CN112932667A - 一种三维图像专用定位标尺、手术导航系统及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维图像专用定位标尺，其能够调整角度，其特征在于：它包括一标定器、一底座、一和底座配合旋转部件、一标定器连接杆、一用于紧固底座和克氏针紧固螺钉一、一用于紧固底座和旋转部件紧固螺钉二和一用于紧固标定器和标定器连接杆紧固螺钉三；所述标定器包括一端设计能够与所述标定器连接杆连接，实现绕标定器连接杆旋转任意角度，所述标定器面上设置不少于三个的标记点。所述标定器面上的各标记点的排布形状具有各向异性。本发明还公开了一种手术导航系统及其定位方法。本发明的系统和方法可实现在手术规划后任意移动机械臂，避开了机械臂的工作空间范围小的缺点，确保一次成像就可以搞定手术目标位置的全部手术路径。

Description

一种三维图像专用定位标尺、手术导航系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种三维图像专用标尺、手术导航系统及其如何使用专用定位标尺定位的方法，属于手术定位技术领域。
背景技术
随着近年来微创手术的普遍应用和对手术当中器械或者内植入物定位精度的要求不断提高，基于医学图像引导的辅助定位或者手术导航系统有了很大的发展。该类系统的原理分成以下几个步骤：首先要进行手术前的系统中各个坐标系之间的映射关系，也就是建立手术目标(病人)、CTCB机建立的三维医学图像和执行机构各自坐标系的映射关系，该步骤通常称为系统坐标标定。接下来就是手术的规划，也就是医生根据CTCB机建立的三维医学图像模型上规划出手术路径。最后是手术实施部分，也就是将规划的手术路径通过手持手术引导器放置到手术路径上或者控制机械臂等执行机构将引导器定位到手术路径上，医生通过引导器辅助来完成手术开刀或植入物的植入。
上述步骤中最为核心的就是系统坐标标定，其通常的含义是指手术导航系统中存在的各个坐标系之间的映射关系的建立，最终实现手术目标(一般是指病人)和执行机构的联系，通过三维图像中规划的路径最后由执行机构能定位到该路径。具体的坐标系主要包括，患者坐标系、三维图像坐标系、工具(辅助定位装置)坐标系和执行机构坐标系。系统坐标标定的精度决定最后定位手术路径的精度。
目前实现系统坐标标定的场景是提供一种三维图像专用带有标记点的标定器、标定器固定到机械臂上，在术前把标定器放到手术目标上方，通过CBCT机(锥形CT机)和手术目标一起扫描，在重建的三维图像中就可以识别出标定器的标记点，通过空间算法可以计算出标定器和手术目标之间的映射关系，标定器和机器臂是固定到一起的，可以算出标定器和机器臂的映射关系，通过标定器就建立手术目标和机械臂之间的关系。也就是建立了手术目标和执行机构的关系。
上述场景，一旦建立了图像坐标系和机械臂坐标系之间的关系以后，机械臂之后就不能移动，一旦规划出现一个或者多个路径机械臂无法运动到规划路径上，系统只能重新来一遍，增加了手术时间和对患者的多次X光的透视。
在建立标定器和机器臂之间的坐标映射关系，标定器和机器臂末端越靠近越能提高映射的精度，而实际使用中CTCB机主要是C型臂，为了防止和C型臂干涉，往往标定器和机器臂末端之间的连接距离比较大，不利于精度的进一步提高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新的三维手术定位标尺、手术定位系统和定位方法，实现了规划和执行机构的低耦合和定位到手术路径的高精度。在术前系统定位后，医生规划好手术路径以后，执行机构依然可以移动到合适的位置固定后再继续定位到手术路径。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可调角度的三维图像专用定位标尺，包括一标定器、一底座、一和底座配合旋转部件、一标定器连接杆、一用于紧固底座和克氏针紧固螺钉、一用于紧固底座和旋转部件紧固螺钉和一用于紧固标定器和标定器连接杆紧固螺钉。
标定器包括一端设计可与连接杆连接，实现绕连接杆旋转任意角度，标定器表面上设有不少于三个且不在一条直线上的标记点。标定器表面为可透X光的材料制成，标记点包括不透X光的球形部件和圆形贴片。
所述球形部件使用不透X光材料制成，可以在CT所生成的图中清晰识别出来，所述圆形贴片由可透X光材料制成，圆形贴片表面可反射红外光，可被光学跟踪器识别位置。
所述球形部件和圆形贴片在标定器的表面可以分开设置，也可以合并设置，优选的是合并设置，并且小球的球心与圆形贴片的圆形重合设置，这样只需要测量其中任何一个数据就可以了。
和底座配合的旋转部件可以垂直于标定器连接杆旋转，实现了标尺在另外一个方向上的旋转，易于调节标尺的角度。
一种手术导航系统，包括一手术机器人、一上位机、一光学跟踪器、一机器人示踪器、一三维成像设备以及一三维图像专用定位标尺。
所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；
所述上位机与所述手术机器人、所述光学跟踪器连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制和读取光学跟踪器识别的标记点的坐标。
所述手术机器人的末端可拆卸机器人示踪器；所述机器人示踪器是可由光学跟踪器读取的工具。
所述光学跟踪器是可以识别机器人示踪器和所述三维图像专用定位标尺的空间坐标并把数据传给上位机
所述三维成像设备用于扫描所述三维图像专用定位标尺和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给所述上位机；所述上位机对图像中标记点与所述三维图像专用定位标尺上的标记点进行对应识别。
还包括导向器，所述导向器与所述手术机器人的末端可拆卸地连接。
一种定位方法，包括以下步骤：1)将三维图像专用定位标尺通过克氏针固定在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用定位标尺和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用定位标尺上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，光学跟踪器获取三维图像定位标尺的坐标并传输给上位机；2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用定位标尺中的标记点与图像中的标记点的对应识别；3)上位机通过三维图像专用定位标尺上的标记点与光学跟踪器读取的标记点之间的坐标关系，计算出患者图像与光学跟踪器之间的坐标变换关系；4)根据患者图像与光学跟踪器之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在光学坐标系下的坐标；5)医生在患者图像中规划手术路径，可直接转到光学跟踪器坐标系下的手术路径；6)将三维图像专用定位标尺旋转到不阻碍手术路径的位置，作为术中患者位置是否移动的示踪器；7)将机器臂移动到合适的位置，光学跟踪器读取机械臂示踪器的位置，传递给上位机，上位机根据传输的机械臂示踪器坐标和机械臂示踪器在机器臂坐标系中的坐标，计算出机械臂和光学跟踪器之间的坐标转化关系；8)根据已经转到光学跟踪器上的手术路径，可以算出在机器臂中的手术路径。
所述步骤2)中，对三维图像专用定位标尺中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：将三维图像专用定位标尺上的标记点转成距离，找到和预先设点给的三点一样的距离，这样就识别出3个点，根据预先设定第4个点和匹配的三个点的距离匹配剩余的点，可以匹配到第4个点，依次可以将剩余的点全部匹配完成。
所述步骤6)中，三维图像专用定位标尺旋转到不阻碍手术路径的位置，光学跟踪器会不停的读取标定器上的标记点的位置，当在术中，患者位置发生以后，会自动调整光学跟踪器坐标下的手术路径，同时更新调整机械臂的手术路径，达到随动功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的三维图像专用定位标尺，不需要固定到额外的机械臂上，可以任意旋转，方便摆放和调整。借助光学跟踪相机与患者跟踪器和机器人跟踪器共同实现患者坐标系、图像坐标系和机器人坐标系的高精度融合或者说配准，并且不需要人工参与进行点对识别和标识，自动化程度高，适用性广。本发明设计的系统和方法可以实现在手术规划后任意移动机械臂，避开了机械臂的工作空间范围小的缺点，确保一次成像就可以搞定手术目标位置的全部手术路径。
附图说明
图1为本发明本发明三维图像专用定位标尺的结构示意图。
图2为本发明手术导航系统的结构示意图。
图3为本发明导向器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明提出了一种三维图像专用定位标尺：包括一标定器1、一底座6、一和底座配合旋转部件4、一标定器连接杆2、一用于紧固底座和克氏针紧固螺钉一7、一用于紧固底座和旋转部件紧固螺钉二5和一用于紧固标定器和标定器连接杆紧固螺钉三3。
所述标定器1一端与所述标定器连接杆2连接，实现绕标定器连接杆2旋转任意角度，所述标定器1面上设置4个不在同一条直线上的标记点111、112、113、114。
进一步地，位于标定器1面上的各标记点111、112、113、114的排布形状具有各向异性(例如任意两个标记点之间的距离均不相等)。
标定器1表面由透X光的材料制成；标记点111-114包括不透X光的小球部件和可反射光学跟踪器红外光的圆形贴片制成，圆形贴片是可透X光材料。
所述小球部件和圆形贴片在标定器1的表面可以分开设置，也可以如图1所示合并设置，优选的是合并设置，并且小球的球心与圆形贴片的圆形重合设置，这样只需要测量其中任何一个数据就可以了。当分开设置时需要单独测量小球与小球、圆形贴片与圆形贴片之间的数据。
和底座配合的旋转部件4以垂直于标定器1连接杆旋转，实现标尺在另外一个方向上的旋转，易于调节标尺的角度。
实施例2：
如图2所示，基于上述三维图像专用定位标尺1001，本发明还提出了一种手术导航系统，它包括一三维图像专用定位标尺100、一手术机器人200、一上位机(图中未示出)、一光学跟踪器400、一机器人示踪器500、一固定图像专用标定器克氏针600、一三维成像设备300和一导向器700。其中，手术机器人200为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂。上位机与手术机器人200、光学跟踪器400连接，用于对手术机器人200的运动进行控制和读取光学跟踪器400识别的标记点的坐标。手术机器人200的末端可拆卸机器人示踪器；机器人示踪器500是可由光学跟踪器400读取的工具。
光学跟踪器400是可以识别机器人示踪器500和三维图像专用定位标尺1001的空间坐标并把数据传给上位机；三维成像设备300用于扫描三维图像专用定位标尺100和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给上位机；上位机对图像中标记点与三维图像专用定位标尺上的标记点进行对应识别。
还包括导向器700，与手术机器人的末端可拆卸地连接。
本发明优选采用CBCT机(锥形束CT机)作为三维成像设备。
实施例3
本实施例的定位方法，包括以下步骤：1)将三维图像专用定位标尺通过克氏针固定在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用定位标尺和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用定位标尺上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，光学跟踪器获取三维图像定位标尺的坐标并传输给上位机；2)上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用定位标尺中的标记点与图像中的标记点的对应识别；3)上位机通过三维图像专用定位标尺上的标记点与光学跟踪器读取的标记点之间的坐标关系，计算出患者图像与光学跟踪器之间的坐标变换关系；4)根据患者图像与光学跟踪器之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在光学坐标系下的坐标；5)医生在患者图像中规划手术路径，可直接转到光学跟踪器坐标系下的手术路径；6)将三维图像专用定位标尺旋转到不阻碍手术路径的位置，作为术中患者位置是否移动的示踪器；7)将机器臂移动到合适的位置，光学跟踪器读取机械臂示踪器的位置，传递给上位机，上位机根据传输的机械臂示踪器坐标和机械臂示踪器在机器臂坐标系中的坐标，计算出机械臂和光学跟踪器之间的坐标转化关系；8)根据已经转到光学跟踪器上的手术路径，可以算出在机器臂中的手术路径。
所述步骤2)中，对三维图像专用定位标尺中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：将三维图像专用定位标尺上的标记点转成距离，找到和预先设点给的三点一样的距离，这样就识别出3个点，根据预先设定第4个点和匹配的三个点的距离匹配剩余的点，可以匹配到第4个点，依次可以将剩余的点全部匹配完成。
所述步骤6)中，三维图像专用定位标尺旋转到不阻碍手术路径的位置，光学跟踪器会不停的读取标定器上的标记点的位置，当在术中，患者位置发生以后，会自动调整光学跟踪器坐标下的手术路径，同时更新调整机械臂的手术路径，达到随动功能。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何工艺上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明实验工艺范围内，依据本发明的制备技术实质对以上实施例所作的任何非本质修改或任何等同变化，均仍属于本发明权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维图像专用定位标尺，其能够调整角度，其特征在于：它包括一标定器、一底座、一和底座配合旋转部件、一标定器连接杆、一用于紧固底座和克氏针紧固螺钉一、一用于紧固底座和旋转部件紧固螺钉二和一用于紧固标定器和标定器连接杆紧固螺钉三；
所述标定器一端与所述标定器连接杆连接，实现绕标定器连接杆旋转任意角度，所述标定器面上设置不少于三个且不在同一条直线上的标记点。
2.根据权利要求1所述的三维图像专用定位标尺，其特征在于：所述标定器表面为可透X光的材料制成，所述标记点包括一个不透X光部件和一个可透X光圆形贴片，所述不透X光部件使用不透X光材料制成，能够在CT所生成的图中清晰识别出来，所述圆形贴片为可透X光材料制成，圆形贴片表面可反射红外光，可被光学跟踪器识别位置。
3.根据权利要求2所述的三维图像专用定位标尺，其特征在于：所述不透X光部件与圆形贴片分开设置或合并设置，所述合并设置包括所述不透X光部件的中心与所述圆形贴片的圆心重合设置。
4.根据权利要求1或2所述的三维图像专用定位标尺，其特征在于：所述标定器表面上的各标记点的排布形状具有各向异性，任意两个标记点之间的距离均不相等。
5.根据权利要求1所述的三维图像专用定位标尺，其特征在于：和底座配合的旋转部件以垂直于标定器连接杆旋转，实现标尺在另外一个方向上的旋转，易于调节标尺的角度。
6.一种手术导航系统，其特征在于：包括一手术机器人、一上位机、一光学跟踪器、一机器人示踪器、一三维成像设备以及如权利要求1只5之一所述三维图像专用定位标尺；
所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；
所述上位机与所述手术机器人、所述光学跟踪器连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制和读取光学跟踪器识别的标记点的坐标；
所述手术机器人的末端可拆卸机器人示踪器；所述机器人示踪器是由光学跟踪器读取的工具；
所述光学跟踪器是可以识别机器人示踪器和所述三维图像专用定位标尺的空间坐标并把数据传给上位机；
所述三维成像设备用于扫描所述三维图像专用定位标尺和患者手术部位并将标记点图像和患者图像传输给所述上位机；所述上位机对图像中标记点与所述三维图像专用定位标尺上的标记点进行对应识别。
7.根据权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于：
它还包括导向器，所述导向器与所述手术机器人的末端可拆卸地连接。
8.一种定位方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、将三维图像专用定位标尺通过克氏针固定在患者身体手术部位表面，采用三维成像设备对三维图像专用定位标尺和患者手术部位共同进行扫描，三维成像设备获取三维图像专用定位标尺上的标记点的图像和患者图像，并传输给上位机；与此同时，光学跟踪器获取三维图像定位标尺的坐标并传输给上位机；
步骤二、上位机对图像中的标记点与预先设置的标记点几何特征循环进行比较，实现三维图像专用定位标尺中的标记点与图像中的标记点的对应识别；
步骤三、上位机通过三维图像专用定位标尺上的标记点与光学跟踪器读取的标记点之间的坐标关系，计算出患者图像与光学跟踪器之间的坐标变换关系；
步骤四、根据患者图像与光学跟踪器之间的坐标变换关系，计算出患者图像中任意点对应的空间点在光学坐标系下的坐标；
步骤五、医生在患者图像中规划手术路径，可直接转到光学跟踪器坐标系下的手术路径；
步骤六、将三维图像专用定位标尺旋转到不阻碍手术路径的位置，作为术中患者位置是否移动的示踪器；
步骤七、将机器臂移动到合适的位置，光学跟踪器读取机械臂示踪器的位置，传递给上位机，上位机根据传输的机械臂示踪器坐标和机械臂示踪器在机器臂坐标系中的坐标，计算出机械臂和光学跟踪器之间的坐标转化关系；
步骤八、根据已经转到光学跟踪器上的手术路径，计算出在机器臂中的手术路径。
9.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于：所述步骤二中，对三维图像专用定位标尺中的标记点与图像中的标记点之间的识别的具体过程如下：将三维图像专用标定器上的标记点转成距离，找到和预先设点给的三点一样的距离，这样就识别出3个点，根据预先设定第4个点和匹配的三个点的距离匹配剩余的点，可以匹配到第4个点，依次可以将剩余的点全部匹配完成。
10.根据权利要求8所述的定位方法，其特征在于：所述步骤六中，三维图像专用定位标尺旋转到不阻碍手术路径的位置，光学跟踪器会不停的读取标定器上的标记点的位置，当在术中，患者位置发生以后，会自动调整光学跟踪器坐标下的手术路径，同时更新调整机械臂的手术路径，达到随动功能。
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