CN113349914B - 混合现实可视化操作系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种混合现实可视化操作系统，所述系统包括X射线定位模块、第一光学定位模块、第二光学定位模块、第一数据采集模块、第二数据采集模块、处理模块、可穿戴模块及操作模块；处理模块用于根据X射线定位信号及第一光学定位信号确定目标部位相对于第一光学定位模块的实际空间信息，并根据第一光学定位信号及第二光学定位信号确定操作模块相对于第一光学定位模块的虚拟空间信息；可穿戴模块，用于显示实际空间信息及虚拟空间信息，为操作模块提供操作信息。本公开实施例基于所述实际空间信息及所述虚拟空间信息可以精准确定目标部位的空间位置信息，为操作模块提供准确指引，提高对目标部位的手术成功率。

Description

混合现实可视化操作系统
技术领域
本公开涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种混合现实可视化操作系统。
背景技术
脊柱位置较深，解剖关系复杂，紧邻脊神经、神经根和血管等重要结构，在大多数脊柱手术中都需要使用椎弓根螺钉进行固定，传统的上椎弓根螺钉的方式主要依靠医生的经验和对解剖标志的理解，目前的设计方案大多采用体表定位，需要进行术前规划，且术中难免会牵拉切口，使脊柱位置发生轻微改变，这些在很大程度上影响了医师对脊柱实时位置的把握和进钉的准确性。并且由于脊柱关节较多，活动度较大，甚至呼吸活动都会导致定位的偏差，造成进钉的失败，目前的技术难以满足脊柱术中实时的高精度定位导航要求，因此如何提高实时的进针准确性是临床急需解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种混合现实可视化操作系统，所述系统包括X射线定位模块、第一光学定位模块、第二光学定位模块、第一数据采集模块、第二数据采集模块、处理模块、可穿戴模块及操作模块，其中，
所述X射线定位模块及所述第一光学定位模块设置在目标部位附近的骨质上，所述第二光学定位模块设置在所述操作模块上；
所述第一数据采集模块用于通过所述X射线定位模块获取并发送X射线定位信号到所述处理模块；
所述第二数据采集模块用于通过所述第一光学定位模块及所述第二光学定位模块分别获取并发送第一光学定位信号及第二光学定位信号到所述处理模块；
所述处理模块连接于所述第一数据采集模块及所述第二数据采集模块，用于根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号确定所述目标部位相对于所述第一光学定位模块的实际空间信息，并根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述操作模块相对于所述第一光学定位模块的虚拟空间信息；
所述可穿戴模块，连接于所述处理模块，用于显示所述实际空间信息及所述虚拟空间信息，为所述操作模块提供操作信息。
在一种可能的实施方式中，所述X射线定位信号包括所述目标部位相对于所述X射线定位模块的空间信息，所述处理模块用于根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号将所述目标部位相对于所述X射线定位模块的空间信息转换为目标部位相对于第一光学定位模块的实际空间信息。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块用于根据所述第一光学信号及所述第二光学信号确定所述第一光学定位模块及所述第二光学定位模块的相对空间位置，以确定所述虚拟空间的相对位置信息。
在一种可能的实施方式中，所述X射线定位模块与所述第一光学定位模块一体化设置，
所述第一数据采集模块包括三维C型臂。
在一种可能的实施方式中，所述操作模块包括导针、导针套管、电钻及限位单元，
所述导针设置在所述导针套管中，被所述电钻带动旋转，
所述第二光学定位模块插于导针尾端，通过所述限位单元设置在所述电钻上，并且不影响导针高速旋转。
在一种可能的实施方式中，所述导针包括钛合金导针，
所述导针套管一侧具有弹性开口的中空结构。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块还可以用于对所述实际空间信息及所述导针的进针通道进行渲染、监测，当所述导针尖端接触预设位置时，发出警报信息。
在一种可能的实施方式中，所述系统还可以包括机械臂，连接于所述处理模块、所述可穿戴模块及所述操作模块，用于根据所述实际空间信息及所述虚拟空间信息的匹配程度对所述操作模块进行操作。
在一种可能的实施方式中，所述可穿戴模块包括混合现实眼镜。
在一种可能的实施方式中，所述目标部位包括脊柱和关节。
本公开实施例利用第一数据采集模块通过所述X射线定位模块获取并发送X射线定位信号到所述处理模块，并利用所述第二数据采集模块通过所述第一光学定位模块及所述第二光学定位模块分别获取集并发送第一光学定位信号及第二光学定位信号到所述处理模块，并利用所述处理模块根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号确定所述目标部位相对于所述第一光学定位模块的实际空间信息，并根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述操作模块相对于所述第一光学定位模块的虚拟空间信息，以使得所述可穿戴模块显示所述实际空间信息及所述虚拟空间信息，为所述操作模块提供操作信息，基于所述实际空间信息及所述虚拟空间信息可以精准确定目标部位的空间位置信息，为操作模块提供准确指引，提高对目标部位的手术成功率。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出了根据本公开一实施例的混合现实可视化操作系统的框图。
图2示出了根据本公开一实施例的混合现实可视化操作系统的示意图。
图3示出了根据本公开一实施例的X射线定位模块及第一光学定位模块的示意图。
图4a示出了根据本公开一实施例的操作模块及第二光学定位模块的示意图。
图4b示出了根据本公开一实施例的操作模块的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
请参阅图1，图1示出了根据本公开一实施例的混合现实可视化操作系统的框图。
如图1所示，所述系统包括X射线定位模块10、第一光学定位模块20、第二光学定位模块30、第一数据采集模块40、第二数据采集模块50、处理模块60、可穿戴模块70及操作模块80，其中，
所述X射线定位模块10及所述第一光学定位模块20设置在目标部位附近的骨质上，所述第二光学定位模块30设置在所述操作模块80上；
所述第一数据采集模块40用于通过所述X射线定位模块10获取并发送X射线定位信号到所述处理模块60；
所述第二数据采集模块50用于通过所述第一光学定位模块20及所述第二光学定位模块30分别获取集并发送第一光学定位信号及第二光学定位信号到所述处理模块60；
所述处理模块60连接于所述第一数据采集模块40及所述第二数据采集模块50，用于根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号确定所述目标部位相对于所述第一光学定位模块20的实际空间信息，并根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述操作模块80相对于所述第一光学定位模块20的虚拟空间信息；
所述可穿戴模块70，连接于所述处理模块60，用于显示所述实际空间信息及所述虚拟空间信息，为所述操作模块80提供操作信息。
本公开实施例利用第一数据采集模块通过所述X射线定位模块获取并发送X射线定位信号到所述处理模块，并利用所述第二数据采集模块通过所述第一光学定位模块及所述第二光学定位模块分别获取集并发送第一光学定位信号及第二光学定位信号到所述处理模块，并利用所述处理模块根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号确定所述目标部位相对于所述第一光学定位模块的实际空间信息，并根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述操作模块相对于所述第一光学定位模块的虚拟空间信息，以使得所述可穿戴模块显示所述实际空间信息及所述虚拟空间信息，为所述操作模块提供操作信息，对操作模块的操作提供准确指引，提高对目标部位的手术成功率。
本公开实施例对所述X射线定位模块及所述第一光学定位模块设置的具体位置不做限定，本领域技术人员可以根据需要设置在目标部位的附近骨质上即可。
在一种可能的实施方式中，处理模块60可以包括具有处理组件的终端或服务器，处理组件包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路执行所述可执行指令。
在一个示例中，终端又称之为用户设备(User Equipment，UE)、移动台(MobileStation，MS)、移动终端(Mobile Terminal，MT)等，是一种向用户提供语音和/或数据连通性的设备，例如，具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。目前，一些终端的举例为：手机(Mobile Phone)、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备(MobileInternetdevice，MID)等。
通过处理组件，本公开实施例可以执行相关处理指令，以根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号确定所述目标部位相对于所述第一光学定位模块的实际空间信息，并根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述操作模块相对于所述第一光学定位模块的虚拟空间信息，以使得所述可穿戴模块显示所述实际空间信息及所述虚拟空间信息，为所述操作模块提供操作信息。
在一种可能的实施方式中，所述X射线定位信号包括所述目标部位相对于所述X射线定位模块10的空间信息，所述处理模块60可以用于根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号将所述目标部位相对于所述X射线定位模块10的空间信息转换为所述实际空间信息。
在一个示例中，所述处理模块60在获取到X射线定位信号及第一光学定位信号时，可以得到所述目标部位相对于X射线定位模块10的空间信息(三维空间位置信息)，在获取到第一光学定位信号时，可以得到第一光学定位模块20所在的空间信息，通过X射线定位信号确定的空间信息及第一光学定位模块20的空间信息的相对关系，可以将所述目标部位相对于X射线定位模块10的空间信息转换为目标部位相对于第一光学定位模块20的空间信息，这样，可以在后续确定准确的导航信息，便于操作者或机械臂实现对操作模块的准确操作。
在一种可能的实施方式中，所述处理模块60用于根据所述第一光学信号及所述第二光学信号确定所述第一光学定位模块20及所述第二光学定位模块30的相对空间位置，以确定所述虚拟空间信息。
在一个示例中，处理模块60在获取到第一光学信号及第二光学信号时，可以得到第一光学定位模块20及第二光学定位模块30的空间信息，因此，处理模块60可以进一步确定第一光学定位模块20及第二光学定位模块30的相对空间位置，并进一步确定操作模块80相对于第一光学定位模块20的虚拟空间信息。
在一个示例中，本公开实施例通过将所述目标部位相对于第一光学定位模块20的实际空间信息及操作模块80相对于第一光学定位模块20的虚拟空间信息同时呈现在可穿戴模块上，可以使得可穿戴模块70将实际空间信息及虚拟空间信息同时展示给操作者，操作者可以根据实际空间信息及虚拟空间信息的匹配程度操作所述操作模块80对目标部位进行操作(如进行手术)。
当然，本公开实施例对处理模块60确定实际空间信息、虚拟空间信息的具体运算过程不做限定，本领域技术人员可以根据需要采用相关技术实现。
请参阅图2，图2示出了根据本公开一实施例的混合现实可视化操作系统的示意图。
在一种可能的实施方式中，如图2所示，所述X射线定位模块10与所述第一光学定位模块20可以是一体化设置，
所述第一数据采集模块40可以包括三维C型臂。
本公开实施例对三维C型臂的实现方式不做限定，本领域技术人员可以采用相关技术中三维C型臂实现。
在一个示例中，本公开实施例对X射线定位模块10及第一光学定位模块20的具体实现方式不做限定，对三维C型臂的具体实现方式也不做限定。
请参阅图3，图3示出了根据本公开一实施例的X射线定位模块及第一光学定位模块的示意图。
在一个示例中，如图3所示，X射线定位模块10可以包括X射线显影铅球110，第一光学定位模块20可以包括光学定位玻璃球210，X射线显影铅球110及光学定位玻璃球210的数目可以包括多个，本公开实施例不做限定。
在一个示例中，如图3所示，X射线定位模块10及第一光学定位模块20可以为一体化设计，各个光学定位玻璃球210、X射线显影铅球110设置在定位支架150上，定位支架可以包括多个边，各个边的两端均可以设置光学定位玻璃球210，定位支架150的中间位置，也可以设置光学定位玻璃球210，X射线显影铅球110可以设置在定位支架150的伸出臂上，该伸出臂通过卡槽170卡接在定位支架150上。
当然，以上对X射线定位模块10及第一光学定位模块20的一体化设计的介绍是示例性的，在其他的实施例中，本领域技术人员还可以采用其他形式的定位支架，也可以利用其他方式实现X射线定位模块10及第一光学定位模块20的一体化设计，对此，本公开实施例不做限定。
在一个实例中，第一数据采集模块40可以发射光线到第一光学定位模块20，并接收第一光学定位模块20的各个光学定位玻璃球210反射的第一光学定位信号，处理模块60根据各个光学定位玻璃球210的相对位置及各个光学定位玻璃球210的反射光组成的第一光学定位信号，可以确定第一光学定位模块20的空间位置信息。
在一个实例中，第一数据采集模块40可以包括光发射器及光接收器，光发射器可以包括LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、MiniLED(Mini Light Emitting Diode，迷你发光二极管)、MicroLED(Micro LightEmitting Diode，微发光二极管)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)的任意一种或多种。
本公开实施例对第一数据采集模块40的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要及实际情况采用相关技术实现。
在一个示例中，第一数据采集模块40包括的三维C型臂可以发射X射线到X射线定位模块10，以被X射线定位模块10中的X射线显影铅球吸收并显影，三维C型臂可以根据X射线定位模块10吸收的X射线得到X射线定位信号。
请参阅图4a，图4a示出了根据本公开一实施例的操作模块及第二光学定位模块的示意图。
请参阅图4b，图4b示出了根据本公开一实施例的操作模块的示意图。
在一种可能的实施方式中，如图2及图4a所示，所述操作模块80包括导针820、导针套管830、电钻810及限位单元840，
所述导针820设置在所述导针套管830中，被所述电钻810带动旋转，
所述第二光学定位模块30可以插在导针820尾端，通过所述限位单元840设置在所述电钻810上，本公开实施例通过限位单元840将第二光学定位模块30连接在电钻810上，可以防止第二光学定位模块30发生旋转从导针上脱出。
在一个示例中，如图4a所示，第二光学定位模块30可以包括光学定位玻璃球310，光学定位玻璃球310的数目可以包括多个，本公开实施例不做限定。
在一个示例中，如图4a所示，各个光学定位玻璃球310设置在操作支架850上，操作支架850可以包括多个边，各个边的两端均可以设置光学定位玻璃球310，操作支架850的中间位置，也可以设置光学定位玻璃球310。
在一个实例中，第二数据采集模块50可以发射光线到第二光学定位模块30，并接收第二光学定位模块30的各个光学定位玻璃球310反射的第二光学定位信号，处理模块60根据各个光学定位玻璃球310的相对位置及各个光学定位玻璃球410的反射光组成的第二光学定位信号，可以确定第二光学定位模块30的空间信息。
在一个实例中，第二数据采集模块50可以包括光发射器及光接收器，光发射器可以包括LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、MiniLED(Mini Light Emitting Diode，迷你发光二极管)、MicroLED(Micro LightEmitting Diode，微发光二极管)、OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)的任意一种或多种。
本公开实施例对第二数据采集模块50的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要及实际情况采用相关技术实现。
在一种可能的实施方式中，所述导针820包括钛合金导针，
在一个示例中，如图4b所示，所述导针套管830一侧具有弹性开口870的中空结构，导针820可以通导针套管830一端的导针孔860插入导针套管820中。
本公开实施例通过限位套管830可以增加导针820的机械强度，并且可以限定导针820进入目标部位(例如为脊柱)的深度，当导针套管接触到骨面时，进针阻力会骤然增加，使操作者(如医师)对视觉化的进针深度和实际进针深度有一个直观的判断。
本公开实施例的导针套管采用一侧有弹性开口的中空结构，电钻插孔拧紧后可以牢固的抱住导针，而拧松电钻插孔后，套管的弹性开口松开，导针和套管分离，可以轻松去掉套管
在一种可能的实施方式中，所述处理模块60还可以用于对所述实际空间信息及所述导针820的进针通道进行渲染、监测，当所述导针820尖端接触预设位置(如穿出骨面)时，发出警报信息。
在一种可能的实施方式中，所述系统还可以包括机械臂，连接于所述处理模块60、所述可穿戴模块70及所述操作模块80，用于根据所述实际空间信息及所述虚拟空间信息的匹配程度对所述操作模块80进行操作。
本公开实施例对机械臂的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要采用相关技术找那个的机械臂实现对操作模块的控制。
在一种可能的实施方式中，所述可穿戴模块70包括增强现实(Mix Reality，MR)眼镜。
在一种可能的实施方式中，所述目标部位包括脊柱和关节。
在一个示例中，目标部位的外部位置可以为脊柱待进行手术的目标部位附近的棘突，本公开实施例将X射线定位模块、第一光学定位模块固定在手术部位附近的棘突上，使用三维C型臂进行扫描，将含有X射线定位模块和第一光学定位模块的X射线定位信号、第一光学定位信号传到处理模块，转换成与实际脊柱位置一致的3维图像，并对椎体和进钉通道进行渲染，通过MR眼镜虚拟的X线定位器图像与实际X线定位器图像的匹配程度，间接判断脊柱3维图像空间位置的准确度。
在一个示例中，本公开实施例可以通过第二数据采集模块获得第一光学定位模块、第二光学定位模块的相对空间位置，将数据上传到处理模块，构建与真实导针完全重叠的虚拟3维图像，并计算导针相对于第一光学定位模块的空间位置，然后将导针的3维图像和脊柱3维图像的相对空间位置信息实时呈现在MR眼镜上。通过MR眼镜上的虚拟的X定位器图像与实际X线定位器图像的匹配程度，可以使医师直观的实时判断脊柱3维图像和真实脊柱位置匹配的精准度，有效避免了各种外部因素造成的匹配不精准的问题，通过本公开实施例的系统，可以将定位误差控制在0.55mm内，提高了导航的准确度。
本公开实施例提出的系统不需手术路径规划，手术操作时牵拉切口不会影响进针精度，可以实时的引导导针820，最大程度上提高了手术精度，节约了手术时间，并提高了手术安全性。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种混合现实可视化操作系统，其特征在于，所述系统包括X射线定位模块、第一光学定位模块、第二光学定位模块、第一数据采集模块、第二数据采集模块、处理模块、可穿戴模块及操作模块，所述第一数据采集模块包括三维C型臂，其中，
所述X射线定位模块及所述第一光学定位模块设置在目标部位附近的骨质上，所述第二光学定位模块设置在所述操作模块上；
所述第一数据采集模块用于通过所述X射线定位模块获取并发送X射线定位信号到所述处理模块；
所述第二数据采集模块用于通过所述第一光学定位模块及所述第二光学定位模块分别获取并发送第一光学定位信号及第二光学定位信号到所述处理模块；
所述处理模块连接于所述第一数据采集模块及所述第二数据采集模块，用于根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号确定所述目标部位相对于所述第一光学定位模块的实际空间信息，并根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述操作模块相对于所述第一光学定位模块的虚拟空间信息；
所述可穿戴模块，连接于所述处理模块，用于显示所述实际空间信息及所述虚拟空间信息，为所述操作模块提供操作信息，
所述X射线定位信号包括所述目标部位相对于所述X射线定位模块的空间信息，所述处理模块用于根据所述X射线定位信号及所述第一光学定位信号将所述目标部位相对于所述X射线定位模块的空间信息转换为目标部位相对于第一光学定位模块的实际空间信息，
所述处理模块用于根据所述第一光学定位信号及所述第二光学定位信号确定所述第一光学定位模块及所述第二光学定位模块的相对空间位置，以确定所述虚拟空间信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述X射线定位模块与所述第一光学定位模块一体化设置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操作模块包括导针、导针套管、电钻及限位单元，
所述导针设置在所述导针套管中，被所述电钻带动旋转，
所述第二光学定位模块插于导针尾端，通过所述限位单元设置在所述电钻上。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述导针包括钛合金导针，
所述导针套管一侧具有弹性开口的中空结构。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述处理模块还可以用于对所述实际空间信息及所述导针的进针通道进行渲染、监测，当所述导针尖端接触预设位置时，发出警报信息。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还可以包括机械臂，连接于所述处理模块、所述可穿戴模块及所述操作模块，用于根据所述实际空间信息及所述虚拟空间信息的匹配程度对所述操作模块进行操作。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可穿戴模块包括混合现实眼镜。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标部位包括脊柱和关节。
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