CN112022350A - 一种用于手术导航系统的手术器械标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，包括标定装置本体，设于标定装置本体探针侧的多个探针孔，设于标定装置本体钻头侧的多个规格不同的钻头工具孔，设于标定装置本体锯条侧的多个规格不同的锯条安装槽，设于标定装置本体不同侧面的锯条探针孔和锯条旋转槽。与现有技术相比，本发明将手术器械和标定物分别安装在标定装置本体上，获取两者的追踪器坐标系，可以快速根据手术器械和标定物之间的轴线和距离关系快速完成手术器械的标定，精度更高，改变追踪器的类型，该装置既能用于光学导航系统，也能用于电磁导航系统，且分别设置了钻头工具孔和锯条安装槽，能够更好地固定待标定的手术钻头和手术锯条，标定过程的稳定性更高。

Description

一种用于手术导航系统的手术器械标定装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种用于手术导航系统的手术器械标定装置及方法。
背景技术
手术器械的末端标定是手术导航系统中至关重要的环节，标定结果对系统交互性、实时性、稳定性以及系统整体性能起决定性的影响。现有的导航技术可以实时识别追踪器，例如光学导航反光小球、电磁导航六自由度电磁传感器的位置和姿态，但无法直接追踪目标手术器械的姿态信息。因此，为了使导航系统可以识别目标手术器械尖端、轴线等姿态信息，需要对附着在手术工具上的追踪器坐标系与手术器械尖点进行标定。现有的手术器械主流标定方法包括尖端标定法和高精度标靶标定法。
但是，传统的尖端标定法与标靶法存在不可忽略的劣势。由于手术器械摆动幅度较大，手术器械尖端不可避免地会出现微小的位移，使用尖端标定法时，标定稳定性低。标靶法利用高精度的标靶标定手术器械，但是标靶法对标靶精度要求极高，机械制造误差、室内温湿度与磨损都会影响标定精度，并且标靶的金属材料会对电磁导航的磁场分布产生严重干扰，导致定位精度下降，定位稳定性低。此外，传统的标定方法只能标定特定长度与公称直径的手术器械，多样性较差。
公开号为CN110897732A的中国发明专利公开了一种标定装置和手术器械标定方法，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，但是，该标定装置和标定方法只适用于光学导航系统，精度不够高，定位稳定性差，并且将待标定的手术器械通过凹槽固定，稳定性差，需要频繁更换标定装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于手术导航系统的手术器械标定装置及方法，将待标定的手术器械和用于标定位置的标定物分别安装在标定装置本体上，获取手术器械的追踪器坐标系和标定物的追踪器坐标系，可以快速根据手术器械和标定物之间的轴线和距离关系快速完成手术器械的标定，精度更高，通过改变追踪器，既可以用于光学导航系统，也可以用于电磁导航系统，且分别设置了钻头工具孔和锯条安装槽，能够更好地固定待标定的手术钻头和手术锯条，标定过程的稳定性更高。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，包括；
标定装置本体；
多个探针孔，各探针孔均设于标定装置本体的探针侧，与用于位置标记的探针相配合；
多个规格不同的钻头工具孔，各钻头工具孔均设于标定装置本体的钻头侧，与待标定的钻头相配合；
多个规格不同的锯条安装槽，各锯条安装槽均设于标定装置本体的锯条侧，与待标定的锯条相配合；
锯条探针孔，安装于标定装置本体上，与用于位置标记的锯条探针相配合；
锯条旋转槽，安装于标定装置本体上，与待标定的锯条的尖点相配合，所述锯条旋转槽为内锥面；
所述锯条旋转槽的安装面与所述锯条探针孔的安装面为标定装置本体的不同侧面。
进一步的，所述标定装置本体的探针侧与标定装置本体的钻头侧为标定装置本体上两个相对而立的侧面，所述标定装置本体的锯条侧为标定装置本体上的一个侧面，所述锯条侧与探针孔和钻头工具孔的轴线方向平行，所述锯条探针孔的安装面为标定装置本体的探针侧或标定装置本体的钻头侧，所述锯条旋转槽的安装面为标定装置本体的钻头侧或标定装置本体的探针侧。
进一步的，所述探针侧的探针孔与钻头侧的钻头工具孔一一对应，探针孔的轴线方向与相对应的钻头工具孔的轴线方向完全重合，所述探针孔和所述钻头工具孔之间互不相交，且探针孔的底部和与其相对应的钻头工具孔的底部之间的距离为预设置的钻头偏移值。
进一步的，所述锯条安装槽未完全贯穿标定装置本体，所述锯条安装槽、锯条探针孔和锯条旋转槽之间互不相交，锯条探针孔的轴线方向与锯条旋转槽的轴线方向完全重合，所述锯条探针孔的底部和锯条安装槽的底部之间的距离为预设置的锯条偏移值，所述锯条探针孔的底部和锯条旋转槽的底部之间的距离为预设置的尖点偏移值。
进一步的，所述探针孔的长度小于等于探针的金属轴线长度，所述钻头工具孔的长度小于等于钻头的金属轴线长度，所述锯条安装槽的长度小于等于锯条的金属轴线长度，所述锯条探针孔的长度小于等于锯条的金属轴线长度，所述锯条旋转槽的长度小于等于锯条的金属轴线长度，所述锯条旋转槽的斜度与锯条的尖点的斜度理论相同。
进一步的，所述各个探针孔的轴线方向均与标定装置本体的探针侧理论垂直，所述各个钻头工具孔的轴线方向均与标定装置本体的钻头侧理论垂直，所述各个锯条安装槽的轴线方向均与标定装置本体的锯条侧理论垂直，所述锯条探针孔的轴线方向与锯条探针孔的安装面理论垂直，所述锯条旋转槽的轴线方向与锯条旋转槽的安装面理论垂直。
进一步的，所述探针孔均匀分布在探针侧上远离锯条侧的一端，所述钻头工具孔均匀分布在钻头侧上远离锯条侧的一端，所述锯条探针孔设于探针侧或钻头侧上靠近锯条侧的一端，所述锯条旋转槽设于钻头侧或探针侧上靠近锯条侧的一端，自锯条旋转槽至钻头工具孔之间的标定装置本体为把持固定凸台，用于把持或固定标定装置本体。
进一步的，所述标定装置本体上还设有用于减小标定装置本体质量的侧通孔，所述侧通孔完全贯穿标定装置本体，所述标定装置本体的锐边均进行了圆角处理。
一种用于手术导航系统的手术器械标定方法，使用如上所述的手术器械标定装置进行手术器械的标定，包括以下步骤：
S1：确定待标定的手术器械的规格，找到与待标定的手术器械规格对应的器械安装孔并插入待标定的手术器械，待标定的手术器械与器械安装孔过渡配合，且待标定的手术器械的尖点与器械安装孔的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
S2：找到与器械安装孔相对应的标定物安装孔并插入用于标定的标定物，标定物与标定物安装孔过渡配合，且标定物的尖点与标定物安装孔的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
S3：保持标定装置本体、待标定的手术器械和标定物三者的相对位置不变，并放入导航世界坐标系能识别的范围内；
S4：获取待标定的手术器械的坐标系和标定物追踪器的坐标系，根据器械安装孔与标定物安装孔之间预设置的轴线和距离关系，通过计算对标定的手术器械进行轴向标定和位置标定。
进一步的，所述待标定的手术器械包括钻头和锯条，所述器械安装孔包括钻头工具孔、锯条安装槽和锯条旋转槽，所述标定物包括探针和锯条探针，所述标定物安装孔包括探针孔和锯条探针孔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)将待标定的手术器械和用于标定位置的标定物分别安装在标定装置本体上，获取手术器械的追踪器坐标系和标定物的追踪器坐标系，可以快速根据手术器械和标定物之间的轴线和距离关系快速完成手术器械的标定，精度更高，通过改变追踪器，既可以用于光学导航系统，也可以用于电磁导航系统，且分别设置了钻头工具孔和锯条安装槽，能够更好地固定待标定的手术钻头和手术锯条，标定过程的稳定性更高。
(2)在手术器械标定装置上设有不同类型、不同规格的手术器械安装孔，标定过程中无需更换标定块，节约了操作时间。
(3)在标定过程中，待标定手术器械的尖点与标定物的尖点之间轴线和距离是固定的，因此，对于同一类手术器械，只要长度相同，可以只标定一个手术器械，直接计算其他手术器械的标定矩阵，标定速度更快。
(4)本发明结构简单，制造成本低，环境因素对标定精度的影响较小，把持固定凸台用于标定装置的把持或固定，确保标定过程的稳定，且完全贯穿的侧通孔有效减轻了标定装置的整体重量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为实施例中钻头标定的示意图；
图4为实施例中各个坐标系之间关系示意图；
图5为实施例中锯条标定的示意图；
图6为实施例中锯条标定的示意图；
附图标记：1、标定装置本体，2、探针孔，3、钻头工具孔，4、锯条安装槽，5、锯条探针孔，6、锯条旋转槽，7、把持固定凸台，8、侧通孔，9、钻头，901、钻头手机，902、钻头尖点，10、探针，1001、探针尖点，11、锯条，1101、锯条尖点，12、锯条探针。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
在本实施例中，使用标定装置对手术钻头进行标定。
标定装置是采用光敏树脂复合材料3D打印制成的，体积仅为326立方厘米，质量仅为390克，节省了制造成本，便于携带，且环境的温度、湿度等物理因素对标定装置的精度影响较小。
如图1和图2所示，一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，包括标定装置本体1、16个探针孔2、16个规格不同的钻头工具孔3、12个规格不同的锯条安装槽4、锯条探针孔5和锯条旋转槽6。
其中，16个探针孔2均匀设于标定装置本体1的探针侧；
16个规格不同的钻头工具孔3均匀设于标定装置本体1的钻头侧；
12个规格不同的锯条安装槽4均匀设于标定装置本体1的锯条侧；
锯条探针孔5，设于标定装置本体1的钻头侧，在其他实施方式中，也可以设于标定装置本体1的探针侧；
锯条旋转槽6，锯条探针孔5与锯条旋转槽6设于标定装置本体1的不同侧面上，本实施例中，锯条旋转槽6设于标定装置本体1的探针侧，在其他实施方式中，也可以设于标定装置本体1的钻头侧，锯条旋转槽6为光滑的内锥面。
进一步的，标定装置本体1的探针侧与标定装置本体1的钻头侧为标定装置本体1上两个相对而立的侧面，标定装置本体1的锯条侧为标定装置本体1上的一个侧面，且锯条侧与探针孔2和钻头工具孔3的轴线方向平行。
进一步的，探针侧的探针孔2与钻头侧的钻头工具孔3一一对应，探针孔2的轴线方向与相对应的钻头工具孔3的轴线方向完全重合，探针孔2和钻头工具孔3之间互不相交，且探针孔2的底部和与其相对应的钻头工具孔3的底部之间的距离为预设置的钻头偏移值，用于计算钻头尖点相对于探针尖点的偏移值。
进一步的，锯条安装槽4未完全贯穿标定装置本体1，锯条安装槽4、锯条探针孔5和锯条旋转槽6之间互不相交，锯条探针孔5的轴线方向与锯条旋转槽6的轴线方向完全重合，锯条探针孔5的底部和锯条安装槽4的底部之间的距离为预设置的锯条偏移值，锯条探针孔5的底部和锯条旋转槽6的底部之间的距离为预设置的尖点偏移值，分别用于标定过程中锯条的轴线和位置的计算。
进一步的，探针孔2的长度小于等于探针的金属轴线长度，钻头工具孔3的长度小于等于钻头的金属轴线长度，锯条安装槽4的长度小于等于锯条的金属轴线长度，锯条探针孔5的长度小于等于锯条的金属轴线长度，锯条旋转槽6的长度小于等于锯条的金属轴线长度，锯条旋转槽6的斜度与锯条的尖点的斜度理论相同，这样能确保待标定的手术器械的尖点在安装孔的底部，标定物的尖点在安装孔的底部。
进一步的，各个探针孔2的轴线方向均与标定装置本体1的探针侧理论垂直，各个钻头工具孔3的轴线方向均与标定装置本体1的钻头侧理论垂直，各个锯条安装槽4的轴线方向均与标定装置本体1的锯条侧理论垂直，锯条探针孔5的轴线方向与锯条探针孔5的安装面(本实施例中为钻头侧)理论垂直，锯条旋转槽6的轴线方向与锯条旋转槽6的安装面(本实施例中为探针侧)理论垂直。
进一步的，探针孔2均匀分布在探针侧上远离锯条侧的一端，钻头工具孔3均匀分布在钻头侧上远离锯条侧的一端，锯条探针孔5设于探针侧或钻头侧上靠近锯条侧的一端，锯条旋转槽6设于钻头侧或探针侧上靠近锯条侧的一端，自锯条旋转槽6至钻头工具孔3之间的标定装置本体1为把持固定凸台7，用于把持或固定标定装置本体1。
进一步的，标定装置本体1上还设有用于减轻标定装置本体1质量的侧通孔8，侧通孔8完全贯穿标定装置本体1，标定装置本体1的锐边均进行了圆角处理。
一种用于手术导航系统的手术器械标定方法，包括以下步骤：
S1：确定待标定的手术器械的规格，找到与待标定的手术器械规格对应的器械安装孔并插入待标定的手术器械，待标定的手术器械与器械安装孔过渡配合，且待标定的手术器械的尖点与器械安装孔的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
S2：找到与器械安装孔相对应的标定物安装孔并插入用于标定的标定物，标定物与标定物安装孔过渡配合，且标定物的尖点与标定物安装孔的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
S3：保持标定装置本体、待标定的手术器械和标定物三者的相对位置不变，并放入导航世界坐标系能识别的范围内；
S4：获取待标定的手术器械的坐标系和标定物追踪器的坐标系，根据器械安装孔与标定物安装孔之间预设置的轴线和距离关系，通过计算对标定的手术器械进行轴向标定和位置标定。
进一步的，待标定的手术器械包括钻头和锯条，器械安装孔包括钻头工具孔、锯条安装槽和锯条旋转槽，标定物包括探针和锯条探针，标定物安装孔包括探针孔和锯条探针孔。
使用的标定方法流程简单，可在20秒之类完成手术器械的标定，极大程度节省了手术器械标定时间，且标定方法误差RMS可控制在0.5mm之内，相比于现有技术精度更高。
对手术钻头进行标定的具体标定过程如下：
a1：如图3所示，确定钻头9的公称直径，将钻头9与钻头手机901安装配合，在标定装置本体1的钻头侧找到对应公称直径的钻头工具孔3，钻头9与钻头工具孔3过渡配合，且钻头9的尖点902与钻头工具孔3的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
a2：如图3所示，找到与钻头工具孔3相对应的探针孔2，探针10与探针孔2过渡配合，且探针10的尖点1001与探针孔2的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
a3：保持标定装置本体、钻头9和探针10三者的相对位置不变，并放入导航世界坐标系T0能识别的范围内；
a4：各个坐标系之间的示意图如图4所示，探针10在探针追踪器坐标系T4下的方向为向量(a,b,c,1)T，钻头9在钻头追踪器坐标系T1下的方向向量为(u,v,w,1)T，探针追踪器坐标系T4对应于导航世界坐标系T0下的位姿矩阵为M1，钻头追踪器坐标系T1对应于航世界坐标系T0下的位姿矩阵为M2，探针追踪器坐标系T4与探针尖点坐标系T3之间的标定关系为
Figure BDA0002704840180000071
则钻头9的轴向标定矩阵为：
Figure BDA0002704840180000072
完成了轴向标定；
a5：将探针追踪器坐标系T4平移距离D，D即是钻头尖点902和探针尖点1001之间的距离，确定标定后，根据以下公式计算标定后T2钻头尖点坐标系的位置偏移值t：
Figure BDA0002704840180000081
对于不同长度的钻头的标定，首先建立不同长度的钻头数据集，然后对标准长度的钻头进行标定，得到标定矩阵Ca0，最后根据下面的公式钻头数据集中其他钻头的标定矩阵Can：
Figure BDA0002704840180000082
对于相同工程直径但长度不同的钻头，可以在上述标定过程的基础之上直接计算得到标定矩阵，无需多次重复标定。
实施例2：
在本实施例中，使用标定装置对手术锯条进行标定。
本实施例其他部分同实施例1，对手术锯条进行标定的具体标定过程如下：
b1：如图5所示，确定锯条11的形状和规格，在标定装置本体1的锯条侧找到对应形状和规格的锯条安装槽4，锯条11与锯条安装槽4紧密配合并保持稳定；
b2：如图5所示，锯条探针12插入锯条探针孔5，锯条探针12与锯条探针孔5过渡配合，且锯条探针12的尖点与锯条探针孔5的底部紧密贴合并保持稳定，二者的轴线理论重合；
b3：保持标定装置本体、锯条11和锯条探针12三者的相对位置不变，并放入导航世界坐标系T0能识别的范围内；
b4：根据锯条探针12与锯条安装槽4的轴线几何关系得到锯条11的轴线标定矩阵；
b5：如图6所示，将锯条尖点1101与锯条旋转槽6的锥底重合，并将锯条11贴合锯条旋转槽6表面旋转，采集旋转过程中n个采样点的旋转矩阵Rn以及平移矩阵Tn，根据以下公式计算行锯条尖点1101的位置标定矩阵P：
P＝(R1-R2)-1(T2-T1)＝…＝(Ri-1-Ri)-1(Ti-Ti-1)
最终完成锯条的标定过程。

Claims (10)

1.一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，包括；
标定装置本体(1)；
多个探针孔(2)，各探针孔(2)均设于标定装置本体(1)的探针侧，与用于位置标记的探针相配合；
多个规格不同的钻头工具孔(3)，各钻头工具孔(3)均设于标定装置本体(1)的钻头侧，与待标定的钻头相配合；
多个规格不同的锯条安装槽(4)，各锯条安装槽(4)均设于标定装置本体(1)的锯条侧，与待标定的锯条相配合；
锯条探针孔(5)，安装于标定装置本体(1)上，与用于位置标记的锯条探针相配合；
锯条旋转槽(6)，安装于标定装置本体(1)上，与待标定的锯条的尖点相配合，所述锯条旋转槽(6)为内锥面；
所述锯条旋转槽(6)的安装面与所述锯条探针孔(5)的安装面为标定装置本体(1)的不同侧面。
2.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述标定装置本体(1)的探针侧与标定装置本体(1)的钻头侧为标定装置本体(1)上两个相对而立的侧面，所述标定装置本体(1)的锯条侧为标定装置本体(1)上的一个侧面，所述锯条侧与探针孔(2)和钻头工具孔(3)的轴线方向平行，所述锯条探针孔(5)的安装面为标定装置本体(1)的探针侧或标定装置本体(1)的钻头侧，所述锯条旋转槽(6)的安装面为标定装置本体(1)的钻头侧或标定装置本体(1)的探针侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述探针侧的探针孔(2)与钻头侧的钻头工具孔(3)一一对应，探针孔(2)的轴线方向与相对应的钻头工具孔(3)的轴线方向完全重合，所述探针孔(2)和所述钻头工具孔(3)之间互不相交，且探针孔(2)的底部和与其相对应的钻头工具孔(3)的底部之间的距离为预设置的钻头偏移值。
4.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述锯条安装槽(4)未完全贯穿标定装置本体(1)，所述锯条安装槽(4)、锯条探针孔(5)和锯条旋转槽(6)之间互不相交，锯条探针孔(5)的轴线方向与锯条旋转槽(6)的轴线方向完全重合，所述锯条探针孔(5)的底部和锯条安装槽(4)的底部之间的距离为预设置的锯条偏移值，所述锯条探针孔(5)的底部和锯条旋转槽(6)的底部之间的距离为预设置的尖点偏移值。
5.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述探针孔(2)的长度小于等于探针的金属轴线长度，所述钻头工具孔(3)的长度小于等于钻头的金属轴线长度，所述锯条安装槽(4)的长度小于等于锯条的金属轴线长度，所述锯条探针孔(5)的长度小于等于锯条的金属轴线长度，所述锯条旋转槽(6)的长度小于等于锯条的金属轴线长度，所述锯条旋转槽(6)的斜度与锯条的尖点的斜度理论相同。
6.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述各个探针孔(2)的轴线方向均与标定装置本体(1)的探针侧理论垂直，所述各个钻头工具孔(3)的轴线方向均与标定装置本体(1)的钻头侧理论垂直，所述各个锯条安装槽(4)的轴线方向均与标定装置本体(1)的锯条侧理论垂直，所述锯条探针孔(5)的轴线方向与锯条探针孔(5)的安装面理论垂直，所述锯条旋转槽(6)的轴线方向与锯条旋转槽(6)的安装面理论垂直。
7.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述探针孔(2)均匀分布在探针侧上远离锯条侧的一端，所述钻头工具孔(3)均匀分布在钻头侧上远离锯条侧的一端，所述锯条探针孔(5)设于探针侧或钻头侧上靠近锯条侧的一端，所述锯条旋转槽(6)设于钻头侧或探针侧上靠近锯条侧的一端，自锯条旋转槽(6)至钻头工具孔(3)之间的标定装置本体(1)为把持固定凸台(7)，用于把持或固定标定装置本体(1)。
8.根据权利要求1所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，其特征在于，所述标定装置本体(1)上还设有用于减小标定装置本体(1)质量的侧通孔(8)，所述侧通孔(8)完全贯穿标定装置本体(1)，所述标定装置本体(1)的锐边均进行了圆角处理。
9.一种用于手术导航系统的手术器械标定方法，其特征在于，使用如权利要求1-8中任一所述的手术器械标定装置进行手术器械的标定，包括以下步骤：
S1：确定待标定的手术器械的规格，找到与待标定的手术器械规格对应的器械安装孔并插入待标定的手术器械，待标定的手术器械与器械安装孔过渡配合，且待标定的手术器械的尖点与器械安装孔的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
S2：找到与器械安装孔相对应的标定物安装孔并插入用于标定的标定物，标定物与标定物安装孔过渡配合，且标定物的尖点与标定物安装孔的底部紧密贴合，二者的轴线理论重合；
S3：保持标定装置本体、待标定的手术器械和标定物三者的相对位置不变，并放入导航世界坐标系能识别的范围内；
S4：获取待标定的手术器械的坐标系和标定物追踪器的坐标系，根据器械安装孔与标定物安装孔之间预设置的轴线和距离关系，通过计算对标定的手术器械进行轴向标定和位置标定。
10.根据权利要求9所述的一种用于手术导航系统的手术器械标定方法，其特征在于，所述待标定的手术器械包括钻头和锯条，所述器械安装孔包括钻头工具孔、锯条安装槽和锯条旋转槽，所述标定物包括探针和锯条探针，所述标定物安装孔包括探针孔和锯条探针孔。
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