如权利要求1-7中任一所述的标定装置，其特征在于，包括：
当检测到的所述标定装置的光学标记物的数量增加时，获取所述标定装置的光学标记物以及手术器械上的光学标记点在导航仪器坐标系下坐标；
基于所述标定装置中构成边长不等的三角形的三个光学标记物在所述标定装置中的坐标建立标定装置坐标系，并根据所述三个光学标记物在所述标定装置中的坐标和在导航仪器坐标系中的坐标确定由所述标定装置坐标系到所述导航仪器坐标系的第一坐标变换矩阵；
基于手术器械上的光学标记点在手术器械坐标系的坐标以及在所述导航仪器坐标系中的坐标，确定由所述手术器械坐标系到所述导航仪器坐标系中的第二坐标变换矩阵；
根据所述标定装置的几何结构确定所述手术器械尖端与所述标定装置的触点在所述标定装置坐标系下的第一坐标；
基于所述第一坐标变换矩阵和所述第二坐标变换矩阵将所述第一坐标转换为所述手术器械坐标系下的第二坐标，以完成手术器械的标定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述遮光部件被用户触发时，确定所述标定装置的光学标记物的数量增加。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述第一坐标变换矩阵和所述第二坐标变换矩阵将所述第一坐标转换为所述手术器械坐标系下的第二坐标，包括：
用所述第二坐标变换矩阵的逆矩阵与所述第一坐标变换矩阵相乘，得到由所述标定装置坐标系到所述手术器械坐标系的第三坐标变换矩阵；
使所述第三坐标变换矩阵与所述第一坐标相乘得到所述第二坐标。
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