CN112006779A - 一种手术导航系统精度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利组成包含图像扫描装、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、标尺及精度检测装置度检测装置，构成机械人坐标系，光学追踪坐标系，医学图像坐标系，通过空间坐标转换实现坐标系统一。本发明提出一种手术导航系统精度检测方法，该方法能直观高效的完成精度校验工作，可用于每次开机或使用时进行精度检验。

Description

一种手术导航系统精度检测方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及手术导航系统的精度检测方法。

背景技术

随着科学技术的发展手术导航机器人已经在临床中普遍使用，它在定位的精准度和运动的稳定性等方面远优于普通的人工手术。例如骨科手术机器人，最主要的功能是术中定位导航，主要技术包括影像重构、三维规划、定位系统等。通过提高手术精度，提高手术标准化，缩短医生学习曲线，缩短手术时长，提高临床获益。对于手术导航机器人最重要的一项评价指标是系统导航的精度，正确评价系统精度是确保手术安全、顺利完成的关键工作。本发明提出了一种系统精度检测方法，能快速、准确的检验系统精度。

手术导航机器人一般由定位系统、控制系统、光学跟踪系统组成，其中，机器人定位系统配套定位组件的精确定位，辅助医生完成手术定位的操作；控制系统以软件为核心，完成手术过程中的标准图像（CT、核磁、X光等医学图像）采集、手术位置解剖特征的隧道入点与止点规划、导航显示与机器人控制；光学跟踪系统可实时监测特殊标记点位置，传输给控制系统，探测手术位置与钻头、克氏针、消融探针、穿刺针等手术医疗器械的位置关系。故手术导航机器人的系统精度误差来源于定位系统机械运动的误差、控制系统的软件靶点映射误差、光学跟踪系统中的光学识别空间误差的综合误差构成，为便于测量系统的整体误差，本发明中提出了一种检验方法用于测量导航精度的系统累积误差。

发明内容

本发明中的手术导航系统精度检测方法的组成包含图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、标尺及精度检测装置；

所述图像扫描装置，所述图像扫描装置用于在检测时获取标尺及精度检测装置的扫描图像；控制系统，所述控制系统包含计算控制软件、摄像头、显示装置和输入输出设备；

所述机器人定位导航系统，所述机器人定位导航系统包含机械臂，机械臂末端定位导航结构及配套组件；

所述光学跟踪系统用于跟踪带有示踪器的物体实时数据；

所述图像扫描装置、机器人定位导航系统、光学跟踪系统均与控制系统连接，进行信号的传输；

所述标尺工具有多个不透X光的刚性标识点作为特征点（Marker），用于在术前或术中辅助计算机处理图像坐标系及世界坐标系的转化，同时可以根据患者不同手术部位及体型设计不同规格；

所述精度检测装置包含质控工具底板（3）、TrackerⅡ（4）、可替换隧道（5）、辅助定位针（6），其中，辅助定位针（6）插入可替换隧道（5），所述辅助定位针（6）中包裹刚性圆柱体。

所述机械臂末端、标尺及精度检测装置上装有标尺装有示踪器（Tracker），以便光学跟踪系统通过示踪器获取物体实时数据。

所述标尺上有不少于6个刚性球体，优选的6，7，8，9，10个。

所述图像扫描装置可以进行医学图像扫描，图像获取装置如CT机、核磁、PET-CT，CBCT，O型臂，X光机医学影像设备等，所述图像扫描模块在某些影像设备中还包含图像校正装置，用于进行图像校正。

所述手术导航系统精度检测方法的操作步骤如下：

a)将Tracker安装于机械臂末端、精度检测装置、标尺上，并将其放置于光学追踪系统的跟踪范围内；

b)将标尺与精度检测装置固定，用图像扫描装置扫描标尺与精度检测装置的图像信息，传输到控制系统；

若图像扫描为3D图像，则控制系统可以直接进行处理；

若图像扫描为2D图形，则需拍摄不同角度的图像至少两张（图像夹角为70°～110°），再传输到控制系统进行处理；

c)控制系统根据图像扫描装置的相关信息，进行图像处理，并根据标尺上的刚性球体在图像中的信息进行空间坐标转化；

d)在控制系统的软件上选取辅助定位针（6）中圆柱体在医学图像中的位置作手术导航定位的规划隧道，选取后将信息传输到定位导航系统；

e)取下标尺及辅助定位筒，由机器人导航系统执行导航操作，最后观察机械臂末端是否到达精度检测装置的孔，如未到达，则精度不合格，如到达则精度检测结果为合格。

所述的手术导航系统精度检测方法的空间坐标信息转化过程如下：

a)当图像为2D信息，空间坐标转化过程如下：

变换矩阵=平移矩阵+旋转矩阵，定义R是旋转矩阵，X是物体坐标系下的三维列向量[x,y,z]’，T是平移矩阵，得变换矩阵A=RX+T；

光学追踪系统的坐标系为世界坐标系，Tracker和机器人坐标系为物体坐标系。

在世界坐标系下描述物体坐标系有位姿矩阵

，此矩阵可 逆, Rt₁表示Tracker坐标系，Rt₂表示机器人坐标系；

同时，Tracker与机器人的坐标系之间的变换矩阵有Rt₁ ^-1* Rt₂，即在Tracker坐标系下，机器人的位姿矩阵；

其次，拍摄精度检测装置的不同角度X线片图像，对定位标尺X线透视图像进行处理，每张图像的标志点，2组标志点构建三维坐标系；同时，可确定辅助定位筒中刚性圆柱体的坐标，即入点和止点坐标；

已知在真实空间中，标尺坐标系下的n(n>6)个点坐标，已知有相机内参，外参乘积有摄像机矩阵

则有

通过n组(n>6)同样的公式，使用最小二乘法得到l₁到l₁₂的参数值，记录下这组参数值，在术前导入两张X光片并规划及保存导航路径，手术之前加载导航路径进行导航精度验证；

b)当图像为3D信息，空间坐标转化过程如下：

不同三维空间中坐标系的转换一般包括旋转和平移，假如在三维模型坐标系中任一标志点的三维坐标为（X_m，Y_m，Z_m），对应的该点在世界坐标系下的坐标为则有下面的转换关系（X_w，Y_w，Z_w）：

其中，

表示模型坐标系与世界坐标系之 间的转换关系矩阵；

若已知模型上n(n>3)点坐标，且这些点均不在一个平面上，则依据此转换矩阵，计算出对应的世界坐标系中的坐标；

以此转换矩阵由模型上的点配准世界坐标系中的点，通过记录下这组向量值，每次做手术前都先带入标准值进行导航操作；

术前在模型中规划并保存三维导航路径，手术之前加载导航路径进行导航精度验证，当有4个点时，

则有矩阵，

，

通过最小二乘法解得r₁，r₂，r₃，r₄，同理，解得12个参数，4点以上也是如此。

使用本发明中系统精度检测方法能直观高效的完成精度校验工作，可用于每次开机或使用时进行精度检验，操作方便。

附图说明

图1 外科手术导航系统组成示意图（左起：定位导航系统、控制系统、光学追踪系统）；

图2导航精度校验流程图；

图3 标尺及精度检测装置图；

图4 导航系统精度测量装置局部结构剖面图

1-TrackerⅠ

2-标尺

3-质控工具底板

4-TrackerⅡ

5-可替换隧道

6-辅助定位针。

具体实施示例

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的的实施方式不限于此。

本系统的组成包含图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、标尺及精度检测装置，为清楚的描述本系统中所提出的在不同影像设备下的精度检测，我们选了3D、2D两种图像下的精度检测为例，分别选择了CT、X光机拍摄图像；选择带有9个标志点标尺。

除影像拍摄设备及空间换算公式不一样外，其余操作流程均相同：

第一步，设备开机，将Tracker安装于机械臂末端、精度检测装置、标尺上，并将其放置于光学追踪系统的跟踪范围内，为物体坐标系。

第二步，将标尺与精度检测装置固定，用图像扫描装置扫描标尺与精度检测装置的图像信息，传输到控制系统；

当采用CT进行扫描时，采集一次数据即可；

当X光机拍摄时，则需拍摄不同角度的图像至少两张，本实施例中选择90°夹角的两张正侧位X光片图像。

第三步，控制系统根据图像扫描装置的相关信息，进行图像处理，并根据标尺上的刚性球体在图像中的信息进行空间坐标转化。

第四步，在控制系统的软件上选取辅助定位筒（3）中圆柱体在医学图像中的位置作手术导航定位的规划隧道，选取后将信息传输到定位导航系统；

第五步，取下标尺及辅助定位筒，由机器人导航系统执行导航操作，最后观察机械臂末端是否到达精度检测装置的孔，如未到达，则精度不合格，如到达则精度检测结果为合格。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，组成包含图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、标尺及精度检测装置；

图像扫描装置，所述图像扫描装置用于在检测时获取标尺及精度检测装置的扫描图像；

控制系统，所述控制系统包含计算控制软件、摄像头、显示装置和输入输出设备；

机器人定位导航系统，所述机器人定位导航系统包含机械臂，机械臂末端定位导航结构及配套组件；

光学跟踪系统用于跟踪带有示踪器的物体实时数据；

所述图像扫描装置、机器人定位导航系统、光学跟踪系统均与控制系统连接，进行信号的传输；

所述标尺工具有多个不透X光的刚性标识点作为特征点（Marker），用于在术前或术中辅助计算机处理图像坐标系及世界坐标系的转化，同时可以根据患者不同手术部位及体型设计不同规格；

所述精度检测装置包含质控工具底板（3）、TrackerⅡ（4）、可替换隧道（5）、辅助定位针（6），其中，辅助定位针（6）插入可替换隧道（5），所述辅助定位针（6）中包裹刚性圆柱体。

2.如权利要求1所述的一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，机械臂末端、标尺及精度检测装置上装有标尺装有示踪器（Tracker），以便光学跟踪系统通过示踪器获取物体实时数据。

3.如权利要求1所述的一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，标尺上有不少于6个刚性球体，优选的6,7,8,9,10个。

4.如权利要求1所述的一种手术导航系统精度检测方法，其特征在于，图像扫描装置可以进行医学图像扫描，图像获取装置如CT机、核磁、PET-CT，CBCT，O型臂，X光机医学影像设备等，所述图像扫描模块在某些影像设备中还包含图像校正装置，用于进行图像校正。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的手术导航系统精度检测方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

a)将Tracker安装于机械臂末端、精度检测装置、标尺上，并将其放置于光学追踪系统的跟踪范围内；

b)将标尺与精度检测装置固定，用图像扫描装置扫描标尺与精度检测装置的图像信息，传输到控制系统；

若图像扫描为3D图像，则控制系统可以直接进行处理；

若图像扫描为2D图形，则需拍摄不同角度的图像至少两张（图像夹角为70°～110°），再传输到控制系统进行处理；

c)控制系统根据图像扫描装置的相关信息，进行图像处理，并根据标尺上的刚性球体在图像中的信息进行空间坐标转化；

d)在控制系统的软件上选取辅助定位筒（3）中圆柱体在医学图像中的位置作手术导航定位的规划隧道，选取后将信息传输到定位导航系统；

e)取下标尺及辅助定位筒，由机器人导航系统执行导航操作，最后观察机械臂末端是否到达精度检测装置的孔，如未到达，则精度不合格，如到达则精度检测结果为合格。

6.根据权利要求5所述的手术导航系统精度检测方法，其特征在于，所述空间坐标信息转化过程如下：

a)当图像为2D信息，空间坐标转化过程如下：

变换矩阵=平移矩阵+旋转矩阵，定义R是旋转矩阵，X是物体坐标系下的三维列向量[x,y,z]’，T是平移矩阵，得变换矩阵A=RX+T；

光学追踪系统的坐标系为世界坐标系，Tracker和机器人坐标系为物体坐标系；

在世界坐标系下描述物体坐标系有位姿矩阵

，此矩阵可逆, Rt₁ 表示Tracker坐标系，Rt₂表示机器人坐标系；

同时，Tracker与机器人的坐标系之间的变换矩阵有Rt₁ ^-1* Rt₂，即在Tracker坐标系下，机器人的位姿矩阵；

其次，拍摄精度检测装置的不同角度X线片图像，对定位标尺X线透视图像进行处理，每张图像的标志点，2组标志点构建三维坐标系；同时，可确定辅助定位筒中刚性圆柱体的坐标，即入点和止点坐标；

已知在真实空间中，标尺坐标系下的n(n>6)个点坐标，已知有相机内参，外参乘积有摄像机矩阵

则有

通过n组(n>6)同样的公式，使用最小二乘法得到l₁到l₁₂的参数值，记录下这组参数值， 在术前导入两张X光片并规划及保存导航路径，手术之前加载导航路径进行导航精度验证；

b)当图像为3D信息，空间坐标转化过程如下：

不同三维空间中坐标系的转换一般包括旋转和平移，假如在三维模型坐标系中任一标志点的三维坐标为（X_m，Y_m，Z_m），对应的该点在世界坐标系下的坐标为 则有下面的转换关系（X_w，Y_w，Z_w）：

其中，

表示模型坐标系与世界坐标系之 间的转换关系矩阵；

若已知模型上n(n>3)点坐标，且这些点均不在一个平面上，则依据此转换矩阵，计算出对应的世界坐标系中的坐标；

以此转换矩阵由模型上的点配准世界坐标系中的点，通过记录下这组向量值，每次做手术前都先带入标准值进行导航操作；

术前在模型中规划并保存三维导航路径，手术之前加载导航路径进行导航精度验证，当有4个点时，

则有矩阵，

，

通过最小二乘法解得r₁，r₂，r₃，r₄，同理，解得12个参数，4点以上也是如此。

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